发明内容
本发明解决的问题是现有的碳纤维或碳纤维复合材料制造的机器人机械手臂工作效率低下、使用环境处出现掉屑现象、美观度不够高和易被腐蚀等问题。
为解决上述问题,本发明提供了一种机械手臂的开孔的处理方法,所述方法包括:
提供机械部件,所述机械部件的材料为碳纤维或碳纤维复合材料,所述机械部件上具有开孔;
对所述开孔侧壁进行机械抛光处理;
机械抛光处理后在所述开孔侧壁涂胶体,静置所述胶体直至胶体凝固成膜形成胶体层。
可选的,还包括对所述机械部件侧面在所述开孔四周的边缘处进行机械抛光处理。
可选的,所述胶体的单体为双甲基丙烯酸三缩四乙二醇酯、双甲基丙烯酸多缩乙二醇酯、甲基丙烯酸羟乙酯、羟丙酯、双酚A环氧酯或聚氨酯。
可选的,所述胶体层的厚度为0.03mm~0.075mm。
可选的,所述静置的时间为4小时~8小时。
可选的,机械抛光处理后,涂胶体之前,对所述开孔侧壁进行清洗处理,所述清洗处理的溶剂为三氯乙烷、甲乙酮、甲醇、丙酮、去离子水、纯净水、酒精、异丙醇中的一种或它们中的任意组合。
可选的,机械抛光处理后,涂胶体之前,对所述开孔侧壁依次进行第一清洗处理和第二清洗处理,所述第一清洗处理的溶剂为三氯乙烷、甲乙酮、甲醇、丙酮中的一种;所述第二清洗处理的溶剂为去离子水、纯净水、酒精、异丙醇中的一种或它们中的任意组合。
可选的,机械抛光处理后,涂胶体之前,还包括对所述机械部件侧面在所述开孔四周的边缘处进行清洗处理,所述清洗处理的溶剂为三氯乙烷、甲乙酮、甲醇、丙酮、去离子水、纯净水、酒精、异丙醇中的一种或它们中的任意组合。
可选的,机械抛光处理后,涂胶体之前,还包括对所述机械部件侧面在所述开孔四周的边缘处进行依次进行第一清洗处理和第二清洗处理,所述第一清洗处理的溶剂为三氯乙烷、甲乙酮、甲醇、丙酮中的一种;所述第二清洗处理的溶剂为去离子水、纯净水、酒精、异丙醇中的一种或它们中的任意组合。
可选的,所述机械抛光处理为用粗砂纸到细砂纸的打磨处理。
可选的,所述打磨处理中依次使用150号水性砂纸、220号水性砂纸、320号水性砂纸、400号水性砂纸。
可选的,用每一种型号水性砂纸对所述开孔侧壁、所述边缘处进行打磨的时间均为2min~3min。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
对机械手臂的开孔侧壁进行打磨处理,可以防止开孔处出现毛边现象、防止开孔处出现掉屑现象而影响机械手臂的使用,并且可以提高美观度;对所述机械手臂的开孔侧壁进行涂胶体处理,使开孔侧壁和机械手臂侧面在所述开孔四周的边缘处光滑,提高机器人的机械手臂与承重部件结合的精密度,增加机器人的机械手臂与承重部件的结合度,从而提高机械手臂的工作效率,而且可以防止机械手臂的开孔处出现被腐蚀的现象。
对机械手臂的开孔侧壁和机械手臂侧面在所述开孔四周的边缘处进行打磨处理,可以更好的提高美观度;对所述机械手臂的开孔侧壁和机械手臂侧面在所述开孔四周的边缘处进行涂胶体处理,更有效的提高机器人的机械手臂与承重部件的结合度,从而更有效的提高机械手臂的工作效率,而且可以更有效的防止机械手臂的开孔处出现被腐蚀的现象。
具体实施方式
请参考图1、图2和图3,发明人发现和分析得知,造成现有的碳纤维或碳纤维复合材料制造的机器人出现机械手臂工作效率低下、使用环境处出现掉屑、美观度不够高、易被腐蚀等问题的原因为:制作机械手臂的过程中,需要对机械手臂20进行切割等机械方法加工形成中空结构,并且在机械手臂上的第一长宽侧面21形成第一开孔23,在机械手臂上的第二长宽侧面22上形成第二开孔24。由于机械手臂的材料为碳纤维或碳纤维复合材料,第一开孔23和第二开孔24处易生成毛边25,影响美观;该毛边容易脱落形成废屑,废屑会掉在机械手臂内部影响机械手臂的使用,而且也影响美观;由于毛边25的存在,第一开孔23的侧壁和第一开孔23四周边缘处、第二开孔24的侧壁和第二开孔24的四周边缘处不光滑,降低机器人的机械手臂与承重部件结合的精密度,使机器人的机械手臂与承重部件的结合度不高,影响机械手臂的工作效率,而且经过长时间的使用,机械手臂的开孔处易出现被腐蚀的现象。
为此,发明人经过创造性劳动,获得了一种机械手臂的开孔的处理方法,具体请参考图4。
步骤S41,提供机械手臂,所述机械手臂的材料为碳纤维或碳纤维复合材料,所述机械手臂上具有开孔;
步骤S42,对所述开孔侧壁进行机械抛光处理;
步骤S43,机械抛光处理后在所述开孔侧壁涂胶体,静置所述胶体直至胶体凝固成膜形成胶体层。
下面结合附图,通过具体实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
提供机械手臂,所述机械手臂的材料为碳纤维或碳纤维复合材料。
碳纤维是由有机纤维经碳化及石墨化处理而得到的微晶石墨材料,主要由碳元素组成,含碳量为95%。
碳纤维复合材料中一般碳纤维为增强体,基体主要包括热固性树脂和热塑性树脂。热固性树脂主要有环氧树脂(EP)、聚酰亚胺树脂(PMR-15)、双马来亚酰胺树脂(BMI)等;热塑性树脂主要有聚芳醚砜(PASF)、聚酰胺酰亚胺(PAI)、聚醚砜(PES)等。另外还包括碳、金属、陶瓷、橡胶体等基体,例如碳纤维增强碳基复合材料(C/C)、碳纤维增强金属基复合材料(CFRM)、碳纤维增强陶瓷基复合材料(CFRC)和碳纤维增强橡胶体复合材料(CFRR)以及碳纤维增强木材复合材料(CFRW)等。
碳纤维或碳纤维复合材料是一种力学性能优异的材料,它的比重不到钢的1/4,抗拉强度一般都在3500Mpa以上,是钢的7~9倍,抗拉弹性模量为230Gpa~430Gpa亦高于钢。因此碳纤维或碳纤维复合材料的比强度(即材料的强度与密度之比)可达到2000Mpa/(g/cm3)以上,而A3钢的比强度仅为59Mpa/(g/cm3)左右,碳纤维或碳纤维复合材料比模量(即材料的模量与密度之比)也比钢高。碳纤维或碳纤维复合材料比强度愈高,则构件自重愈小;比模量愈高,则构件的刚度愈大,因此碳纤维或碳纤维复合材料可用来制造强而轻、刚而薄的机械手臂。同时碳纤维或碳纤维复合材料还具有良好的导电性、导热性、耐热性、抗氧化性、耐磨性以及屏蔽电磁波性等。
接着,对开孔侧壁和机械手臂的侧面在所述开孔四周的边缘处进行抛光处理。对开孔侧壁和机械手臂的侧面在所述开孔四周的边缘处进行抛光处理的目的是使所述开孔侧壁和所述边缘处光滑平整,不易掉屑,增加机械手臂开孔处与承重部件结合的精密度,提高机械手臂与承重部件的结合度。
其它实施例中,还可以仅对开孔侧壁进行抛光处理,只是机械手臂与承重部件的结合度没有上一个实施例效果好。
本实施例中,对第一开孔23和第二开孔24的侧壁及其边缘处进行抛光处理是用由粗到细的水性砂纸来进行打磨的。具体来说,首先使用粗砂纸例如150号水性砂纸打磨第一开孔23的侧壁和第一开孔23四周边缘处、第二开孔24的侧壁和第二开孔24的四周边缘处,也可以选择将机械手臂的所有表面进行打磨处理,对每一面的打磨时间一般可以为2分钟~3分钟左右。接着使用较粗砂纸例如220号水性砂纸继续打磨机械手臂的第一开孔23的侧壁和第一开孔23四周边缘处、第二开孔24的侧壁和第二开孔24的四周边缘处,也可以将机械手臂的所有表面进行打磨处理,每一面的打磨时间一般可以为2分钟~3分钟;接着使用较细砂纸例如320号水性砂纸继续打磨机械手臂的第一开孔23的侧壁和第一开孔23四周边缘处、第二开孔24的侧壁和第二开孔24的四周边缘处,也可以将机械手臂的所有表面进行打磨处理,每一面的打磨时间一般可以为2分钟~3分钟。最后使用细砂纸例如400号水性砂纸继续打磨第一开孔23的侧壁和第一开孔23四周边缘处、第二开孔24的侧壁和第二开孔24的四周边缘处,也可以将机械手臂的所有表面进行打磨处理,每一面的打磨时间一般可以为2分钟~3分钟,这样就可以得到没有毛边、不易掉屑、平整的磨面。在打磨时,采用便携式砂轮机进行打磨。
打磨处理后,第一开孔23的侧壁和第一开孔23四周边缘处、第二开孔24的侧壁和第二开孔24的四周边缘处的表面粗糙度为0.76μm~2μm,在后续涂胶操作步骤中,该表面粗糙度有利于提高胶体在所述机械手臂的开孔侧壁和机械手臂侧面在所述开孔四周的边缘处的附着力,从而增加机械手臂开孔处与承重部件结合的精密度,提高机械手臂与承重部件的结合度。
其它实施例中,也可以采用锉刀将机械手臂的开孔侧壁和机械手臂侧面在所述开孔四周的边缘处挫平。
接着对第一开孔23的侧壁和第一开孔23四周边缘处、第二开孔24的侧壁和第二开孔24的四周边缘处进行清洗处理。所述清洗处理的溶剂为三氯乙烷、甲乙酮、甲醇、丙酮、去离子水、纯净水、酒精、异丙醇中的一种或它们的任意组合,即可以为它们中任意几种。对所述开孔侧壁和所述边缘处进行清洗,可以清除废屑、粉尘、污渍,为后续的涂胶体奠定基础。
在一实施例中,清洗处理可以分为第一清洗处理和第二清洗处理,先进行第一清洗,再进行第二清洗。第一清洗处理的目的为了除油,使后续的涂胶体效果更好。第一清洗处理中使用的第一溶剂为三氯乙烷、甲乙酮、甲醇、丙酮中的一种或它们的任意组合,比如将三氯乙烷和甲乙酮混合后作为溶剂,清洗时间为5~10分钟。采用第一溶剂进行第一清洗处理,气相除油效果较好,而且不容易在所述开孔处侧壁和所述边缘处残留一层油膜。第二清洗处理是为了清洗废屑、粉尘、污渍和第一清洗处理后的废液。第二清洗中使用的第二溶剂可以为去离子水、纯净水、酒精、异丙醇中的一种或它们的任意组合,清洗时间为3分钟~5分钟,然后吹干。所述两步清洗处理要比一步清洗处理的效果好。
其它实施例中,也可以仅对开孔侧壁进行清洗。只是清洗效果没有将所述开孔侧壁和所述边缘处都进行清洗的效果好。
接着在清洗后的所述开孔侧壁和所述边缘处进行涂胶处理。胶体为液态,静置4小时~8小时后,胶体凝固成膜形成胶体层。胶体层对所述开孔侧壁和所述边缘处起到保护作用和美观作用。具体为,成膜后的胶体层可以提高机械手臂的耐腐蚀性,而且可以使开孔侧壁和所述边缘处光滑平整,不易掉屑,提高机械手臂与承重部件的结合度。
胶体成膜的原因可以分为物理成膜和化学成膜两种。物理成膜的原因为碳纤维或碳纤维复合分子与胶体分子之间、胶体分子之间非常接近时(一般约为5A)产生的吸引力,即范德华力(Van der Warls Force),使它们相互凝聚而成为连续的固态膜。化学成膜的原因为碳纤维与胶体分子之间、碳纤维复合分子与胶体分子之间、胶体分子之间生成的配位键(包括氢键,氢键就是一种特殊的配位键)使胶体成膜。
涂胶体时,胶体涂覆在所述开孔侧壁和所述边缘处后,胶体受到吸引,胶体开始润湿所述开孔侧壁和所述边缘处的表面,同时胶体分子在表面上移动。移动过程中,胶体分子中带电荷部分(通常是带有未共享电子或兀电子的基团,即提供电子对的一方)逐渐向所述表面带相反电荷部分(具有空轨道,即接受电子对的一方)靠近,当这两部分距离小于0.35nm时,结合形成配价键而使胶体成为连续的固态膜。
成膜后形成的胶体层均匀且连续,其厚度为0.03mm~0.075mm。范德华力的大小仅为前述化学结合(配位键)的几千分之一,虽然是很小的力,但因为普遍存在胶体分子、碳纤维分子或碳纤维复合材料分子之间,故数目极多,因此范德华力是造成胶体成膜现象的主要原因,根据范德华力的作用原理,胶体层愈厚则愈容易有缺陷而引发破坏,因此应具有均匀且连续的薄胶体层。
胶体是由单体组成,在碳纤维或碳纤维复合材料的表面进行涂胶,对应的单体可以为双甲基丙烯酸三缩四乙二醇酯、双甲基丙烯酸多缩乙二醇酯、甲基丙烯酸羟乙酯、羟丙酯、双酚A环氧酯、聚氨酯中的一种。例如,含有上述聚氨酯单体的水性双组分聚氨酯清漆。根据范德华力原理,这些单体更容易与碳纤维分子、碳纤维复合分子之间产生范德华力;根据电荷作用原理,所述单体具有很强配位能力的共享电子,而使这些单体与碳纤维分子、碳纤维复合分子之间易产生配位键。因此,单体与碳纤维材料、单体与碳纤维复合材料之间的结合效果较好,因此,进一步使所述开孔侧壁和所述边缘处光滑平整,不易掉屑,提高机械手臂与承重部件的结合度。上述单体形成的胶体层具有高耐化学性,会极大的破环反应体系的亲水性,因此所述胶体层具有耐水性,从而使机器人的机械手臂不容易被腐蚀。
涂胶体后,静置4小时~8小时后,请参考图5和图6,所述在第一长宽侧面51的第一开孔53和第二长宽侧面52的第二开孔54处没有毛边和废屑。
在其它实施例中,还可以向胶体内加入与机械手臂颜色相近的颜料,以减小所述开孔侧壁与所述边缘处由于机械抛光处理后而产生的色差,进一步提高机械手臂的美观度。
机械手臂的形状可以为长方体、圆柱体,或截面为三角形、椭圆形、菱形的柱状,或其它形状(有规则或无规则图形)的柱状等。机械手臂为中空结构,在所述机械手臂上形成若干个开孔,所述开孔处与承重物件连接从而使机械手臂起到支撑所述承重物件的作用。所述开孔数量、开孔间距、开孔大小、开孔深度与开孔形状根据机械手臂的长度、承重物件的特征来综合考虑,以使机械手臂在有效的长度内连接更多的承重物件、达到最佳的承重效果。例如,开孔的形状与承重物件连接处的形状相对应,开孔的形状可以为圆形、正方形、三角形和椭圆形或其它形状(有规则图形或无规则图形)等图形中的一种或几种。
本实施例中,请参考图1至图3所示,所述机械手臂20为长方体,宽度W是机械手臂长度L的3.9%~4.1%,高度H是机械手臂长度L的13.7%~13.9%。在第一长宽侧面21设置5个第一开孔23,在第二长宽侧面22设置5个第二开孔24。第一开孔23与第二开孔24相通也可以不连通,如果第一开孔23和第二开孔24连通,则第一开孔23与第二开孔24连接相同的承重物件;如果第一开孔23和第二开孔24不连通,则所述第一开孔23与第二开孔24连接不同的承重物件。本实施例中,所述第一开孔23和第二开孔24之间不连通。所述第一开孔23为长方形,在其它实施例中,长方形的棱角处可以进行倒角处理。第一开孔23长度L1是机械手臂长度L的5.5%~5.7%,宽度W1为机械手臂长度的3.2%~3.2%,相邻两个第一孔直径的孔间距L2为机械手臂长度L的25.2%~25.4%。第二开孔24为圆形开孔,第二开孔24的位置与第一开孔23的位置一一对应。圆弧形的第二开孔24与承重物件可以更好的进行匹配,有利于增加机械手臂的承受力。上述机械手臂以及机械手臂上的开孔设计,可以在有效的长度内连接更多的承重物件、达到最佳的承重效果,并且所述承重物件之间不会互相妨碍。
下面举一个具体的实施例来说明本发明。
机械手臂用碳纤维复合材料制成。所述碳纤维复合材料是碳纤维增强金属基复合材料(CFRM),以热固性树脂为增强体(含量70%,金属含量30%),该增强体主要成分组成按重量份为:乙烯基树脂97.5份、过氧化甲乙酮1.5份、辛酸钴(浓度9%)0.2份、脱模剂硬脂酸钙0.8份。
接着,对机械手臂的开孔侧壁和机械手臂侧面在所述开孔四周的边缘处进行抛光处理。具体来说,首先使用150号水性砂纸打磨2min;接着依次使用220号水性砂、320号水性砂纸各自继续打磨2min;最后使用320号水性砂纸打磨2min。这样就可以得到没有毛边、不易掉屑、平整的磨面。
之后,采用三氯乙烷进行第一清洗处理10min,接着采用去离子水进行第二清洗处理5min,然后吹干。
然后,对所述具有开孔的表面和开孔处进行涂胶体,静置5小时~8小时进行固化。该胶体的单体为聚氨酯,胶体为水性双组分聚氨酯清漆。其原料配方由组分一和组分二构成:
1.组分一
羟基聚氨酯分散体60%;水16%;醋丁纤维素流平剂0.3%;流变助剂0.6%;纳米二氧化硅微粒0.5%;消泡剂0.2%;脱泡剂0.4%;增稠剂0.2%;成膜助剂0.5%;水性催干剂0.3%;聚四氟乙烯蜡1.0。
2.组分二
多异氰酸酯18%;脱气溶剂2%。
上述质量百分比是各组分占水性双组分聚氨酯清漆原料配方总质量的百分比。
上述羟基聚氨酯分散体系采用市售的羟基聚氨酯分散体,如拜耳A-2651、XP-2645等;
上述水采用去离子水、纯净水;
上述醋丁纤维素流平剂可促进膝膜流平,如伊士曼的500-0.02;
上述流变助剂以改变流体流变性,如罗门哈斯RM-2020,RM-8w;
上述消泡剂可采用有机硅消泡剂,如BYK-024、TEG0410等;
上述脱泡剂可采用有机硅脱泡剂,如TEG0902W、BYK-028、BYK-093等;
上述增稠剂能采用聚氨脂增稠剂,如SN-612、PUR-50;
上述成膜助剂主要为醇醚类溶剂、以促进膝膜成膜,如丙二醇丁醚,乙二醇丁醚等;
上述水性催干剂可使用氰特化工4940催干剂,用以提高湿膜的干燥速度及成膜硬度;
上述聚四氟乙烯蜡主要提高膝膜手感,抗机械性、抗划伤、可使用BYKCERAFLOUR 998、CERAFLOUR 996、环琦WW-9790等;
上述多异氰酸酯主要是使得组分一中的-OH与异氰酸酯中的-NCO交联,从而形成致密的膜,该多异氰酸酯可采用拜耳的XP2487/1、XP 2655等;
上述脱气溶剂主要是使得组分一与组分二混合时尽可能少的产生气泡,该脱气溶剂可采用醇醚类溶剂,如丙二醇丁醚、丙二醇甲醚醋酸酯等;
将组分一的各组分按照上述配方混合,将组分二的各组分按照上述配方混合;将混合好的组分一和混合好的组分二均匀混合,静止一段时间消泡后形成水性双组分聚氨酯清漆。
上述反应中,-NCO基和-OH形成氨基甲酸酯结构,是形成网状聚合物的主要反应。从整个体系看,-NCO和其他官能基团之间的副反应如下:与水反应生成脲;羧基反应生成酰胺。所有这些反应均能形成交联结构,具有高耐化学性,与羧基反应形成酰胺基会极大的破环体系的亲水性,因此所述清漆更具有耐腐蚀性。
碳纤维复合材料与水性双组分聚氨酯清漆、水性双组分聚氨酯清漆之间的物理成膜和化学成膜在固化的过程中发生的。经过5小时~8小时后,-NCO被接到聚氨酯网络上。大约只有7%的残留的NCO基团被测出。如果继续在室温下放置三天,-NCO基继续与多元醇在空气中水分反应,残留的-NCO降至0.2%以下,此时聚氨酯网络完全形成,即成膜形成胶体层。
上述实施例为机械手臂的一种开口的处理方法,这种处理方法也可以用在材料为碳纤维或碳纤维复合材料的其它机械部件上。
以上所述,仅是本发明的较佳实施例而已,并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围情况下,都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰,或修改为等同变化的等效实施例。因此,凡是未脱离本发明的技术方案的内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰,均仍属于本发明技术方案保护的范围内。