CN105602200B - 一种三维编织复合材料机械臂及其制备方法 - Google Patents

一种三维编织复合材料机械臂及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种三维编织复合材料机械臂及其制备方法，该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层；其中，所述主体刚性结构层包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述耐冲击层包括采用高模量纤维与有机纤维的组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述表面机械加工装配层包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层。该机械臂具有强度大、刚性高、质量轻、不易变形、设计性和可加工装配性强的优势，减轻了构件的重量，减少了电机功率，节约能耗，保证了产品的稳定性及质量。

Description

一种三维编织复合材料机械臂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种工程自动化机械设备配件，特别涉及一种用于自动化机械设备的三维编织复合材料机械手臂及其制备方法。
背景技术
目前随着工业设备自动化水平的提高，工业化机器人的应用越来越多。工业机器人是汇集机械、材料电子、控制和计算机技术等一系列学科形成的高新技术集合体，已经广泛应用于机械制造、化工生产、道桥施工、矿物开采、国防军用、太空探索等领域。工业机器人代替人类从事繁重单一的工作，在减轻人类劳动强度、提高生产自动化水平、提高生产效率等方面意义重大。近年来，工业机器人的轻量化技术已经在国际上收到越来越广泛的关注。在满足工业机器人高速度高精度等基本性能要求的基础上，通过轻量化设计，可减小工业机器人自重，提升机器人整体动力学性能，同时可以降低能耗，减小环境污染。
机械臂是工业机器人主要执行机构部件之一，也是机器人的主要承力构件，对机器人设备能否快速高效并且高精度执行动作指令具有重要作用。目前国内的机械手臂几乎都是钢、铁、铝合金等金属材料制造而成，而采用金属材料制作机械臂的过程中存在速度低、能耗大、易变形磨损等诸多缺点，并且这些材料的成型条件复杂，成型难度大，成型后因为金属材料本身的特性，使得制造好的机械臂抗震性以及抗氧化性不佳，若采用铝合金，则会增加制作成本，不经济，且采用金属材料最左机械臂，无法实现快速自动化生产。鉴于目前金属材质机械臂的诸多问题，除此之外，目前对高自动化水平机械设备的综合性能要求，也带来了对工业机器人机械臂材料的选择的诸多要求，需要满足高强度、大弹性模量、重量轻、阻尼大等技术指标，因此采用高性能纤维增强的树脂基复合材料成为目前制备高性能机械手臂的最佳材料。目前复合材料机械臂的制备均采用高性能纤维二维叠层结构或采用单向纤维螺旋缠绕成型的方式形成复合材料中增强体的骨架，其中单向纤维螺旋缠绕可采用干纱挂胶缠绕后的热固化成型或先制备单向纤维预浸带之后通过预浸带的气袋成型方式制备复合材料机械臂；而二维叠层结构复合材料机械臂一般采用平面织物(平纹、斜纹或缎纹等)预浸料铺层后利用气袋成型方式制备。比如中国专利《一种碳纤维增强复合材料制作机械手臂的方法》申请号：201410463479.2。这些结构均存在纤维增强编织物层间力学性能薄弱的问题，在机械臂的运行过程中，会因为高速往复运动而造成机械臂的振幅过大而影响操作精度，同时也会因为外部承载力或机械装配加工处理而造成复合材料层间破坏产生缺陷。
发明内容
针对现有技术的诸多问题，本发明提供了一种用于自动化机械设备的三维编织纤维增强的树脂基复合材料机械手臂。
本发明采用以下技术方案：
一种三维编织复合材料机械臂，该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层；其中，所述主体刚性结构层包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；
所述耐冲击层包括采用高模量纤维与有机纤维的组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；
所述表面机械加工装配层包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层；
该机械臂还包括：采用铺缝纤维将所述主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层三个层进行缝合的二次纤维铺缝结构；
其中高模量纤维为高模量碳纤维或者陶瓷纤维的任意一种或多种，所述高模量碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维；高强度纤维为高强度碳纤维或者芳纶纤维的任意一种或多种，所述高强度碳纤维为T300及其以上的碳纤维。
在主体刚性结构层中，所述高模量纤维选用高模量碳纤维或陶瓷纤维的任意一种或两种作为三维立体织物的长丝纤维原料，所述高模量碳纤维为聚丙烯腈基(M、MJ)碳纤维和沥青基(MP、MK)碳纤维。所述陶瓷纤维包括氧化铝、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼等的任意一种或者多种的组合。
主体刚性结构层的制备选用高模量纤维通过层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体，采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种或多种组合作为主体刚性结构层的三维层连立体编织结构形式。
所述主体刚性结构层为中空的矩形体，其中空横截面的形状为方形、圆形或者椭圆形，其长度根据机械设备要求灵活确定，其截面形状和截面厚度可根据产品要求而定，可将预制体织物截面加工成方形、圆形、椭圆形等各种不同形状。
在中间耐冲击层中，所述耐冲击层的制备选用高模量纤维与高韧性有机纤维混杂的层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体，采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种或多种组合作为主体刚性结构层的三维层连立体编织结构形式。
所述高模量纤维选用高模量碳纤维或陶瓷纤维的任意一种或两种，所述陶瓷纤维包括氧化铝、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼等的任意一种或者多种的组合，所用高韧性有机纤维选用UHMWPE纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维等的任意一种或多种组合，其中高模量纤维与有机纤维混杂比例根据耐冲击性能要求灵活调整。中间的耐冲击层在刚性主体结构层的外部，其截面形状与主体刚性结构层相一致，中间耐冲击层的厚度根据整体力学冲击要求灵活调整。
优选的，所述高模量纤维与有机纤维的体积比例为1:(1～2)。经过大量实验验证与分析，上述混杂比例使得耐冲击层的机械性能优异，满足工业机器人的工作需求。
在表面机械加工装配层中，所述表面机械加工装配层的制备选用高强度纤维采用二维缠绕铺层织物形式制备预制体，其中高强度纤维选用高强度碳纤维或芳纶纤维中的任意一种或多种组合进行二维平面织物制备，二维平面织物可采用平纹、斜纹或缎纹织物中的任意一种，最后通过螺旋缠绕制备表面机械加工装配层；所述高强度碳纤维为T300及T300以上的碳纤维。
所述表面机械加工装配层在中间耐冲击层的外部，其截面形状与中间耐冲击层相一致，表面机械加工装配层的厚度根据机械臂的表面金属部件装配要求而灵活调整。
优选的，所述主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层的厚度比例为(2～4)：(1～2)：(1～2)，经过大量实验验证与分析，上述厚度比例组成的机械臂的性能更加优异。
优选的，所述基体树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂的任意一种或多种组合。
所述二次纤维铺缝强化在主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层三层预制体织物制备完成后，采用高强度纤维进行厚度方向的二次缝合强化，使三层预制体结构形成整体。
所述二次纤维铺缝强化所用的铺缝纤维为高强度碳纤维，选用T300、T700、T800中的一种或多种组合，其中厚度向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体所用纤维总比例的5-40％。
本发明还提供一种工程机械设备或者工业机器人，其包括上述的机械臂。
本发明还提供一种三维编织复合材料机械臂的制备方法，包括以下步骤：
(1)主体刚性结构层预制体的制备：
选用高模量纤维通过层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体；
(2)耐冲击层预制体的制备：
选用高模量纤维与高韧性有机纤维混杂层连三维编织立体结构制备连续纤维立体织物预制体；
(3)表面机械加工装配层预制体的制备：
选用高强度纤维采用二维缠绕铺层织物形式制备预制体；
(4)二次缝合：将主体刚性结构层预制体、耐冲击层预制体、表面机械加工装配层预制体由内至外排放好，采用二次铺缝工艺将上述预制体进行缝合；
(5)采用热固性树脂基体对步骤(4)中的三维编复合材料机械臂浸渍、复合固化成型。
步骤(1)中，所述高模量纤维选用高模量碳纤维或陶瓷纤维的任意一种或两种作为三维立体织物的长丝纤维原料，所述高模量碳纤维为聚丙烯腈基(M、MJ)碳纤维和沥青基(MP、MK)碳纤维。所述陶瓷纤维包括氧化铝、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼的任意一种或者多种的组合。
主体刚性结构层的制备选用高模量纤维通过层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体，采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种或多种组合作为主体刚性结构层的三维层连立体编织结构形式。
步骤(2)中，具体采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种或多种组合作为主体刚性结构层的三维层连立体编织结构形式。
所述高模量纤维选用高模量碳纤维或陶瓷纤维的任意一种或两种，所述陶瓷纤维包括氧化铝、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼等的任意一种或者多种的组合，所用高韧性有机纤维选用UHMWPE纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维等的任意一种或多种组合，其中高模量纤维与有机纤维混杂比例根据耐冲击性能要求灵活调整。
步骤(3)中，所述高强度纤维选用高强度碳纤维或芳纶纤维中的任意一种或多种组合进行二维平面织物制备，二维平面织物可采用平纹、斜纹或缎纹织物中的任意一种，最后通过螺旋缠绕制备表面机械加工装配层；所述高强度碳纤维为T300及其以上的碳纤维。
步骤(4)中，缝合时，采用高强度纤维进行厚度方向的二次缝合强化，使三层预制体结构形成整体。
所述二次纤维铺缝强化所用的铺缝纤维为高强度碳纤维，选用T300、T700、T800中的一种或多种组合，其中厚度向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体所用纤维总比例的5-40％。
步骤(5)中，复合固化成型采用真空导入、快速热固化结合的复合成型工艺，针对以上二维缠绕铺层、层连三维立体编织及二次铺缝强化的三层预制体织物，采用热固性树脂胶黏剂(环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等中的任意一种或多种组合)为基体，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构的快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系工作，真空度保证在0.06-0.1MPa范围内，浸渍树脂后机械臂中树脂的含量为35-50％，固化温度和时间根据树脂特性灵活调整。优选的，固化温度为60～100℃，固化时间1～5h。
本发明的有益效果是：
(1)机械臂是工业机器人主要的受力部件，根据机械臂在工作过程中的受力特点，将三维编织复合材料机械臂设计成为主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层这三部分，三层结构协同作用，共同提高机械臂的综合性能。
其中，主体刚性结构层主要接受、承担和传递工程的载荷，机械臂主体刚性结构层直接影响到在抓取工件时动作的平稳性、运动的速度和定位精度。本发明经过大量的筛选特别选用高强度高模量的纤维通过层连三维编织结构制备得到，使得机械臂的应承能力大、刚性好、强度大、自重轻，经过实验验证选用其他的纤维制备得到的主体刚性结构层的性能较差。
本发明的耐冲击层采用高模量纤维与高韧性有机纤维混杂制成，使得耐冲击层既具有一定的刚性和强度，并且具有较好的韧性，有很好的耐冲击性能，受磕碰时不易损伤。经过实验验证与分析，当比例小于0.5时，虽然韧性较好，但是刚性和强度明显较低；若是比例大于1时，虽然耐冲击层的刚性和强度较高，但是韧性不好，耐冲击能力较差，故比较适宜的比例为1:(1～2)。
本发明具有的表面机械加工装配层，采用高强度纤维制备得到，使得本发明的机械臂机械加工装配性强，具有较好的机械加工工艺性，能够满足设计要求。使装配过程中的周期较短、耗费劳动量较少，成本低，操作简单。表面机械加工装配层的作用是为了用于其它必要的金属连接件与复合材料机械臂的连接及机械装配；机械臂与其它金属件的装配是其应用的必要环节，该装配层必须存在；装配层的二维缠绕结构是为了便于该层的机械加工工序方便，三维编织结构在机械加工过程中会损伤整体纤维结构强度，而二维层状结构只会影响单层上的纤维强度，对整体构不成损伤。
本发明整体通过层连三维编织与二次纤维铺缝组合织物结构制备，同时结合二维缠绕形式。使得该机械臂具有强度大、刚性高、质量轻、不易变形、设计性和可加工装配性强的优势，该三维编织结构复合材料机械臂减轻了构件的重量，减少了电机功率，节约能耗，可根据机械设备的具体要求进行不同截面形状(圆形、方形、拐角形以及各种异形截面等)机械手臂的加工，保证了产品的稳定性及产品质量。
(2)根据机械臂工作时的受力特点，进行特定部位的纤维预制体三维编织结构设计和二维缠绕铺层织物设计，通过不同纤维类型组合、纤维排布方向组合，有针对性的提高机械臂特定部位强度、刚度以及减震性。
(3)本发明对上述三维多向立体编织预制体沿厚度方向进行二次缝编结构强化，可有效提高厚度向的强度和刚度。三维编织与二次缝合处理相结合，同时结合二维缠绕形式，一次性完成预制体制备，生产效率较高。
(4)采用真空导入与快速热固化相结合的工艺，完成三维编织复合材料机械臂的制备，复合材料制品成型效率较高。
附图说明
图1是以矩形截面为例的三维编织复合材料机械臂的示意图。
其中，1、主体刚性结构层，2、耐冲击层，3、表面可机械加工装配层，4、二次缝合强化纤维。
具体实施方式
本发明涉及一种用于自动化机械设备的三维编织复合材料机械手臂及其制备方法，下面结合实施例进一步说明。
实施例1
一种三维编织复合材料机械臂，该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3；其中，所述主体刚性结构层1包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层(或称树脂结构)；所述耐冲击层2包括采用高模量纤维与有机纤维的组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述表面机械加工装配层3包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层(或称树脂结构)；该机械臂还包括：将所述主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3三个层进行缝合的二次纤维铺缝结构。
本发明一种三维编织复合材料机械臂的制备方法，其制备具体实施工艺如下：
(1)主体刚性结构层1预制体织物的制备。选用M40J碳纤维，采用三维四向层连立体编织结构形式进行织物编织，主体刚性结构层截面加工成方形(中空的矩形横截面的矩形结构)，主体刚性结构层长度为2米、厚度为3毫米。
(2)中间耐冲击层2预制体织物的制备。选用M40J碳纤维与UHMWPE纤维进行混杂作为预制体编织长丝纤维原料，混杂体积比例为1:1，采用三维四向层连立体编织结构形式进行织物编织，中间耐冲击层在刚性主体结构层的外部，其截面加工形状及长度与主体刚性层一致，中间耐冲击层的厚度为1毫米。
(3)表面机械加工装配层3预制体织物的制备。选用T300碳纤维，采用平纹织物预制体进行表面加工装配层的螺旋缠绕，表面机械加工装配层在中间耐冲击层的外部，截面形状及长度与中间耐冲击层和主体刚性结构层相一致，厚度为2毫米。
(4)高强度纤维(二次缝合强化纤维4)的二次缝合强化。选用T300碳纤维进行厚度方向的二次缝合强化，使三层结构形成整体。厚度方向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体纤维总比例的5％。
(5)三维编织复合材料机械臂的复合固化成型。采用热固性环氧树脂胶黏剂为基体，对以上二维缠绕铺层、层连三维立体编织及二次铺缝强化组合结构的三层预制体织物进行树脂浸渍复合，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构的快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系工作，真空度保证在0.06MPa，树脂含胶量保持在35％，浸渍树脂后的机械臂织物预制体于80℃固化3小时后成型，最终形成三维立体织物增强的树脂基复合材料机械臂，图1所示。
实施例2
一种三维编织复合材料机械臂，该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3；其中，所述主体刚性结构层1包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述耐冲击层2包括采用高模量纤维与有机纤维的组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述表面机械加工装配层3包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层；该机械臂还包括：将所述主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3三个层进行缝合的二次纤维铺缝结构。
本发明一种三维编织复合材料机械臂的制备方法，其制备具体实施工艺如下：
(1)主体刚性结构层预制体织物的制备。选用碳化硅纤维，采用三维五向层连立体编织结构形式进行织物编织，主体刚性结构层截面加工成圆形(中空的圆形横截面的矩形结构)，主体刚性结构层长度为3米、厚度为4毫米。
(2)中间耐冲击层预制体织物的制备。选用M40J碳纤维与芳纶纤维进行混杂作为预制体编织长丝纤维原料，混杂体积比例为1:1，采用三维五向层连立体编织结构形式进行织物编织，中间耐冲击层在刚性主体结构层的外部，其截面加工形状及长度与主体刚性层一致，中间耐冲击层的厚度为2毫米。
(3)表面机械加工装配层预制体织物的制备。选用T700碳纤维，采用斜纹织物预制体进行表面加工装配层的螺旋缠绕，表面机械加工装配层在中间耐冲击层的外部，截面形状及长度与中间耐冲击层和主体刚性结构层相一致，厚度为1毫米。
(4)高强度纤维的二次缝合强化。选用T700碳纤维进行厚度方向的二次缝合强化，使三层结构形成整体。厚度方向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体纤维总比例的10％。
(5)三维编织复合材料机械臂的复合固化成型。采用热固性酚醛树脂胶黏剂为基体，对以上二维缠绕铺层、层连三维立体编织及二次铺缝强化组合结构的三层预制体织物进行树脂浸渍复合，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构的快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系工作，真空度保证在0.07MPa，树脂含胶量保持在40％，浸渍树脂后的机械臂织物预制体于85℃固化2.5小时后成型，最终形成三维立体织物增强的树脂基复合材料机械臂。
实施例3
一种三维编织复合材料机械臂，该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3；其中，所述主体刚性结构层1包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述耐冲击层2包括采用高模量纤维与有机纤维的组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述表面机械加工装配层3包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层；该机械臂还包括：将所述主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3三个层进行缝合的二次纤维铺缝结构。
本发明一种三维编织复合材料机械臂的制备方法，其制备具体实施工艺如下：
(1)主体刚性结构层预制体织物的制备。选用氮化硼纤维，采用三维六向层连立体编织结构形式进行织物编织，主体刚性结构层截面加工成椭圆形(中空的椭圆形横截面的矩形结构)，主体刚性结构层长度为4米、厚度为2.5毫米。
(2)中间耐冲击层预制体织物的制备。选用M40J碳纤维与聚酰胺纤维进行混杂作为预制体编织长丝纤维原料，混杂体积比例为1:1，采用三维六向层连立体编织结构形式进行织物编织，中间耐冲击层在刚性主体结构层的外部，其截面加工形状及长度与主体刚性层一致，中间耐冲击层的厚度为1.5毫米。
(3)表面机械加工装配层预制体织物的制备。选用芳纶纤维，采用斜纹织物预制体进行表面加工装配层的螺旋缠绕，表面机械加工装配层在中间耐冲击层的外部，截面形状及长度与中间耐冲击层和主体刚性结构层相一致，厚度为1.5毫米。
(4)高强度纤维的二次缝合强化。选用T700碳纤维进行厚度方向的二次缝合强化，使三层结构形成整体。厚度方向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体纤维总比例的20％。
(5)三维编织复合材料机械臂的复合固化成型。采用热固性不饱和聚酯树脂胶黏剂为基体，对以上二维缠绕铺层、层连三维立体编织及二次铺缝强化组合结构的三层预制体织物进行树脂浸渍复合，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构的快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系工作，真空度保证在0.08MPa，树脂含胶量保持在42％，浸渍树脂后的机械臂织物预制体于90℃固化2小时后成型，最终形成三维立体织物增强的树脂基复合材料机械臂。
实施例4
一种三维编织复合材料机械臂，该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3；其中，所述主体刚性结构层1包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述耐冲击层2包括采用高模量纤维与有机纤维的组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；所述表面机械加工装配层3包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层；该机械臂还包括：将所述主体刚性结构层1、耐冲击层2和表面机械加工装配层3三个层进行缝合的二次纤维铺缝结构。
本发明一种三维编织复合材料机械臂的制备方法，其制备具体实施工艺如下：
(1)主体刚性结构层预制体织物的制备。选用M40J碳纤维，采用三维七向层连立体编织结构形式进行织物编织，主体刚性结构层截面加工成方形，主体刚性结构层长度为4.5米、厚度为3.5毫米。
(2)中间耐冲击层预制体织物的制备。选用M40J碳纤维与聚丙烯纤维进行混杂作为预制体编织长丝纤维原料，混杂体积比例为1:1，采用三维七向层连立体编织结构形式进行织物编织，中间耐冲击层在刚性主体结构层的外部，其截面加工形状及长度与主体刚性层一致，中间耐冲击层的厚度为2毫米。
(3)表面机械加工装配层预制体织物的制备。选用T300碳纤维，采用缎纹织物预制体进行表面加工装配层的螺旋缠绕，表面机械加工装配层在中间耐冲击层的外部，截面形状及长度与中间耐冲击层和主体刚性结构层相一致，厚度为2毫米。
(4)高强度纤维的二次缝合强化。选用T300碳纤维进行厚度方向的二次缝合强化，使三层结构形成整体。厚度方向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体纤维总比例的30％。
(5)三维编织复合材料机械臂的复合固化成型。采用热固性环氧树脂胶黏剂为基体，对以上二维缠绕铺层、层连三维立体编织及二次铺缝强化组合结构的三层预制体织物进行树脂浸渍复合，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶液对混杂纤维立体结构的快速浸渍，热固化过程在大型烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系工作，真空度保证在0.1MPa，树脂含胶量保持在50％，浸渍树脂后的机械臂织物预制体于95℃固化2小时后成型，最终形成三维立体织物增强的树脂基复合材料机械臂。

Claims (11)

1.一种三维编织复合材料机械臂，其特征是：该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层；其中，所述主体刚性结构层包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；
所述耐冲击层包括采用高模量纤维与有机纤维组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；
所述表面机械加工装配层包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层；
该机械臂还包括：采用铺缝纤维将所述主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层三个层进行缝合的二次纤维铺缝结构；
其中高模量纤维为高模量碳纤维或者陶瓷纤维的任意一种或多种，所述高模量碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维或沥青基碳纤维；高强度纤维为高强度碳纤维或者芳纶纤维的任意一种或多种，所述高强度碳纤维为 T300及其以上的碳纤维；
所述三维编织复合材料机械臂是通过以下方法制备得到的，包括以下步骤：
（1）主体刚性结构层预制体的制备：选用高模量纤维通过层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体；
（2）耐冲击层预制体的制备：选用高模量纤维与高韧性有机纤维混杂层连三维编织立体结构制备连续纤维立体织物预制体；
（3）表面机械加工装配层预制体的制备：选用高强度纤维采用二维缠绕铺层织物形式制备预制体；
（4）二次缝合：将主体刚性结构层预制体、耐冲击层预制体、表面机械加工装配层预制体由内至外排放好，采用二次纤维铺缝工艺将上述预制体进行缝合；
（5）采用热固性树脂基体对步骤（4）中的三维编复合材料机械臂浸渍、复合固化成型。
2.如权利要求1所述的机械臂，其特征是：所述树脂层的树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂的任意一种或多种组合。
3.如权利要求1所述的机械臂，其特征是：所述陶瓷纤维包括氧化铝、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼的任意一种或者多种的组合。
4.如权利要求1所述的机械臂，其特征是：所用有机纤维包括UHMWPE纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维的任意一种或多种组合。
5.一种工程机械设备，包括权利要求1~4中任一项所述的机械臂。
6.如权利要求5所述的工程机械设备，其特征是：所述工程机械设备为工业机器人。
7.一种三维编织复合材料机械臂的制备方法，其特征是：包括以下步骤：
（1）主体刚性结构层预制体的制备：选用高模量纤维通过层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体；
（2）耐冲击层预制体的制备：选用高模量纤维与高韧性有机纤维混杂层连三维编织立体结构制备连续纤维立体织物预制体；
（3）表面机械加工装配层预制体的制备：选用高强度纤维采用二维缠绕铺层织物形式制备预制体；
（4）二次缝合：将主体刚性结构层预制体、耐冲击层预制体、表面机械加工装配层预制体由内至外排放好，采用二次纤维铺缝工艺将上述预制体进行缝合；
（5）采用热固性树脂基体对步骤（4）中的三维编复合材料机械臂浸渍、复合固化成型。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征是：步骤（3）中，具体步骤是：高强度纤维选用高强型碳纤维或芳纶纤维中的任意一种进行二维平面织物制备，二维平面织物采用平纹、斜纹或缎纹织物中的任意一种，最后通过螺旋缠绕制备表面机械加工装配层预制体；
步骤（4）中，二次纤维铺缝工艺所用的纤维为高强度碳纤维，选用T300、T700、T800中的一种或多种组合；厚度向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体所用纤维总比例的5-40%。
9.如权利要求7所述的制备方法，其特征是：步骤（5）中，复合固化成型的工艺采用真空导入、快速热固化结合的复合工艺，具体是以热固性树脂胶黏剂为基体，采用VARI真空导入工艺实现树脂胶黏剂对混杂纤维立体结构的浸渍，热固化过程在烘箱中进行，整个固化过程保持真空体系。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征是：所述热固性树脂胶黏剂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂中的任意一种或多种。
11.如权利要求9所述的制备方法，其特制是：所述真空度保持在0.06~0.1MPa，浸渍后的机械臂中树脂的含量为35~50%。
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