CN114368007B - 一种轻量化机器人手臂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种轻量化机器人手臂及其制备方法，轻量化机器人手臂包括手臂内芯和套设在手臂内芯外表面的碳纤维层，手臂内芯内设有贯穿的碳纤维空心管道，碳纤维空心管道内设有电力电缆和/或通讯电缆。本发明的有益效果为：本发明的轻量化机器人手臂采用内骨骼（碳纤维空心管道）复合发泡PET、PPO珠粒成型的三明治结构，再复合碳纤维外皮肤高强度结构，达到轻量化、高强度；既结构减重，又可以大幅度减少体积，降低能耗，降低成本，提高精度、灵活性，解决金属材料的疲劳强度，减少生产工艺步骤。

Description

一种轻量化机器人手臂及其制备方法
技术领域
本发明涉及机械手臂技术领域，尤其涉及一种轻量化机器人手臂及其制备方法。
背景技术
目前全球12公斤到200公斤以上负载6轴多关节机器人手臂结构都采用钢结构或者铝合金结构或者铝镁合金结构，在强度保证的前提下，机器人重量的轻量化需求不断增加，使得现有材料和工艺无法满足市场的需求。
鉴于此，申请此专利。
发明内容
为了解决现有技术存在的钢铝结构手臂重量的问题，本发明采用对碳纤维轻量化一体化的复合技术，提供了一种轻量化机器人手臂，高强度、轻量化又带来超低能耗、高灵活性。
本发明所采用的技术方案为：
一种轻量化机器人手臂，所述轻量化机器人手臂包括手臂内芯和套设在所述手臂内芯外表面的碳纤维层，手臂内芯内设有贯穿的碳纤维空心管道，所述碳纤维空心管道内设有电力电缆和/或通讯电缆。
进一步的，所述手臂内芯设有连接法兰；所述手臂内芯由发泡材料制成；优选的，所述连接法兰为铝合金连接法兰。
进一步的，所述碳纤维层和所述碳纤维空心管道均由碳纤维和树脂材料制成，所述碳纤维的添加量为55-65wt%，所述树脂材料的添加量为35-45wt%；所述树脂材料为PET或PPO。碳纤维层和所述碳纤维空心管道的材质相同。
进一步的，所述发泡材料包括PET或PPO、扩链剂和/或增韧剂；所述扩链剂和/或增韧剂的添加量为3-10wt%。
优选的，若发泡材料包括PET，则碳纤维空心管道中的树脂材料也为PET；若发泡材料包括PPO，则碳纤维空心管道中的树脂材料也为PPO。
所述的轻量化机器人手臂的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
（1）向碳纤维单向丝中添加树脂材料进行预浸，采用单向预浸带生产线形成碳纤维单向带；
（2）将部分步骤（1）得到的所述碳纤维单向带绕制成不同内径的碳纤维单向带空心管Ⅰ和若干个碳纤维单向带空心管Ⅱ；
（3）对PET或PPO加入扩链剂和/或增韧剂进行改性，切粒，二氧化碳超临界物理发泡成为珠粒，然后对所述珠粒模压成型，成型过程中预埋连接法兰，同时穿设步骤（2）得到的碳纤维单向带空心管Ⅱ，制成手臂内芯；
（4）将所述步骤（3）得到的手臂内芯和步骤（2）得到的所述碳纤维单向带空心管Ⅰ进行一一对应组合套设，形成上臂和下臂半成品；
（5）在步骤（4）组合好的上臂和下臂半成品的外表面分别缠绕步骤（1）得到的所述碳纤维单向带，同时进行复合热固成型，形成上臂和下臂；
（6）将步骤（5）的上臂和下臂进行连接法兰对接加工组合，碳纤维空心管道内穿入电力电缆和/或通讯电缆，即得轻量化机器人手臂。
进一步的，步骤（5）中，所述复合热固成型具体为采用激光热固碳纤维叠合粘合成型。
进一步的，步骤（2）中，所述绕制采用3D编织绕线工艺。
单向预浸带生产线采购自南京博泰新材料装备有限公司。
本申请所有文件中出现的上下左右等方位概念以图1所示轻量化机器人手臂的上下左右为准。
本发明的有益效果为：本发明解决了钢铝结构手臂的太重的问题，通过对碳纤维轻量化一体化的复合技术，得到了高强度、轻量化、超低能耗、高灵活性、高精度的轻量化机器人手臂。
本发明的轻量化机器人手臂为仿真人型手臂，采用内骨骼（碳纤维空心管道）复合发泡PET、PPO珠粒成型的三明治结构，再复合碳纤维外皮肤高强度结构，达到轻量化、高强度；既结构减重，又可以大幅度减少体积，降低能耗，降低成本，提高精度、灵活性，解决金属材料的疲劳强度，减少生产工艺步骤。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种轻量化机器人手臂的上臂结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种轻量化机器人手臂的结构示意图。
图中：1、上臂；2、下臂；3、手臂内芯；4、碳纤维层；5、连接法兰。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案做进一步的详细描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。在本发明的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本发明无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明以下各实施例中，实施例的序号和/或先后顺序仅仅便于描述，不代表实施例的优劣。对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种轻量化机器人手臂，轻量化机器人手臂分为上臂1和下臂2，上臂1和下臂2均包括手臂内芯3和套设在所述手臂内芯外表面的碳纤维层4，所述手臂内芯的两端和内部设有连接法兰5增加强度；所述手臂内芯由发泡材料制成；手臂内芯内设有贯穿的碳纤维空心管道，碳纤维空心管道内设有电力电缆和/或通讯电缆。碳纤维空心管道不仅用于穿设电力电缆和/或通讯电缆，还用于加强手臂内芯的强度，使得制备得到的轻量化机器人手臂不仅大量减重，而且具有一定的强度。
实施例2
本实施例提供了一种轻量化机器人手臂，包括手臂内芯和套设在所述手臂内芯外表面的碳纤维层，所述手臂内芯的两端设有铝合金连接法兰；所述手臂内芯由发泡材料制成；手臂内芯内设有贯穿的碳纤维空心管道，碳纤维空心管道内设有电力电缆和/或通讯电缆；碳纤维层由碳纤维单向带和树脂材料制成，所述碳纤维的添加量为55wt%，所述树脂材料的添加量为45wt%；所述树脂材料为PPO；所述发泡材料包括PPO、扩链剂和增韧剂；所述扩链剂为1,4-丁二醇(BDO)，增韧剂为SBS和ABS的混合物；所述扩链剂和增韧剂的添加量均为3wt%。
轻量化机器人手臂的制备方法，包括以下步骤：
（1）向碳纤维单向丝中添加树脂材料PET进行预浸，形成预浸后的碳纤维单向带；
（2）将部分步骤（1）得到的所述预浸后的碳纤维单向带绕制成不同内径的碳纤维单向带空心管；
（3）对PPO进行改性，加入扩链剂和增韧剂进行混合，切粒，采用二氧化碳超临界物理发泡成为珠粒，然后对发泡好的所述珠粒，通过全自动模压机成型，成型过程中两端预埋嵌入的连接法兰，同时，成型过程中手臂内芯内设步骤（2）得到的较细的碳纤维单向带空心管，制成手臂内芯；
（4）将所述步骤（3）得到的手臂内芯和步骤（2）得到的所述碳纤维单向带空心管进行一一对应组合套设，形成上臂和下臂半成品；
（5）在步骤（4）组合好的上臂和下臂半成品的外表面分别继续缠绕步骤（1）得到的所述预浸后的碳纤维单向带，同时进行复合热固成型，实现一体成型，形成成型好的半成品；
（6）将步骤（5）成型好的半成品上臂和下臂进行连接法兰对接加工组合，碳纤维空心管道内穿入电力电缆和/或通讯电缆，即得轻量化机器人手臂。
实施例3
本实施例提供了一种轻量化机器人手臂，包括手臂内芯和套设在所述手臂内芯外表面的碳纤维层，所述手臂内芯中设有若干个铝合金连接法兰；所述手臂内芯由发泡材料制成；手臂内芯内设有贯穿的碳纤维空心管道，碳纤维空心管道内设有电力电缆和/或通讯电缆；碳纤维层由碳纤维单向带和树脂材料制成，所述碳纤维的添加量为65wt%，所述树脂材料的添加量为35wt%；所述树脂材料为PET；所述发泡材料包括PET、扩链剂和增韧剂；所述扩链剂和增韧剂的添加量均为10wt%；所述扩链剂为1,4-丁二醇(BDO)，增韧剂为SBS和ABS的混合物；
轻量化机器人手臂的制备方法，包括以下步骤：
（1）向碳纤维单向丝中添加树脂材料进行预浸，形成碳纤维单向带；
（2）将部分步骤（1）得到的所述碳纤维单向带采用3D编织绕线工艺绕制成不同内径的较粗的碳纤维单向带空心管Ⅰ（手臂内芯外表面的碳纤维层）和若干个较细的碳纤维单向带空心管Ⅱ（手臂内芯内贯穿的碳纤维空心管道）；
（3）对PET加入扩链剂和/或增韧剂进行改性，切粒，二氧化碳超临界物理发泡成为珠粒，然后对所述珠粒模压成型，成型过程中预埋连接法兰，同时穿设步骤（2）得到的碳纤维单向带空心管Ⅱ，制成手臂内芯；
（4）将所述步骤（3）得到的手臂内芯和步骤（2）得到的所述碳纤维单向带空心管Ⅰ进行一一对应组合套设，形成上臂和下臂半成品；
（5）在步骤（4）组合好的上臂和下臂半成品的外表面分别缠绕步骤（1）得到的所述碳纤维单向带，同时进行采用激光热固碳纤维叠合粘合成型，形成上臂和下臂；
（6）将步骤（5）的上臂和下臂进行连接法兰对接加工组合，碳纤维空心管道内穿入电力电缆和/或通讯电缆，即得轻量化机器人手臂。
对实施例3制备得到的手臂内芯发泡材料（碳纤维复合材料）与非卷曲织物进行性能测试比较，结果如表1所示：
表1 性能测试结果
Figure 813697DEST_PATH_IMAGE001
对实施例3制备得到的碳纤维单向带空心管进行性能测试，结果如表2所示：
表2 碳纤维单向带空心管进行性能测试结果
Figure 531118DEST_PATH_IMAGE002
需要说明的是，本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轻量化机器人手臂，其特征在于，所述轻量化机器人手臂包括手臂内芯和套设在所述手臂内芯外表面的碳纤维层，手臂内芯内设有贯穿的碳纤维空心管道，所述碳纤维空心管道内设有电力电缆和/或通讯电缆；所述手臂内芯设有连接法兰；所述手臂内芯由发泡材料制成；
所述的轻量化机器人手臂的制备方法，包括以下步骤：
（1）向碳纤维单向丝中添加树脂材料进行预浸，通过单向预浸带生产线形成碳纤维单向带；
（2）将部分步骤（1）得到的所述碳纤维单向带绕制成不同内径的碳纤维单向带空心管Ⅰ和若干个碳纤维单向带空心管Ⅱ，所述绕制采用3D编织绕线工艺；
（3）对PET或PPO加入扩链剂和/或增韧剂进行改性，切粒，二氧化碳超临界物理发泡成为珠粒，然后对所述珠粒模压成型，成型过程中预埋连接法兰，同时穿设步骤（2）得到的碳纤维单向带空心管Ⅱ，制成手臂内芯；
（4）将所述步骤（3）得到的手臂内芯和步骤（2）得到的所述碳纤维单向带空心管Ⅰ进行一一对应组合套设，形成上臂和下臂半成品；
（5）在步骤（4）组合好的上臂和下臂半成品的外表面分别缠绕步骤（1）得到的所述碳纤维单向带，同时进行复合热固成型，形成上臂和下臂，所述复合热固成型具体为采用激光热固碳纤维叠合粘合成型；
（6）将步骤（5）的上臂和下臂进行连接法兰对接加工组合，碳纤维空心管道内穿入电力电缆和/或通讯电缆，即得轻量化机器人手臂。
2.根据权利要求1所述的轻量化机器人手臂，其特征在于，所述连接法兰为铝合金连接法兰。
3.根据权利要求1或2所述的轻量化机器人手臂，其特征在于，所述碳纤维层和所述碳纤维空心管道均由碳纤维和树脂材料制成，所述碳纤维的添加量为55-65wt%，所述树脂材料的添加量为35-45wt%；所述树脂材料为PET或PPO。
4.根据权利要求1所述的轻量化机器人手臂，其特征在于，所述发泡材料包括PET或PPO、扩链剂和/或增韧剂；所述扩链剂和/或增韧剂的添加量为3-10wt%。
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