经编碳纤维 — 让工业机器人机械臂身轻如燕！

机械臂是机器人执行操作任务的主要部件之一，其主要功能是在与环境进行交互的过程中，能够准确接受指令，并精确地定位到三维(或二维)空间上的某一点进行规范性作业。作为机器人技术领域中最为广泛应用的自动化机械装置之一，机械臂在工业制造、医疗、民用、军事、交通物流以及太空探索等领域中都发挥出重要作用。

越来越多的新型机械臂开始采用碳纤维复合材料，这种比金属材料贵许多倍的新材料到底有哪些“过人之处”？机械臂设计师选择碳纤维复合材料的理由是什么？

机械臂中的铝合金

除了具有铝的一般特性外，不同种类和型号的铝合金因添加的合金元素的不同而展现出不同的性能特征。铝合金的密度较小，强度较大，比强度接近高合金钢，比刚度超过钢，铸造性能和塑性加工性能良好，在导电、导热、耐腐蚀和可焊性方面也比较理想，可以作为结构材料使用。

而且，铝合金的应用成本比较低，所以应用非常广泛。但是其热稳定性不够理想，在一些极端工作环境中，容易发生蠕变，当用于机器人重要操作部件时，会影响机器人的操作精准度。因此，铝合金材质更适用于模型、教育类机器人中，不适合用于铸造、消防等行业。

镁是实用金属中最轻的，它的比重大约是铝的2/3，是铁的1/4，对于含30 %玻纤的聚碳酸酯复合材料来说，镁的密度也不超过其10 %。镁合金是由镁和其他元素组成的合金。这种合金密度小、强度大、弹性模量大、散热性和消震性好，承受冲击载荷能力比铝合金大，耐有机物和碱的腐蚀性能强。

但是，镁合金的强韧性与钢铁、铝合金相比还较低，距机器人材料性能的要求尚有差距，无法实现对钢铁、铝合金等材料的完全替代。因为强度的限制，作为机器人材料的镁合金也直接影响其铸造、焊接等加工性能，也无法满足较大载荷搬运的应用需求，一般被用于医疗、家政等轻型机器人部件。

碳纤维复合材料强度大、重量轻、蠕变小，比强度是钢铁的数十倍，加工性能好，适用于多种成型方法，常被用于机器人手臂、关节等部位。例如，为配电站巡检机器人量身打造的一款可伸缩机器人外壳，极轻的自重能大幅度降低机械能耗，延长工作时间，并使机器人在移动时更加平稳安全。

相比于镁合金、铝合金材料，碳纤维复合材料的性能特征更适用于中小型工业类机器人，能够在较高载荷、高磨损、高使用频率的环境下服役。虽然其应用成本较高，但是其独特的性能优势在未来的智能化工业进程中不容忽视。

总之，机器人轻量化发展是趋势所在，机器人涉及的种类也很多，不同工作环境和不同位置的部件对材料有着不同的要求，机器人选材需要从质量、刚度、运动惯量等多角度综合考虑。例如，机械手臂是运动性部件，需要有良好的受控性，所以机械臂的材料必须避免笨重。

与此同时，机械手臂的材质需要有足够的强度和刚度承受载荷，绝对不能出现应变和断裂，在此情况下，碳纤维复合材料比镁合金、铝合金更加适合。而且，在根据机械手臂的工况要求以及综合成本进行取舍选择时，需要注意多种材料的一体化应用，这样才能使机械手臂的轻量化价值得到有效体现。

国内的不少企业已经开始了对碳纤维机械臂专业领域的研究，比如苏州挪恩复材公司，其为某单位定制碳纤维机械臂产品，该款碳纤维机械臂总长930 mm，宽150 mm，壁厚5 mm，除去两端金属轴之外，整只机械臂的总重量仅3 kg，这种轻量化效果对工业机器人的操作精度具有明显的改善。

说到碳纤维机械臂中使用的关键材料 — 碳纤维复合材料，就不得不提及碳纤维经编多轴向编织物。

以碳纤维展纤条带为基础的轻质经编碳纤维织物是超轻碳纤维复合材料结构的首选。多轴经编技术是一种包含机织和针织技术的纺织方法，由这种技术加工得到的织布通常称为非弯折织物。

这种织物非常独特，同时非弯折纱线的取向有0°、90°和±30°到±60°之间的任何角度。这种结构会使得纤维布及复合材料有相对较小的结构强度，预成形体容易变形，因此适合形状复杂的非结构件的制备。

卡尔迈耶高速经编机COP MAX 5

卡尔迈耶高速经编机COP MAX 5正是生产轻质经编碳纤维织物的利器。此款设备生产的经编碳纤维织物，具备低克重高稳定性等特点，适用于航天航空、汽车行业和驾驶技术领域。