基于CAE分析的碳纤维机器人手臂铺层优化

基于CAE分析的碳纤维机器人手臂铺层优化

机器人机械臂的基本作用是引导手爪准确抓取工件到所需位置，以及承受手臂自重和抓取工件的最大重量。传统机器人机械臂多是采用钢材、铝合金等金属材质，但机器人机械臂作为一个运动性部件，材质的选择会决定其静态与动态性能，而碳纤维的特性也让它可以在机械臂中代替传统金属。

碳纤维具有优秀的耐高温、无蠕变、耐腐蚀等特性，其力学性能也可以通过设计进行控制和改变。它的主要用途是作为增强材料与金属、陶瓷、树脂进行复合，制成先进的复合材料。与传统金属相比，碳纤维复合材料的比重仅有金属的1/4，但是在强度方面，碳纤维复合材料达到2000MPa，是金属的10倍。

由于碳纤维复合材料的铺层方式会对机械臂的力学性能会产生直接影响。为了能够充分发挥碳纤维复合材料的高比刚度和高比强度等特点，苏州挪恩在为中国电子科技集团公司某研究所研制的碳纤维6轴关节机器人手臂研发时采用T700碳纤维复合材料作为机械臂的铺层材料，在材料参数设定完成之后设定复合材料铺层，使用ABAQUS专门为复合材料设计提供的模块定义铺层总数、各层的材料、厚度以及每层的铺设角度。

1、铺层方向

在满足机械臂设计要求的前提下，挪恩建议尽量减少铺层方向数，过多的铺层角度取向会给设计以及制件成型增加复杂度。在铺层设计时，铺层角度多是采用0°、+45°、-45°、90°四种，如有特殊情况则需另外处理。在实际操作中，铺设角度取向需要根据机械臂所承载荷的主方向来设定。在点应力状态，铺层角度为0°对应正应力，铺层角度为±45°对应剪应力，铺层角度90°是用来保证在复合材料制件的径向上有足够的正压力。假设复合材料制件所承受的载荷以拉压载荷为主，那么铺层方向就需要选择拉压载荷的方向；假设复合材料制件所承受的载荷以剪切载荷为主，那么铺层要以＋45°、-45°成对铺设；假设复合材料制件所承受的载荷比较复杂，那么铺层设计时就需要以0°、±45°、90°多方向混合铺设。

2、铺设对称均衡

一般复合材料制件的铺层都采取对称均衡铺设。其特点是在整体铺层之中，上下铺层关于中间面对称，如果需要设计成非对称均衡铺层，那么应将此类非均衡的铺层布置于靠近整体铺层中间位置，这可以有效避免复合材料制件经历拉-弯耦合、拉-剪耦合之后发生翘曲形变。

3、铺层厚度

碳纤维复合材料机器人机械臂在设计时，需要维持外部尺寸不变，但是内部要为控制电路预留出足够的空间。所以机械臂的壳体厚度不能低于原有性能的最低值，但也不能高于原铸铁结构臂的厚度。

4、铺层比例

选择0°、+45°、-45°、90°这四种基本铺层方式铺层的碳纤维复合材料制件，每个方向的铺层数占总铺层数的百分比应不小于6%-10%，这主要是为了避免复合材料上臂制件的基体在各方向上承受载荷。

5、铺层顺序

碳纤维复合材料机械臂的铺设顺序有两个方面需要注意，一是连续的相同铺层不要超过四层，这是为了减少按照相同方式铺放的相邻两层有开裂分层的可能；二是为了降低上臂的层间应力，在使用0°、+45°、-45°、90°这四种基本铺层角度时，要尽量将+45°层或45°层布置在0°层与90°层中间，将0°层或90°层布置在±45°层中间。

通过使用有限元方法，以刚度为评判标准，对复合材料机械臂的铺层中的角度选择、铺设顺序进行对比分析优化，最终得到最佳铺层方式为

{0/45/90/-45/45/90/-45/0}s，此时机械臂抗变形能力最佳。随后为铺层为{0、45、90/-45/45/90/-45/0}s的碳纤维复合材料机械臂建立有限元模型，证明碳纤维复合材料机械臂安全可靠，通过以上的设计思路最终使得苏州挪恩为中国电子科技集团公司研制的碳纤维机械臂量产质量稳定性得到保证。

作为衡量现代化与高端制造业水平的重要标志之一，机器人产业是抢占智能社会发展的重要领域。随着人口红利的逐步减少，国家也发布了《机器人产业发展规划（2016-2020年）》、《中国制造2020》和“十三五规划”等政策扶持机器人产业的发展，在国家政策支持的背景下，碳纤维复合材料机器人机械臂的发展前景必定潜力无限，并且碳纤维复合材料机器人机械臂与传统机械臂相比，不论是操作精确程度，还是工作效率都具备很大的优势，相信这也将是未来机器人机械臂的发展趋势。