【科普知识】机械臂中碳纤维材料与其他轻量化材料的比较

  相比于结构轻量化，材料轻量化对机器人的影响更为直接。机器人采用轻量化材料有助于减少运行能耗、提高操作速度，进而提升工作效率。除此之外，更轻的自重对于机器人降低运动惯性、增加动作准确度也有明显的裨益。铝合金、镁合金、碳纤维复合材料都是目前常用的机器人轻量化材料，虽然三者的轻量化效果都显而易见，但是在具体的应用中，性能表现方面任旧存在一定的差异。

  除了具有铝的一般特性外，不一样的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好，在导电、导热、耐腐蚀和可焊性方面也比较理想，可当作结构材料使用。

  而且，铝合金的应用成本比较低，所以应用十分普遍。但是其耐热性不够理想，在一些极端工作环境中，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。

  日本公司第3代的ASIMO外壳采用的就是镁合金材质，这使得机器人的自重大幅度的降低，步行速度由原来的1.6km/h提高到2.5km/h，最大奔跑速度达到了3km/h。

  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，没办法实现对钢铁、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，也不足以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，挪恩复材为国家电网配电站巡检机器人量身定制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，延长上班时间，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。虽然其应用成本比较高，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不一样的要求，挪恩复材建议机器人选材需要从质量、刚度、运动惯量等多角度考虑。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，一定不可以出现应变和断裂，在此情况下，碳纤维复合材料比镁合金、铝合金更为适合。而且，在根据机械手臂的工况要求及综合成本进行取舍选择时，必须要格外注意多种材料的一体化应用，这样才可以使机械手臂的轻量化价值得到一定效果体现。

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