相比于結構輕量化,材料輕量化對機器人的影響更為直接。機器人采用輕量化材料有助于減少運行能耗、提高操作速度,進而提升工作效率。除此之外,更輕的自重對于機器人降低運動慣性、增加動作準確度也有明顯的裨益。鋁合金、鎂合金、碳纖維復合材料都是目前常用的機器人輕量化材料,雖然三者的輕量化效果都比較明顯,但是在具體的應用中,性能表現方面仍然存在一定的差異。

用于機器人材料的鎂合金:

       鎂是實用金屬中最輕的,它的比重大約是鋁的2/3,是鐵的1/4,對于含30%玻纖的聚碳酸酯復合材料來說,鎂的密度也不超過其10%。鎂合金是由鎂和其他元素組成的合金。這種合金密度小、強度大、彈性模量大、散熱性和消震性好,承受沖擊載荷能力比鋁合金大,耐有機物和堿的腐蝕性能強。日本本田公司第3代的ASIMO外殼采用的就是鎂合金材質,這使得機器人的自重大大降低,步行速度由原來的1.6km/h提高到2.5km/h,最大奔跑速度達到了3km/h。但是,鎂合金的強韌性與鋼鐵、鋁合金相比還較低,距機器人材料性能的要求尚有差距,無法實現對鋼鐵、鋁合金等材料的完全替代。因為強度的限制,作為機器人材料的鎂合金也直接影響其鑄造、焊接等加工性能,也無法滿足較大載荷搬運的應用需求,一般被用于醫療、家政等輕型機器人部件。

用于機器人材料的鋁合金:

       除了具有鋁的一般特性外,不同種類和型號的鋁合金因添加的合金元素的不同而展現出不同的性能特征。鋁合金的密度較小,強度較大,比強度接近高合金鋼,比剛度超過鋼,鑄造性能和塑性加工性能良好,在導電、導熱、耐腐蝕和可焊性方面也比較理想,可以作為結構材料使用。而且,鋁合金的應用成本比較低,所以應用非常廣泛。但是其熱穩定性不夠理想,在一些極端工作環境中,容易發生蠕變,當用于機器人重要操作部件時,會影響機器人的操作精準度。因此,鋁合金材質更適用于模型、教育類機器人中,不適合用于鑄造、消防等行業。

用于機器人的碳纖維復合材料:

      碳纖維復合材料強度大、重量輕、蠕變小,比強度是鋼鐵的數十倍,加工性能好,適用于多種成型方法,常被用于機器人手臂、關節、連桿等部位。例如,無錫智上新材料為國家電網配電站巡檢機器人量身打造的一款碳纖維可伸縮機器人手臂,極輕的自重能大幅度降低機械能耗,延長工作時間,并使機器人在移動時更加平穩安全。相比于鎂合金、鋁合金材料,碳纖維復合材料的性能特征更適用于中小型工業類機器人,能夠在較高載荷、高磨損、高使用頻率的環境下服役。雖然其應用成本較高,但是其獨特的性能優勢在未來的智能化工業進程中不容忽視。

       總之,機器人輕量化發展是趨勢所在,機器人涉及的種類也很多,不同工作環境和不同位置的部件對材料有著不同的要求,無錫智上新材建議機器人選材需要從質量、剛度、運動慣量等多角度綜合考慮。例如,機械手臂是運動性部件,需要有良好的受控性,所以機械臂的材料必須避免笨重。與此同時,機械手臂的材質需要有足夠的強度和剛度承受載荷,絕對不能出現應變和斷裂,在此情況下,碳纖維復合材料比鎂合金、鋁合金更加適合。而且,在根據機械手臂的工況要求以及綜合成本進行取舍選擇時,需要注意多種材料的一體化應用,這樣才能使機械手臂的輕量化價值得到有效體現,碳纖維機器人是個不錯的選擇。

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