一種碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人外殼制件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維復(fù)合材料領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種熱壓罐成型工業(yè)機(jī)器人用碳纖維復(fù)合材料圓管狀上臂結(jié)構(gòu)及其制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]工業(yè)機(jī)器人是匯集機(jī)械、材料、電子、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)等多學(xué)科而形成的高新技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)技術(shù)的一個(gè)縮影和標(biāo)志。目前多數(shù)工業(yè)機(jī)器人的配件特別是外殼結(jié)構(gòu)基本上是采用傳統(tǒng)的各類(lèi)合金鋼、合金鋁或者鑄鐵，這些傳統(tǒng)材料的優(yōu)點(diǎn)是高強(qiáng)度和高彈性模量、韌性好、可靠性相對(duì)較高、對(duì)載荷的適應(yīng)性強(qiáng)，并且在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方面也相對(duì)成熟。但是隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，其材料方面的一系列問(wèn)題也越發(fā)凸顯，比如自身重量大以及由此導(dǎo)致的在機(jī)動(dòng)性方面的不足，再比如耐腐蝕性差，還有維修保養(yǎng)費(fèi)用較為昂貴。在這些問(wèn)題之中自重過(guò)大引起的一系列問(wèn)題尤為突出，例如對(duì)不良環(huán)境的適應(yīng)性差、缺乏靈活機(jī)動(dòng)。在某些限制重量的場(chǎng)合，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用受到制約。在保證負(fù)載和工業(yè)機(jī)器人各項(xiàng)基本性能的前提下，減輕自重，力求工業(yè)機(jī)器人的自重與負(fù)載之比盡可能小，是一個(gè)重要問(wèn)題，輕型工業(yè)機(jī)器人是未來(lái)工業(yè)機(jī)器人的發(fā)展重點(diǎn)。
[0003]綜上所述，本領(lǐng)域需要一種具有較輕的自重，且同時(shí)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性的工業(yè)機(jī)器人部件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種具有較輕的自重，且同時(shí)具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和韌性的工業(yè)機(jī)器人部件。
[0005]本發(fā)明的第一方面，提供了一種碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人外殼制件的成型方法，所述的成型方法包括:
[0006](I)提供一碳纖維預(yù)浸料；
[0007](2)用所述預(yù)浸料在模具上進(jìn)行鋪層；
[0008](3)對(duì)所述的模具和預(yù)浸料進(jìn)行熱壓罐固化成型，得到所述的碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人外殼；
[0009]其特征在于，在步驟(3)中，所述的熱壓罐固化成型包括:在85-95°C，350_450kPa下保溫 70-100min ;然后在 125_135°C，650_750kPa 下保溫 1.5-2.5h。
[0010]在另一優(yōu)選例中，所述的熱壓罐固化成型還包括:保溫完畢后，以l-3°c /min的降溫速率進(jìn)行降溫。
[0011]在另一優(yōu)選例中，所述的降溫指從固化結(jié)束時(shí)溫度降至室溫(約4-30°C )。
[0012]在另一優(yōu)選例中，所述的降溫時(shí)間為55_65min。
[0013]在另一優(yōu)選例中，所述的步驟(2)中，所述的鋪層包括:將所述的預(yù)浸料鋪在所述的模具上，然后任選地對(duì)所述預(yù)浸料進(jìn)行裁剪。
[0014]在另一優(yōu)選例中，所述的模具為近圓柱體狀，且具有一執(zhí)行部端和一下臂端；較佳地，所述執(zhí)行部端的直徑為130-170mm ;且所述下臂端的直徑為220_270mm。
[0015]在另一優(yōu)選例中，所述模具的執(zhí)行部端和下臂端還設(shè)有把手，便于成型前后的運(yùn)輸以及成形后的脫模。
[0016]在另一優(yōu)選例中，所述的碳纖維預(yù)浸料為面密度為150-250g/cm3的碳纖維平紋織物預(yù)浸料。
[0017]在另一優(yōu)選例中，所述的預(yù)浸料的幅寬為1000mm。
[0018]在另一優(yōu)選例中，所述的預(yù)浸料的厚度為0.2-0.4mm。
[0019]在另一優(yōu)選例中，所述的碳纖維預(yù)浸料的增強(qiáng)纖維為T(mén)300碳纖維。
[0020]在另一優(yōu)選例中，所述的增強(qiáng)纖維是高模量高強(qiáng)度纖維。
[0021]在另一優(yōu)選例中，所述的碳纖維預(yù)浸料的基體材料為環(huán)氧樹(shù)脂。
[0022]在另一優(yōu)選例中，所述的碳纖維預(yù)浸料中，所述的基體材料的體積含量為30%-40%。
[0023]在另一優(yōu)選例中，所述的方法還包括:在進(jìn)行所述步驟(2)之前，在所述模具上涂覆脫模劑。
[0024]在另一優(yōu)選例中，所述的脫模劑為通用脫模劑，較佳地選自下組:硬脂酸鋅、硬脂酸鈣，或其組合。
[0025]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層包括:按照鋪層角度為0/45/90/-45/45/90/-45/0的順序進(jìn)行鋪層，且所述的鋪層共進(jìn)行8-24層。
[0026]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為O指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角θ=0°。
[0027]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為45指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角Θ =45°。
[0028]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為90指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角Θ =90°。
[0029]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為-45指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角Θ =-45°。
[0030]在另一優(yōu)選例中，所述的參考坐標(biāo)系X軸是任選的，較佳地，所述的X軸經(jīng)過(guò)制件的中心或重心；更佳地，所述的X軸為制件的中心對(duì)稱(chēng)軸。
[0031]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層包括:按照鋪層角度為0/45/90/-45/45/90/-45/0的順序進(jìn)行鋪層，且所述的鋪層共進(jìn)行16層。
[0032]本發(fā)明的第二方面，提供了一種碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人外殼制件，所述的外殼制件是用如本發(fā)明第一方面所述的方法成型得到的。
[0033]本發(fā)明的第三方面，提供了一種碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人外殼制件，所述的外殼具有(a)樹(shù)脂基體；和(b)增強(qiáng)纖維，其中，所述增強(qiáng)纖維的鋪層方式為:鋪層角度為0/45/90/-45/45/90/-45/0，且所述的鋪層共進(jìn)行16層。
[0034]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為O指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角θ=0°。
[0035]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為45指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角Θ =45°。
[0036]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為90指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角Θ =90°。
[0037]在另一優(yōu)選例中，所述的鋪層角度為-45指所述的鋪層過(guò)程中，鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角Θ =-45°。
[0038]在另一優(yōu)選例中，所述的參考坐標(biāo)系X軸是任選的，較佳地，所述的X軸經(jīng)過(guò)制件的中心或重心；更佳地，所述的X軸為制件的中心對(duì)稱(chēng)軸。
[0039]在另一優(yōu)選例中，所述的樹(shù)脂基體是環(huán)氧樹(shù)脂。
[0040]在另一優(yōu)選例中，所述的增強(qiáng)纖維是T300碳纖維。
[0041]在另一優(yōu)選例中，所述制件的最大主應(yīng)力范圍為13_160MPa。
[0042]在另一優(yōu)選例中，所述制件失穩(wěn)的臨界載荷為45-50KN。
[0043]在另一優(yōu)選例中，所述制件的比強(qiáng)度為彡1800MPa/ (g/cm3)，較佳地為彡2000MPa/(g/cm3)。
[0044]在另一優(yōu)選例中，所述制件的抗拉強(qiáng)度為3300_3900MPa。
[0045]在另一優(yōu)選例中，所述的制件厚度為4.8mm ;優(yōu)選地，所述制件的長(zhǎng)度為1200mm。
[0046]在另一優(yōu)選例中，所述制件的自重為彡20kg，較佳地為彡17kg，更佳地為彡15kg。
[0047]應(yīng)理解，在本發(fā)明范圍內(nèi)中，本發(fā)明的上述各技術(shù)特征和在下文(如實(shí)施例)中具體描述的各技術(shù)特征之間都可以互相組合，從而構(gòu)成新的或優(yōu)選的技術(shù)方案。限于篇幅，在此不再一一累述。
【附圖說(shuō)明】
[0048]圖1是本發(fā)明工業(yè)機(jī)器人用圓管狀碳纖維復(fù)合材料外殼示意圖；
[0049]圖2是本發(fā)明工業(yè)機(jī)器人用圓管狀碳纖維復(fù)合材料外殼所用模具示意圖；
[0050]圖3是本發(fā)明工業(yè)機(jī)器人用圓管狀碳纖維復(fù)合材料外殼的側(cè)視圖；
[0051]圖4是本發(fā)明關(guān)節(jié)型碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0052]本發(fā)明人經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，優(yōu)化了工藝參數(shù)，從而制備了一種質(zhì)量輕、比強(qiáng)度好、比剛度大，機(jī)械性能好的碳纖維復(fù)合材料機(jī)械臂。所述的機(jī)械臂具有抗疲勞、減震、耐高溫、可設(shè)計(jì)等一系列優(yōu)點(diǎn)，能提高機(jī)器人的動(dòng)態(tài)特性，減小機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)慣量，節(jié)約材料和能源?；谏鲜霭l(fā)現(xiàn)，發(fā)明人完成了本發(fā)明。
[0053]術(shù)語(yǔ)
[0054]如本文所用，術(shù)語(yǔ)“工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂”、“工業(yè)機(jī)器人上臂”、“工業(yè)機(jī)器人用機(jī)械臂”可互換使用，均指本發(fā)明的工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂。
[0055]術(shù)語(yǔ)“上臂外殼”、“外殼”、“外殼制件”或“制件”可互換使用，均指本發(fā)明所制造的碳纖維復(fù)合材料制件，該制件可以用作工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的外殼。
[0056]特別地，在本發(fā)明中，關(guān)于鋪層方式的描述:鋪層方向的表示:鋪層中增強(qiáng)纖維的方向或織物徑向纖維方向?yàn)椴牧系闹鞣较?即縱向)，垂直于增強(qiáng)纖維方向或織物的緯向纖維方向?yàn)椴牧系臋M向，鋪層具有方向性，鋪層方向用鋪層角Θ表示，Θ是鋪層的縱向與參考坐標(biāo)系X軸之間的夾角，由X軸到纖維縱向逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正。例如，在“(0/45/90/-45/45/90/-45/0)s”中，S 表示鋪層上下對(duì)稱(chēng)，(0/45/90/-45/45/90/-45/0)s 可表示為:0/45/90/-45/45/90/-45/0/0/-45/90/45/-45/90/45/0。
[0057]碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂
[0058]本發(fā)明提供了一種圓管狀碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人機(jī)械臂的制作方法，該制造方法以碳纖維平紋織物預(yù)浸料為原材料，采用熱壓罐成型法制成圓形管狀上臂結(jié)構(gòu)。具體地，所述的成型方法包括:
[0059](I)提供一碳纖維預(yù)浸料；
[0060](2)用所述預(yù)浸料在模具上進(jìn)行鋪層；
[0061](3)對(duì)所述的模具和預(yù)浸料進(jìn)行熱壓罐固化成型，得到所述的碳纖維復(fù)合材料工業(yè)機(jī)器人外殼；
[0062]其中，在步驟(3)中，所述的熱壓罐固化成型包括:在85-95°C，350_450kPa下保溫70-100min ;然后在 125_135°C，650-750kPa 下保溫 1.5-2.5h ;優(yōu)選地，在 90°C，400kPa 下保溫85min ;然后在130°C，700kPa下保溫2h。
[0063]在另一優(yōu)選例中，在進(jìn)行所述成型前，先用真空袋將所述的模具和預(yù)浸料進(jìn)行密封。
[0064]為防止降溫過(guò)快時(shí)產(chǎn)品產(chǎn)生內(nèi)部殘余應(yīng)力，要依據(jù)特定的降溫速率進(jìn)行降溫，在本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選例中，所述的降溫包括:保溫完畢后，以1_3°C /min的降溫速率進(jìn)行降溫。
[0065]在另一優(yōu)選例中，所述的降溫指從固化結(jié)束時(shí)溫度降至室溫(約4_30°C )。
[0066]在另一優(yōu)選例中，所述的降溫時(shí)間為55