一种三维编织复合材料机械臂及其制备方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及一种工程自动化机械设备配件，特别涉及一种用于自动化机械设备的三维编织复合材料机械手臂及其制备方法。
【背景技术】
[0002]目前随着工业设备自动化水平的提高，工业化机器人的应用越来越多。工业机器人是汇集机械、材料电子、控制和计算机技术等一系列学科形成的高新技术集合体，已经广泛应用于机械制造、化工生产、道桥施工、矿物开采、国防军用、太空探索等领域。工业机器人代替人类从事繁重单一的工作，在减轻人类劳动强度、提高生产自动化水平、提高生产效率等方面意义重大。近年来，工业机器人的轻量化技术已经在国际上收到越来越广泛的关注。在满足工业机器人高速度高精度等基本性能要求的基础上，通过轻量化设计，可减小工业机器人自重，提升机器人整体动力学性能，同时可以降低能耗，减小环境污染。
[0003]机械臂是工业机器人主要执行机构部件之一，也是机器人的主要承力构件，对机器人设备能否快速高效并且高精度执行动作指令具有重要作用。目前国内的机械手臂几乎都是钢、铁、铝合金等金属材料制造而成，而采用金属材料制作机械臂的过程中存在速度低、能耗大、易变形磨损等诸多缺点，并且这些材料的成型条件复杂，成型难度大，成型后因为金属材料本身的特性，使得制造好的机械臂抗震性以及抗氧化性不佳，若采用铝合金，则会增加制作成本，不经济，且采用金属材料最左机械臂，无法实现快速自动化生产。鉴于目前金属材质机械臂的诸多问题，除此之外，目前对高自动化水平机械设备的综合性能要求，也带来了对工业机器人机械臂材料的选择的诸多要求，需要满足高强度、大弹性模量、重量轻、阻尼大等技术指标，因此采用高性能纤维增强的树脂基复合材料成为目前制备高性能机械手臂的最佳材料。目前复合材料机械臂的制备均采用高性能纤维二维叠层结构或采用单向纤维螺旋缠绕成型的方式形成复合材料中增强体的骨架，其中单向纤维螺旋缠绕可采用干纱挂胶缠绕后的热固化成型或先制备单向纤维预浸带之后通过预浸带的气袋成型方式制备复合材料机械臂;而二维叠层结构复合材料机械臂一般采用平面织物(平纹、斜纹或缎纹等)预浸料铺层后利用气袋成型方式制备。比如中国专利《一种碳纤维增强复合材料制作机械手臂的方法》申请号:201410463479.2。这些结构均存在纤维增强编织物层间力学性能薄弱的问题，在机械臂的运行过程中，会因为高速往复运动而造成机械臂的振幅过大而影响操作精度，同时也会因为外部承载力或机械装配加工处理而造成复合材料层间破坏产生缺陷。
【发明内容】
[0004]针对现有技术的诸多问题，本发明提供了一种用于自动化机械设备的三维编织纤维增强的树脂基复合材料机械手臂。
[0005]本发明采用以下技术方案:
[0006]—种三维编织复合材料机械臂，该机械臂从内至外依次包括主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层;其中，所述主体刚性结构层包括采用高模量纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；
[0007 ]所述耐冲击层包括采用高模量纤维与有机纤维的组成的混杂纤维制成的三维立体编织结构和浸渍固化在三维立体编织结构上的树脂层；
[0008]所述表面机械加工装配层包括采用高强度纤维制成的二维缠绕铺层织物结构和浸渍固化在二维缠绕铺层织物结构上的树脂层；
[0009]该机械臂还包括:采用铺缝纤维将所述主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层三个层进行缝合的二次纤维铺缝结构；
[0010]其中高模量纤维为高模量碳纤维或者陶瓷纤维的任意一种或多种，所述高模量碳纤维为聚丙烯腈基碳纤维和沥青基碳纤维;高强度纤维为高强度碳纤维或者芳纶纤维的任意一种或多种，所述高强度碳纤维为T300及其以上的碳纤维。
[0011]在主体刚性结构层中，所述高模量纤维选用高模量碳纤维或陶瓷纤维的任意一种或两种作为三维立体织物的长丝纤维原料，所述高模量碳纤维为聚丙烯腈基(M、MJ)碳纤维和沥青基(MP、MK)碳纤维。所述陶瓷纤维包括氧化铝、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼等的任意一种或者多种的组合。
[0012]主体刚性结构层的制备选用高模量纤维通过层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体，采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种或多种组合作为主体刚性结构层的三维层连立体编织结构形式。
[0013]所述主体刚性结构层为中空的矩形体，其中空横截面的形状为方形、圆形或者椭圆形，其长度根据机械设备要求灵活确定，其截面形状和截面厚度可根据产品要求而定，可将预制体织物截面加工成方形、圆形、椭圆形等各种不同形状。
[0014]在中间耐冲击层中，所述耐冲击层的制备选用高模量纤维与高韧性有机纤维混杂的层连三维编织结构制备连续纤维立体织物预制体，采用三维四向、三维五向、三维六向、三维七向中的任意一种或多种组合作为主体刚性结构层的三维层连立体编织结构形式。
[0015]所述高模量纤维选用高模量碳纤维或陶瓷纤维的任意一种或两种，所述陶瓷纤维包括氧化铝、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼等的任意一种或者多种的组合，所用高韧性有机纤维选用UHMWPE纤维、芳纶纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维等的任意一种或多种组合，其中高模量纤维与有机纤维混杂比例根据耐冲击性能要求灵活调整。中间的耐冲击层在刚性主体结构层的外部，其截面形状与主体刚性结构层相一致，中间耐冲击层的厚度根据整体力学冲击要求灵活调整。
[0016]优选的，所述高模量纤维与有机纤维的体积比例为1:(I?2)。经过大量实验验证与分析，上述混杂比例使得耐冲击层的机械性能优异，满足工业机器人的工作需求。
[0017]在表面机械加工装配层中，所述表面机械加工装配层的制备选用高强度纤维采用二维缠绕铺层织物形式制备预制体，其中高强度纤维选用高强度碳纤维或芳纶纤维中的任意一种或多种组合进行二维平面织物制备，二维平面织物可采用平纹、斜纹或缎纹织物中的任意一种，最后通过螺旋缠绕制备表面机械加工装配层；所述高强度碳纤维为T300及T300以上的碳纤维。
[0018]所述表面机械加工装配层在中间耐冲击层的外部，其截面形状与中间耐冲击层相一致，表面机械加工装配层的厚度根据机械臂的表面金属部件装配要求而灵活调整。
[0019]优选的，所述主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层的厚度比例为(2?4): (I?2): (I?2)，经过大量实验验证与分析，上述厚度比例组成的机械臂的性能更加优异。
[0020]优选的，所述基体树脂为环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂的任意一种或多种组合。
[0021]所述二次纤维铺缝强化在主体刚性结构层、耐冲击层和表面机械加工装配层三层预制体织物制备完成后，采用高强度纤维进行厚度方向的二次缝合强化，使三层预制体结构形成整体。
[0022]所述二次纤维铺缝强化所用的铺缝纤维为高强度碳纤维，选用T300、T700、T800中的一种或多种组合，其中厚度向缝合纤维所占的体积比例为三层纤维预制体所用纤维总比例的5-40 %。
[0023]本发明还提供一种工程机械设备或者工业机器人，其包括上述的机械臂。