一種三維編織復合材料機械臂及其制備方法
【技術領域】
[0001 ]本發明涉及一種工程自動化機械設備配件，特別涉及一種用于自動化機械設備的三維編織復合材料機械手臂及其制備方法。
【背景技術】
[0002]目前隨著工業設備自動化水平的提高，工業化機器人的應用越來越多。工業機器人是匯集機械、材料電子、控制和計算機技術等一系列學科形成的高新技術集合體，已經廣泛應用于機械制造、化工生產、道橋施工、礦物開采、國防軍用、太空探索等領域。工業機器人代替人類從事繁重單一的工作，在減輕人類勞動強度、提高生產自動化水平、提高生產效率等方面意義重大。近年來，工業機器人的輕量化技術已經在國際上收到越來越廣泛的關注。在滿足工業機器人高速度高精度等基本性能要求的基礎上，通過輕量化設計，可減小工業機器人自重，提升機器人整體動力學性能，同時可以降低能耗，減小環境污染。
[0003]機械臂是工業機器人主要執行機構部件之一，也是機器人的主要承力構件，對機器人設備能否快速高效并且高精度執行動作指令具有重要作用。目前國內的機械手臂幾乎都是鋼、鐵、鋁合金等金屬材料制造而成，而采用金屬材料制作機械臂的過程中存在速度低、能耗大、易變形磨損等諸多缺點，并且這些材料的成型條件復雜，成型難度大，成型后因為金屬材料本身的特性，使得制造好的機械臂抗震性以及抗氧化性不佳，若采用鋁合金，則會增加制作成本，不經濟，且采用金屬材料最左機械臂，無法實現快速自動化生產。鑒于目前金屬材質機械臂的諸多問題，除此之外，目前對高自動化水平機械設備的綜合性能要求，也帶來了對工業機器人機械臂材料的選擇的諸多要求，需要滿足高強度、大彈性模量、重量輕、阻尼大等技術指標，因此采用高性能纖維增強的樹脂基復合材料成為目前制備高性能機械手臂的最佳材料。目前復合材料機械臂的制備均采用高性能纖維二維疊層結構或采用單向纖維螺旋纏繞成型的方式形成復合材料中增強體的骨架，其中單向纖維螺旋纏繞可采用干紗掛膠纏繞后的熱固化成型或先制備單向纖維預浸帶之后通過預浸帶的氣袋成型方式制備復合材料機械臂;而二維疊層結構復合材料機械臂一般采用平面織物(平紋、斜紋或緞紋等)預浸料鋪層后利用氣袋成型方式制備。比如中國專利《一種碳纖維增強復合材料制作機械手臂的方法》申請號:201410463479.2。這些結構均存在纖維增強編織物層間力學性能薄弱的問題，在機械臂的運行過程中，會因為高速往復運動而造成機械臂的振幅過大而影響操作精度，同時也會因為外部承載力或機械裝配加工處理而造成復合材料層間破壞產生缺陷。
【發明內容】
[0004]針對現有技術的諸多問題，本發明提供了一種用于自動化機械設備的三維編織纖維增強的樹脂基復合材料機械手臂。
[0005]本發明采用以下技術方案:
[0006]—種三維編織復合材料機械臂，該機械臂從內至外依次包括主體剛性結構層、耐沖擊層和表面機械加工裝配層;其中，所述主體剛性結構層包括采用高模量纖維制成的三維立體編織結構和浸漬固化在三維立體編織結構上的樹脂層；
[0007 ]所述耐沖擊層包括采用高模量纖維與有機纖維的組成的混雜纖維制成的三維立體編織結構和浸漬固化在三維立體編織結構上的樹脂層；
[0008]所述表面機械加工裝配層包括采用高強度纖維制成的二維纏繞鋪層織物結構和浸漬固化在二維纏繞鋪層織物結構上的樹脂層；
[0009]該機械臂還包括:采用鋪縫纖維將所述主體剛性結構層、耐沖擊層和表面機械加工裝配層三個層進行縫合的二次纖維鋪縫結構；
[0010]其中高模量纖維為高模量碳纖維或者陶瓷纖維的任意一種或多種，所述高模量碳纖維為聚丙烯腈基碳纖維和瀝青基碳纖維;高強度纖維為高強度碳纖維或者芳綸纖維的任意一種或多種，所述高強度碳纖維為T300及其以上的碳纖維。
[0011]在主體剛性結構層中，所述高模量纖維選用高模量碳纖維或陶瓷纖維的任意一種或兩種作為三維立體織物的長絲纖維原料，所述高模量碳纖維為聚丙烯腈基(M、MJ)碳纖維和瀝青基(MP、MK)碳纖維。所述陶瓷纖維包括氧化鋁、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼等的任意一種或者多種的組合。
[0012]主體剛性結構層的制備選用高模量纖維通過層連三維編織結構制備連續纖維立體織物預制體，采用三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的任意一種或多種組合作為主體剛性結構層的三維層連立體編織結構形式。
[0013]所述主體剛性結構層為中空的矩形體，其中空橫截面的形狀為方形、圓形或者橢圓形，其長度根據機械設備要求靈活確定，其截面形狀和截面厚度可根據產品要求而定，可將預制體織物截面加工成方形、圓形、橢圓形等各種不同形狀。
[0014]在中間耐沖擊層中，所述耐沖擊層的制備選用高模量纖維與高韌性有機纖維混雜的層連三維編織結構制備連續纖維立體織物預制體，采用三維四向、三維五向、三維六向、三維七向中的任意一種或多種組合作為主體剛性結構層的三維層連立體編織結構形式。
[0015]所述高模量纖維選用高模量碳纖維或陶瓷纖維的任意一種或兩種，所述陶瓷纖維包括氧化鋁、碳化硅、氮化硼、氮化硅、碳化硼等的任意一種或者多種的組合，所用高韌性有機纖維選用UHMWPE纖維、芳綸纖維、聚酰胺纖維、聚丙烯纖維等的任意一種或多種組合，其中高模量纖維與有機纖維混雜比例根據耐沖擊性能要求靈活調整。中間的耐沖擊層在剛性主體結構層的外部，其截面形狀與主體剛性結構層相一致，中間耐沖擊層的厚度根據整體力學沖擊要求靈活調整。
[0016]優選的，所述高模量纖維與有機纖維的體積比例為1:(I?2)。經過大量實驗驗證與分析，上述混雜比例使得耐沖擊層的機械性能優異，滿足工業機器人的工作需求。
[0017]在表面機械加工裝配層中，所述表面機械加工裝配層的制備選用高強度纖維采用二維纏繞鋪層織物形式制備預制體，其中高強度纖維選用高強度碳纖維或芳綸纖維中的任意一種或多種組合進行二維平面織物制備，二維平面織物可采用平紋、斜紋或緞紋織物中的任意一種，最后通過螺旋纏繞制備表面機械加工裝配層；所述高強度碳纖維為T300及T300以上的碳纖維。
[0018]所述表面機械加工裝配層在中間耐沖擊層的外部，其截面形狀與中間耐沖擊層相一致，表面機械加工裝配層的厚度根據機械臂的表面金屬部件裝配要求而靈活調整。
[0019]優選的，所述主體剛性結構層、耐沖擊層和表面機械加工裝配層的厚度比例為(2?4): (I?2): (I?2)，經過大量實驗驗證與分析，上述厚度比例組成的機械臂的性能更加優異。
[0020]優選的，所述基體樹脂為環氧樹脂、酚醛樹脂、不飽和聚酯樹脂的任意一種或多種組合。
[0021]所述二次纖維鋪縫強化在主體剛性結構層、耐沖擊層和表面機械加工裝配層三層預制體織物制備完成后，采用高強度纖維進行厚度方向的二次縫合強化，使三層預制體結構形成整體。
[0022]所述二次纖維鋪縫強化所用的鋪縫纖維為高強度碳纖維，選用T300、T700、T800中的一種或多種組合，其中厚度向縫合纖維所占的體積比例為三層纖維預制體所用纖維總比例的5-40 %。
[0023]本發明還提供一種工程機械設備或者工業機器人，其包括上述的機械臂。