第310章 空間機械臂的研究

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開研討會的時候，就有研究院問道，，“院長，由一般的力學性質可以得知，減少質量可以降低慣量、提高操作速度、增加剛度可以降低擾度；增加材料的阻尼可以減少穩態時間，但是我要如何做達到這些要求呢？” “這就是我們這次要研究的方向，你們只管提出自己的想法，然後一起來驗證。” 唐欣自然是有解決辦法，但她不想就這樣直接說出來，她還是想培養年輕人的學習積極性，開闊他們的思維。 這些特性的改進有利於提高控制精度，合理地利用碳纖維複合材料的材料特性與幾何尺寸的設計，可以製造出滿足使用需求的機械臂裝置。 只不過，大家的思維還是被固有的框架圈住了，要想完成這個實驗，那些想法都要不得。 唐欣道，“我們先解決機械臂材料的輕量化。” “好的，院長。”以小徐為首的青年研究員接到任務，都躍躍欲試。 他們都是空間機械臂研究實驗室的研究員，這些年除了改進研發機械臂的功能外，在材料上著實還在原地踏步，使用的還是院長當時提供的碳纖維複合材料技術。 現在終於輪到院長帶著他們研究空間機械臂，大家都很高興。 大家都是有經驗的研究員，瞭解輕量化要從哪裡開始。 輕量化設計必須從全面、整體的角度出發，將材料的輕量化和機器人結構的輕量化結合起來。 在設計階段就要將材料的輕量化思想融入到結構設計中， 透過運用有限元分析技術得出各設計引數對各部位效能和重量的影響規律，推斷出可行的輕量化較優方案。 關於材料方面的選擇，能選擇的不多。 鋁合金的比重是2.7g/cm3， 碳纖維比鋁合金要輕， 它的比重僅有1.5-2.0g/cm3， 利用碳纖維材料製成的機械臂也是目前所有不同材質的機械臂中最輕的。 只是區域性單一的減重很難體現出碳纖維應用的較高效率。 只有綜合考慮多方面因素所產生的共同效應，將機器人所有結構作為一個整體系統， 考慮到各部件之間的拓撲關係、截面尺寸、位置、材料強度與厚度對機器人本身各項效能的綜合性作用，才能將碳纖維材料的優勢效能充分發揮出來。 但是唐欣覺得現有的碳纖維材質效能還不夠，還想研製更輕更有力的複合材料。 大家一起討論著設計出他們需要的設計圖。 除了輕量化，碳纖維機械臂的設計還需要考慮到機械效能。 唐欣選了T300作為增強材料， 該碳纖維原絲拉伸強度為2746MPa， 拉伸模量為3920MPa， 伸長率僅為0.7%， 比重為1.81g/cm3。 基體則選用648酚醛環氧樹脂，這個材料是一位年輕的研究員提出來的，他正好研究過這個材料。 唐欣根據機器人效能要求，確定了碳纖維複合材料的鋪層方向、鋪層順序和鋪層總層數。 過多的鋪層角度取向會給設計工作及製件成型增加難度， 因此在不影響設計要求的情況下儘可能減少鋪層方向數。 在鋪層設計時，鋪層角度一般多選0°、+45°、-45°、90°這四種。 具體鋪層時一般複合材料製件的鋪層均採取對稱均衡鋪設，其特點是在整體的鋪層中，上下鋪層關於中間面對稱。 但是唐欣設計的卻是另一種非對稱均衡鋪層，而且還將這類非均衡鋪層佈置於靠近整體鋪層中間的位置， 這種方式能有效避免複合材料製件經歷拉-彎耦合、拉-剪耦合之後發生翹曲形變。 鋪層順序的改變可以減少按照相同的方式鋪放的相鄰兩層分層開裂的可能性， 唐欣提醒大家在實驗中，“大家記住了，連續的相同鋪層不超過四層，對效能要求更高的複合材料製造不超過兩層， 鋪層角度儘量將0°層或90°層，佈置在±45°層中間， 將+45°層或-45°層佈置在0°層與90°層中間，大家都記清楚了嗎？” “記清楚了。” “這樣做的目的是降低機械臂的層間應力，你們一定要注意，這是我們能否成功的關鍵因素。” “明白，院長。” 在大家齊心協力的努力下，新型材料這樣研製成功。 製作好材料之後，唐欣現場跟這個專案的研究員一起開始製作機械臂。 在製作前，她還提醒大家，“在保證機械臂原有自由度和效能的前提下，維持外部尺寸大小不變， 機械臂內部同時要給佈線以及控制電路的安裝留有足夠的空間， 機械臂的殼體厚度值在維持原有效能的最低值不超過原結構臂厚度之間，這是這次實驗任務。” “明白。”大家回應之後就開始埋頭做實驗，三五成群的一起完成這次實驗任務。 然後就是透過實驗研究，確定機械臂工作的載荷和速度，末端操作器的彈性動力學響應，機械精度、重複性、末端操作器的穩態時間等特性，這些問題都必須經過多次實驗才能完成。小主，這個章節後面還有哦，請點選下一頁繼