工程机械行业案例分析 —— 包装机械臂 | Ensinger

复合材料机械臂

       在此案例中,Loson和恩欣格合作提高了用于食品包装生产线上Delta机器人的机械臂的性能。得益于它们的速度,这种快速准确的机器在工厂中被用于执行拣选和包装任务,在某些情况下每分钟可以执行多达300次拣选。

 

       设计和制造的碳纤维复合部件(在这个案例中为环氧树脂基体中的碳纤维织物)可减轻重量和惯性,同时保持优质金属合金典型的高机械性能。虽然减重是一大主要目标,但将碳纤维复合材料部件与其他机械组件连接在一起时通常需要重金属嵌件(钢、铝,或少数情况中使用钛),这样一来,在一定程度上减少了碳纤维材料的益处。

       图1所示为食品包装行业中机器的机械臂:总重量约为300g,其中铝嵌件重量超过80g(占比27%),因此减轻部件重量(旨在减少惯性)的努力部分未能达到理想要求。而且,在恶劣环境下,使用酸性/碱性物质进行清洁时(例如食品包装线),这种材质受盐腐蚀或电流耦合腐蚀的风险较高。

       相比使用另一种金属来替代铝,可能使部件更重,而使用高性能聚合物替代的理念, 可以减轻重量,降低腐蚀的风险,同时保证应用所要求的高机械性能。 

       金属嵌件通常使用双组分环氧树脂胶粘合到复合材料部件上,或使用聚合物基体的树脂作为粘合剂直接结合到复合材料部件上。

       然而,从文献中可以看出,聚合物嵌件和复合材料部件之间的粘结强度不在同一水平,如表1所示。该图表明,通过粘合不同热塑性聚合物制成的连接件的剪切强度通常远低于6 MPa的阈值,该值通常被认为是“结构”粘合的最小值。

表1 不同粘结聚合物的剪切强度
       对于此类纯机械应用,需要材料具有最大的机械阻力和滑动摩擦性能(由于嵌件与外界接触部分会产生摩擦),这样一来使得半结晶高性能热塑性塑料成为首选。
       玻璃纤维填充材料以其机械性能和刚度成为不二之选,但在频繁滑动和摩擦的情况下,它们可能会磨损搭配部件,在某些情况下也可能太脆,无法承受此类组件频繁快速的旋转倒置(与冲击相当)。
       使用含石墨或PTFE等润滑剂的滑动优化材料,会损害CFRP与环氧树脂基体的粘合效果。
       因此选用TECAPEEK natural材料可在机械性能、滑动性能和粘合可能性之间实现理想的平衡。

       通常当用塑料代替金属时,需要对组件设计进行分析,并识别公差、结构设计和连接等关键方面使其适应新材料。

       环氧树脂对PEEK的粘合性始终大大低于金属。例如,表2显示了在不同表面处理和各种条件下PEEK与PEEK粘合的情况,突显出了粘合聚合物表面的性能较差。

 

       在这个复合材料机械臂案例中,原始设计未确保嵌件与CRFP基体牢固粘附,嵌件和机械臂之间有相对旋转的风险。

       为了克服胶水性能较差的问题,避免组件发生相对旋转,我们设计制造了TECAPEEK natural嵌件与碳纤维复合材料部件之间的机械连接件。如图2中的横截面所示,我们对TECAPEEK natural嵌件表面进行了一些逼空处理,以便在层压过程中可以安全地将其结合到碳纤维复合材料部件中。嵌件的逼空部分在层压过程中被复合材料完全填充,避免了两个组件发生任何相对转动。

图1 - 原铝嵌件设计:圆形外形,金属和碳纤维之间的粘合力完全由粘结强度承担。
图2 - 使用表面带有逼空处理的嵌件,与纤维基体拥有额外的机械连接,避免了不必要的旋转。
       图片显示了原始组件与新型机械臂之间的对比,原有铝嵌件由TECAPEEK natural嵌件所代替。
铝嵌件
TECAPEEK natural嵌件

     我们为原有的复合材料机械臂提供了一个完美的互换解决方案。该组件通过以下方式得到增强:

  • 使用高性能塑料(TECAPEEK natural)加工的嵌件,与铝嵌件相比,可以提高组件的性能/重量比。
  • 组件设计的升级,包括逼空处理,层压过程中直接填充复合材料基体,避免使用胶水,避免了组件发生不必要的相对转动。
  • 由于无金属材料,可防止发生电偶腐蚀和化学腐蚀。

 

     通过采用该解决方案,进一步将部件的总重量减轻近15%,由于惯性力矩较低,理论上Delta机器人可更快更安全地运行。

 

 

        Loson公司依靠CFRP(碳纤维增强聚合物)技术开发使用塑料基体复合材料的项目和产品。该公司由航空航天领域起家,目前他们的专业知识逐渐扩展至工业自动化技术的高性能应用中