工業(yè)機器人的制造材料與使用環(huán)境有很大關系,并且通常都需要承受較大的工作壓力,所以對制造材料的選擇是比較苛刻的。
制造工業(yè)機器人選用最多的還是金屬材料,金屬材料強度比較大,不易磨損,但金屬材料在輕量化方面提升空間有限。制造機器人常用的金屬材料是鋁合金,用不銹鋼的比例較小,而且鋁合金比不銹鋼更方便加工。工業(yè)機器人的大部分零部件制造會選用6061和7075這兩個型號的鋁合金,以6061為代表的6000系列鋁合金,其主要合金元素為鎂與硅,這種鋁合金強度中等,具有良好的抗腐蝕性、可焊接性,氧化效果較好。而以7075 型號為代表的7000系列鋁合金主要含有鋅元素,是鋁鎂鋅銅合金,屬于超硬鋁合金,也是可熱處理合金,有良好的耐磨性,也有良好的焊接性,但耐腐蝕性較差,多應用于航空環(huán)境。6061的硬度雖然沒7075高,但抗腐蝕比較好,所以市面上機器人手臂大多使用這種鋁合金材質。
機器人制造中,ABS樹脂、PVC、尼龍、有機玻璃等材料有時也會被采用,相比于鋁合金、不銹鋼等金屬材料,這類材料的優(yōu)勢主要是質量輕、便于加工,但是強度相對較小,可應用于機器人的某些非受力部件。
除此之外,以玻璃纖維或碳纖維為增強體的復合材料近年來發(fā)展迅速,應用潛力巨大。碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強度、高模量的新型纖維材料。碳纖維“外柔內(nèi)剛”,力學表現(xiàn)突出,抗拉強度是鋼的數(shù)倍,密度僅1.7g/cm3,為鋁的2/3,在國防軍工和民用方面都是重要的結構材料,目前已作為戰(zhàn)略性新材料產(chǎn)業(yè)納入《中國制造2025》中。
碳纖維增強樹脂復合材料具有許多優(yōu)良性能,它的比強度和比模量在現(xiàn)有的結構材料中是最高的,導電性介于非金屬和金屬之間,熱膨脹系數(shù)極小,抗振吸能性能好,在有機溶劑、酸、堿中不溶不脹,耐蝕性突出。
與傳統(tǒng)的玻璃纖維相比,碳纖維的楊氏模量是其3倍多,是凱夫拉纖維的2倍左右。以下為碳纖維復合材料與金屬材料性能對比數(shù)據(jù):
以環(huán)氧樹脂為基體的碳纖維復合材料不僅可以發(fā)揮碳纖維材料本身質量輕、強度大的特點,更具備富有實際意義的材料可設計性,因此,其逐漸成為新一代工業(yè)機器人機械臂首選的輕量化材料。