CN108340402A - 一种碳纤维复合材料的轻型机械臂 - Google Patents

一种碳纤维复合材料的轻型机械臂 Download PDF

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朱海东
杨峰
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Abstract

本发明涉及机械臂技术领域,特指一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,包括依次连接的机械臂底座、机械关节一、机械关节二、连杆一、机械关节三、连杆二、机械关节四与末端执行端置,连杆一与连杆二均采用碳纤维材料制成,机械关节三与机械关节四的外部包裹层也采用碳纤维材料,连杆一的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节二,连杆一的另一端采用共固化方式连接于机械关节三,连杆二的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节三,连杆二的另一端采用共固化方式连接于机械关节四。采用这样的结构设置,本发明通过采用碳纤维包裹机械臂的部分构件,构成混合结构,在不增加机械臂尺寸的情况下,有着更高的强度,同时减轻了重量。

Description

一种碳纤维复合材料的轻型机械臂
技术领域
本发明涉及机械臂技术领域,特指一种碳纤维复合材料的轻型机械臂。
背景技术
碳纤维作为一种新型的力学材料,现在其相关的工艺和使用方法越来越成熟了,而且运用的地方越来越广泛了,碳纤维有着高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等优点,相比于传统的机械臂相比,碳纤维机械臂更轻,人机互动更安全,同时也不会增加机械臂的自重和尺寸。传统的机械臂的连接方式如螺钉、螺栓等,其破坏了连接件的结构,导致其强度下降,而且这些连接方式使得连接不够紧凑。
发明内容
针对以上问题,本发明提供了一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,通过采用碳纤维包裹机械臂的部分构件,构成混合结构,在不增加机械臂尺寸的情况下,有着更高的强度,同时减轻了重量,且通过采用胶结和共固化的连接方式,避免在连接件上钻孔,保证了连接件的结构不受破坏,从而避免了强度的削弱,这种连接方式也使得连接更加紧凑。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案如下:
一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,包括依次连接的机械臂底座、机械关节一、机械关节二、连杆一、机械关节三、连杆二、机械关节四与末端执行端置,连杆一与连杆二均采用碳纤维材料制成,机械关节三与机械关节四的外部包裹层也采用碳纤维材料,连杆一的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节二,连杆一的另一端采用共固化方式连接于机械关节三,连杆二的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节三,连杆二的另一端采用共固化方式连接于机械关节四。
进一步而言,所述连杆一与连杆二均采用碳纤维材料制成连杆碳纤维,其厚度为2.5mm。
进一步而言,所述机械关节三与机械关节四的外部设有碳纤维包裹层,其厚度为3mm。
进一步而言,所述胶接剂包括AB环氧胶,其主要采用128环氧树脂与901环氧树脂按1:1比例混合配制而成。
进一步而言,所述机械关节一内设有驱动装置一、谐波减速机一与输出轴,谐波减速机一连接于驱动装置一,输出轴连接于机械关节二。
进一步而言,所述机械关节二内设有连接件、驱动装置二、自润滑轴承一、耳板一、L形板一、谐波减速机二与关节二铝合金内衬,机械关节一内的输出轴连接于连接件,驱动装置二的一端连接于谐波减速机二,谐波减速机二通过螺钉连接于L形板一,驱动装置二的另一端通过自润滑轴承一固定于关节二铝合金内衬上,耳板一固定于自润滑轴承一的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板一,L形板一通过胶接剂连接于连杆一。
进一步而言,所述连杆一的一端通过胶接剂连接于机械关节二的L形板一,连杆一的另一端通过共固化的方式连接于机械关节三。
进一步而言,所述机械关节三内设有关节三碳纤维层、关节三铝合金内衬、驱动装置三、自润滑轴承二、耳板二、L形板二与谐波减速机三,连杆一通过共固化的方式连接于关节三碳纤维层,驱动装置三的一端连接于谐波减速机三,谐波减速机三通过螺钉连接于L形板二,驱动装置三的另一端通过自润滑轴承二固定于关节三铝合金内衬上,耳板二固定于自润滑轴承二的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板二,L形板二通过胶接剂连接于连杆二。
进一步而言,所述连杆二的一端通过胶接剂连接于机械关节三的L形板二,连杆二的另一端通过共固化的方式连接于机械关节四。
进一步而言,所述机械关节四内设有关节四碳纤维层、关节四铝合金内衬、驱动装置四、自润滑轴承三、耳板三、L形板三与谐波减速机四,连杆二通过共固化的方式连接于关节四碳纤维层,驱动装置四的一端连接于谐波减速机四,谐波减速机四通过螺钉连接于L形板三,驱动装置四的另一端通过自润滑轴承三固定于关节四铝合金内衬上,耳板三固定于自润滑轴承三的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板三,L形板三通过胶接剂连接于末端执行装置。
本发明有益效果:
1.本发明所述连杆与部分机械关节外部采用碳纤维材料,机械关节的铝合金内衬和碳纤维包裹层构成混合结构,由于混合结构的运用,使得机械臂的性能得到了提高;
2.相比于传统的螺钉、螺栓连接,本发明采用胶接和共固化的连接方式进行连接,使得其整体结构更加美观,构造简单,同时也避免在碳纤维材料上钻孔,保证了碳纤维层不受破坏,从而避免了其强度的削弱,这种连接方式也使得连接更加紧凑,改善了机械臂的抖动情况,使得其降低了维护成本。
附图说明
图1是本发明整体结构图;
图2是本发明整体结构剖视图;
图3是本发明胶接结构示意图;
图4是本发明共固化结构示意图。
1.机械臂底座;2.机械关节一;21.驱动装置一;22.谐波减速机一;23.输出轴;3.机械关节二;31.连接件;32.驱动装置二;33.自润滑轴承一;34.耳板一;35.L形板一;36.谐波减速机二;37.关节二铝合金内衬;4.连杆一;5.机械关节三;51.关节三碳纤维层;52.关节三铝合金内衬;53.驱动装置三;54.自润滑轴承二;55.耳板二;56.L形板二;57.谐波减速机三;6.连杆二;7.机械关节四;71.
关节四碳纤维层;72.关节四铝合金内衬;73.驱动装置四;74.自润滑轴承三;75.
耳板三;76.L形板三;77.谐波减速机四;8.末端执行装置。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案进行说明。
如图1至图4所示,本发明所述一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,包括依次连接的机械臂底座1、机械关节一2、机械关节二3、连杆一4、机械关节三5、连杆二6、机械关节四7与末端执行端置8,连杆一4与连杆二6均采用碳纤维材料制成,机械关节三5与机械关节四7的外部包裹层也采用碳纤维材料,连杆一4的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节二3,连杆一4的另一端采用共固化方式连接于机械关节三5,连杆二6的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节三5,连杆二6的另一端采用共固化方式连接于机械关节四7。以上所述构成本发明基本结构。
本发明所述连杆一4与连杆二6均采用碳纤维材料制成,机械关节三5与机械关节四7的外部包裹层也采用碳纤维材料,机械关节三5与机械关节四7内的铝合金内衬和碳纤维包裹层构成混合结构,由于混合结构的运用,使得机械臂的性能得到了提高;另外,相比于传统的螺钉、螺栓连接,本发明所述连杆一4的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节二3,连杆一4的另一端采用共固化方式连接于机械关节三5,连杆二6的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节三5,连杆二6的另一端采用共固化方式连接于机械关节四7。采用胶接和共固化的连接方式进行连接,使得其整体结构更加美观,同时也避免在碳纤维材料上钻孔,保证了碳纤维层不受破坏,从而避免了其强度的削弱,这种连接方式也使得连接更加紧凑,改善了机械臂的抖动情况,使得其降低了维护成本。
更具体而言,所述连杆一4与连杆二6均采用碳纤维材料制成连杆碳纤维,其厚度为2.5mm。本发明通过将碳纤维材料缠绕在模具上,制造出碳纤维连杆,连杆碳纤维厚度为2.5mm。
更具体而言,所述机械关节三5与机械关节四7的外部设有碳纤维包裹层,其厚度为3mm。本发明所述的碳纤维包裹层,其是采用一层一层的碳纤维纱布包裹上去的,纱布的碳纤维丝的排布角度分别为0°、45°、-45°和90°,各占比例为40%、40%、10%、10%,连杆的碳纤维铺层厚度为3mm。
更具体而言,所述胶接剂包括AB环氧胶,其主要采用128环氧树脂与901环氧树脂按1:1比例混合配制而成。本发明通过胶接剂进行胶接和共固化,其连接方式更简单,也不需要在碳纤维上打螺纹孔,避免了碳纤维性能的损伤,这种连接方式也使得其连接紧凑,提高了机械臂的稳定性,所以不需要经常维护。
更具体而言,所述机械关节一2内设有驱动装置一21、谐波减速机一22与输出轴23,谐波减速机一22连接于驱动装置一21,输出轴23连接于机械关节二3。机械关节二3内设有连接件31、驱动装置二32、自润滑轴承一33、耳板一34、L形板一35、谐波减速机二36与关节二铝合金内衬37,机械关节一2内的输出轴23连接于连接件31,驱动装置二32的一端连接于谐波减速机二36,谐波减速机二36通过螺钉连接于L形板一35,驱动装置二32的另一端通过自润滑轴承一33固定于关节二铝合金内衬37上,耳板一34固定于自润滑轴承一33的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板一35,L形板一35通过胶接剂连接于连杆一4。连杆一4的一端通过胶接剂连接于机械关节二3的L形板一35,连杆一4的另一端通过共固化的方式连接于机械关节三5。机械关节三5内设有关节三碳纤维层51、关节三铝合金内衬52、驱动装置三53、自润滑轴承二54、耳板二55、L形板二56与谐波减速机三57,连杆一4通过共固化的方式连接于关节三碳纤维层51,驱动装置三53的一端连接于谐波减速机三57,谐波减速机三57通过螺钉连接于L形板二56,驱动装置三53的另一端通过自润滑轴承二54固定于关节三铝合金内衬52上,耳板二55固定于自润滑轴承二54的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板二56,L形板二56通过胶接剂连接于连杆二6。连杆二6的一端通过胶接剂连接于机械关节三5的L形板二56,连杆二6的另一端通过共固化的方式连接于机械关节四7。机械关节四7内设有关节四碳纤维层71、关节四铝合金内衬72、驱动装置四73、自润滑轴承三74、耳板三75、L形板三76与谐波减速机四77,连杆二6通过共固化的方式连接于关节四碳纤维层71,驱动装置四73的一端连接于谐波减速机四77,谐波减速机四77通过螺钉连接于L形板三76,驱动装置四73的另一端通过自润滑轴承三74固定于关节四铝合金内衬72上,耳板三75固定于自润滑轴承三74的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板三76,L形板三76通过胶接剂连接于末端执行装置8。与传统的机械臂相比,通过对机械臂的机械关节三5和机械关节四7以及连杆一4和连杆二6的材料进行改进,使用碳纤维复合材料来替代原有的铝合金材料,并且改进了机械关节的加接方式,通过采用胶接和共固化的方式来保证碳纤维材料不被损坏,从而实现了机械臂的轻量化,也保证了其强度,本发明是一种运动灵活且能耗低的轻型机械臂。其中,本发明所述的胶接工作原理是将L形板与连杆的连接处进行表面处理,然后在处理过的L形板表面涂上一层0.005-0.015mm的底胶,等底胶固化完成后,在预定的时间内涂胶接剂,每次涂一层都要等它固化,最后一层时应该将碳纤维连杆与L形板装配在一起。本发明所述的共固化工作原理是将碳纤维的连杆和机械关节的碳纤维层采用热压罐成型工艺,利用热压罐内部的高温高压对碳纤维复合材料进行加热加压来达到固化成型,其固化过程中所采用的温度控制在150℃左右。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述,但本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,而不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可做出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:包括依次连接的机械臂底座(1)、机械关节一(2)、机械关节二(3)、连杆一(4)、机械关节三(5)、连杆二(6)、机械关节四(7)与末端执行端置(8),所述连杆一(4)与连杆二(6)均采用碳纤维材料制成,所述机械关节三(5)与机械关节四(7)的外部包裹层也采用碳纤维材料,所述连杆一(4)的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节二(3),所述连杆一(4)的另一端采用共固化方式连接于机械关节三(5),所述连杆二(6)的一端采用胶接方式通过胶接剂连接于机械关节三(5),所述连杆二(6)的另一端采用共固化方式连接于机械关节四(7)。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述连杆一(4)与连杆二(6)均采用碳纤维材料制成连杆碳纤维,其厚度为2.5mm。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述机械关节三(5)与机械关节四(7)的外部设有碳纤维包裹层,其厚度为3mm。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述胶接剂包括AB环氧胶,其主要采用128环氧树脂与901环氧树脂按1:1比例混合配制而成。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述机械关节一(2)内设有驱动装置一(21)、谐波减速机一(22)与输出轴(23),所述谐波减速机一(22)连接于驱动装置一(21),所述输出轴(23)连接于机械关节二(3)。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述机械关节二(3)内设有连接件(31)、驱动装置二(32)、自润滑轴承一(33)、耳板一(34)、L形板一(35)、谐波减速机二(36)与关节二铝合金内衬(37),所述机械关节一(2)内的输出轴(23)连接于连接件(31),所述驱动装置二(32)的一端连接于谐波减速机二(36),所述谐波减速机二(36)通过螺钉连接于L形板一(35),所述驱动装置二(32)的另一端通过自润滑轴承一(33)固定于关节二铝合金内衬(37)上,所述耳板一(34)固定于自润滑轴承一(33)的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板一(35),所述L形板一(35)通过胶接剂连接于连杆一(4)。
7.根据权利要求6所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述连杆一(4)的一端通过胶接剂连接于机械关节二(3)的L形板一(35),所述连杆一(4)的另一端通过共固化的方式连接于机械关节三(5)。
8.根据权利要求7所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述机械关节三(5)内设有关节三碳纤维层(51)、关节三铝合金内衬(52)、驱动装置三(53)、自润滑轴承二(54)、耳板二(55)、L形板二(56)与谐波减速机三(57),所述连杆一(4)通过共固化的方式连接于关节三碳纤维层(51),所述驱动装置三(53)的一端连接于谐波减速机三(57),所述谐波减速机三(57)通过螺钉连接于L形板二(56),所述驱动装置三(53)的另一端通过自润滑轴承二(54)固定于关节三铝合金内衬(52)上,所述耳板二(55)固定于自润滑轴承二(54)的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板二(56),所述L形板二(56)通过胶接剂连接于连杆二(6)。
9.根据权利要求8所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述连杆二(6)的一端通过胶接剂连接于机械关节三(5)的L形板二(56),所述连杆二(6)的另一端通过共固化的方式连接于机械关节四(7)。
10.根据权利要求9所述的一种碳纤维复合材料的轻型机械臂,其特征在于:所述机械关节四(7)内设有关节四碳纤维层(71)、关节四铝合金内衬(72)、驱动装置四(73)、自润滑轴承三(74)、耳板三(75)、L形板三(76)与谐波减速机四(77),所述连杆二(6)通过共固化的方式连接于关节四碳纤维层(71),所述驱动装置四(73)的一端连接于谐波减速机四(77),所述谐波减速机四(77)通过螺钉连接于L形板三(76),所述驱动装置四(73)的另一端通过自润滑轴承三(74)固定于关节四铝合金内衬(72)上,所述耳板三(75)固定于自润滑轴承三(74)的轴向位置,并通过螺钉连接于L形板三(76),所述L形板三(76)通过胶接剂连接于末端执行装置(8)。
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