碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂及制造方法技术

本发明专利技术公开了一种碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂及制造方法，属于C形机械臂技术领域，解决了现有技术中C形机械臂的力学性能较差的问题。机械臂包括C形导轨槽和C型多肋空腔件；C形导轨槽包括多层导轨槽织物层和多层导轨槽单向层；导轨槽单向层设于C形导轨槽的槽底、相邻两层导轨槽织物层之间，导轨槽织物层内的纤维方向至少部分沿机械臂和周向和径向，导轨槽单向层内的纤维方向沿机械臂的周向。制造方法为制造C形导轨槽；在C形导轨槽内制造C形多肋空腔件的预成型体，进行共固化，C形导轨槽和C形多肋空腔件的预成型体完全固化为整体结构。该机械臂及制造方法可用于航空航天、医疗器械或工业机器人。医疗器械或工业机器人。医疗器械或工业机器人。

【技术实现步骤摘要】
碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂及制造方法


[0001]本专利技术属于C形机械臂
，尤其涉及一种碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂及制造方法。

技术介绍

[0002]传统的C形机械臂是采用铝合金制造。铝合金的密度为2.7kg/L，这个密度对于小型的机械臂是可以接受的，但是对于更大的设备可能就受限于电机功率、可移动性能、转动效率等原原因，会严重影响设备的使用。碳纤维复材的密度只有1.6～1.8kg/L，在保证相同体积和强度条件下，碳纤维的结构只有铝合金结构的30％～50％，而且刚度更高。
[0003]连续碳纤维增强复合材料制造的C形空腔管状的机械臂结构是一种具有广泛应用潜力的复材结构，广泛应用于航空航天、医疗器械、工业机器人等领域，主要代替金属材料，相比金属结构的机械臂，碳纤维复材机械臂具有重量轻、耐腐蚀、耐疲劳、低蠕变、防共振、力学性能优良等优点。尤其是机器人手臂，因为应用场景都是需要满足很高的定位精度，但是，现有技术中的C形机械臂的力学性能较差，无法满足上述要求。

技术实现思路

[0004]鉴于上述的分析，本专利技术旨在提供一种碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂及制造方法，解决了现有技术中C形机械臂的力学性能较差的问题。
[0005]本专利技术的目的主要是通过以下技术方案实现的：
[0006]本专利技术提供了一种碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂，其形状为带有缺口的环形，包括C形导轨槽以及设于C形导轨槽槽内的C型多肋空腔件；其中，C形导轨槽包括多层导轨槽织物层和多层导轨槽单向层，导轨槽单向层包括沿导轨槽单向层宽度方向依次拼接的多条导轨槽单向条，导轨槽织物层和导轨槽单向层均为碳纤维复合材料，多层导轨槽织物层层叠设置，导轨槽单向层设于C形导轨槽的槽底、相邻两层导轨槽织物层之间，导轨槽织物层内的纤维方向至少部分沿机械臂和周向和径向，导轨槽单向层内的纤维方向沿机械臂的周向。
[0007]进一步地，上述C形多肋空腔管状机械臂的圆环弧度大于或等于180
°
，相应地，C形导轨槽和C型多肋空腔件的圆环弧度均大于或等于180
°
。
[0008]进一步地，上述C形多肋空腔件包括依次连接的多个口形空腔件，口形空腔件包括多层空腔织物层和多层空腔单向层，空腔单向层包括沿空腔单向层宽度方向依次拼接的多条空腔单向条，空腔织物层和空腔单向层均为碳纤维复合材料，多层空腔织物层套叠，空腔单向层设于口形空腔件的顶面和底面、相邻两层空腔织物层之间；空腔织物层内的纤维方向纤维方向至少部分沿机械臂和周向和径向，空腔单向层内的纤维方向沿机械臂的周向。
[0009]进一步地，上述导轨槽织物层和导轨槽单向层的总数量为21～29层(例如，21层、23层、25层、27层或29层)，且C形导轨槽的内表面和外表面均为导轨槽织物层，空腔织物层和空腔单向层的总数量为13～19层(13层、15层、17层或19层)，口形空腔件的内表面和外表
面均为空腔织物层。
[0010]进一步地，导轨槽织物层和导轨槽单向层的厚度为0.15～0.25mm，例如，0.2mm；空腔织物层和空腔单向层的厚度为0.10～0.15mm，例如，0.125mm。
[0011]本专利技术还提供了一种碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂的制造方法，包括如下步骤：
[0012]步骤S1：制造C形导轨槽；
[0013]步骤S2：在C形导轨槽内制造C形多肋空腔件的预成型体，得到待成型件；对待成型件进行共固化，使得C形导轨槽和C形多肋空腔件的预成型体完全固化为整体结构，脱模修整，得到碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂。
[0014]进一步地，上述C形导轨槽的制造采用热压罐法或模压法。
[0015]进一步地，采用热压罐法制造C形导轨槽，上述步骤S1包括如下步骤：
[0016]步骤S11：提供一导轨槽芯模；
[0017]步骤S12：在导轨槽芯模的外表面依次铺设多层导轨槽织物预浸布和多层导轨槽单向预浸布，得到待成型导轨槽，其中，导轨槽单向预浸布包括沿导轨槽单向预浸布宽度方向依次拼接的多条导轨槽单向预浸条；
[0018]步骤S13：在待成型导轨槽外依次铺设脱模纸、透气毡和真空袋，抽真空后，将待成型导轨槽放入热压罐进行加压、加热和固化，其中，加压压力为0.4～0.6MPa(例如，0.5MPa)，加热温度为145～155℃(例如，150℃)，固化时间为1.5～2.5h(例如，2h)，使得导轨槽织物预浸布成型为导轨槽织物层，导轨槽单向预浸布成型为导轨槽单向层，冷却后脱去导轨槽芯模，得到C形导轨槽。
[0019]进一步地，采用模压法制造C形导轨槽，上述步骤S1包括如下步骤：
[0020]步骤S11'：提供一模压模具和膨胀硅胶；
[0021]步骤S12'：在膨胀硅胶上依铺设多层导轨槽织物预浸布和多层导轨槽单向预浸布，得到待成型导轨槽；
[0022]步骤S13'：将带成型导轨槽放入模压模具，合模，采用上压机进行加热固化，冷却后脱去模压模具和膨胀硅胶，得到C形导轨槽。
[0023]进一步地，当C形多肋空腔件包括多个口形空腔件，口形空腔件包括空腔织物层和空腔单向层时，上述步骤2包括如下步骤：
[0024]步骤S21：提供一口形预成型模；
[0025]步骤S22：在口形空腔件芯模的外表面依次铺设多层空腔织物预浸布和多层空腔单向预浸布，得到口形预成型体，其中，空腔单向预浸布包括沿空腔单向预浸布宽度方向依次拼接的多条空腔单向预浸条；
[0026]步骤S23：重复步骤S22，得到多个口形预成型体；
[0027]步骤S24：在口形预成型体内依次铺设内部真空袋、脱模纸和透气毡，在透气毡内设置口形空腔件芯模；
[0028]步骤S25：将步骤S24得到的口形预成型体置于C形导轨槽的槽底，在C形导轨槽的外部铺设外部真空袋，将外部真空袋与内部真空袋粘接，得到待成型件；
[0029]步骤S26：将待成型件放入热压罐进行加压、加热和固化，其中，加压压力为0.4～0.6MPa(例如，0.5MPa)，加热温度为115～125℃(例如，120℃)，固化时间为1.5～2.5h(例
如，2h)，使得空腔织物预浸布成型为空腔织物层，空腔单向预浸布成型为空腔单向层，C形导轨槽和C形多肋空腔件的预成型体完全固化为整体结构，脱模修整，得到碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂。
[0030]进一步地，上述导轨槽织物预浸布和空腔织物预浸布中，碳纤维材料可以为平纹布、斜纹布、缎纹布或经编布，其模量为230GPa～600GPa，强度为3.5GPa～7GPa；树脂材料可以为热固性树脂(例如，环氧、乙烯基、氰酸酯或酚醛树脂)或热塑性树脂(例如，聚丙烯、聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙、聚甲醛或聚醚酮类)。
[0031]进一步地，上述导轨槽单向预浸布和空腔单向预浸布中，碳纤维材料为单向布，其模量为230GPa～600GPa，强度为3.5GPa本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂，其特征在于，包括C形导轨槽以及设于C形导轨槽槽内的C型多肋空腔件；所述C形导轨槽包括多层导轨槽织物层和多层导轨槽单向层；导轨槽织物层层叠设置，所述导轨槽单向层设于C形导轨槽的槽底、相邻两层导轨槽织物层之间，所述导轨槽织物层内的纤维方向至少部分沿机械臂周向和径向，所述导轨槽单向层内的纤维方向沿机械臂的周向。2.根据权利要求1所述的碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂，其特征在于，所述C形多肋空腔件包括依次连接的多个口形空腔件，所述口形空腔件包括多层空腔织物层和多层空腔单向层；空腔织物层套叠，所述空腔单向层设于口形空腔件的顶面和底面、相邻两层空腔织物层之间；所述空腔织物层内的纤维方向至少部分沿机械臂和周向和径向，所述空腔单向层内的纤维方向沿机械臂的周向。3.一种碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂的制造方法，其特征在于，用于制造如权利要求1和2任一项所述的碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂，所述制造方法包括如下步骤：步骤S1：制造C形导轨槽；步骤S2：在C形导轨槽内制造C形多肋空腔件的预成型体，得到待成型件；对待成型件进行共固化，使得C形导轨槽和C形多肋空腔件的预成型体完全固化为整体结构，脱模，得到碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂。4.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂的制造方法，其特征在于，采用热压罐法制造C形导轨槽，所述步骤S1包括如下步骤：步骤S11：提供一导轨槽芯模；步骤S12：在导轨槽芯模的外表面依次铺设多层导轨槽织物预浸布和多层导轨槽单向预浸布，得到待成型导轨槽；步骤S13：在待成型导轨槽外依次铺设脱模纸、透气毡和真空袋，抽真空后，将待成型导轨槽放入热压罐进行加压、加热和固化，使得导轨槽织物预浸布成型为导轨槽织物层，导轨槽单向预浸布成型为导轨槽单向层，冷却后脱去导轨槽芯模，得到C形导轨槽。5.根据权利要求3所述的碳纤维复合材料的C形多肋空腔管状机械臂的制造方法，其特征在于，采用模压法制造C形导轨槽，所述步骤S1包括如下步骤：步骤S11'：提供一模压模具和膨胀硅胶；步骤S12'：在膨胀硅胶上依铺设多层导轨槽织物预浸布和多层导轨槽单向预浸布，得到待成型导轨槽；步骤S13'：将带成型导轨槽放入模压模具，合模，采用上...

【专利技术属性】
技术研发人员：张辰威，吕通，毕向军，
申请(专利权)人：航天特种材料及工艺技术研究所，
类型：发明
国别省市：