機械臂可選材料

隨著科技的不斷進步和計算機技術的快速發(fā)展，機械臂技術越來越受到人們的普遍關注，并在眾多領域得到了廣泛應用。制作機械臂材料選擇的好壞將直接影響機械臂的剛度和強度等機械性能。因此，機械臂制作的材料選擇原則和方法以及材料的優(yōu)化配置問題顯得尤其重要-選材原則在對制作機械臂的材料選擇問題設汁人員通常主要考慮3個方面：使用要求、工藝要求和經(jīng)濟要求。根據(jù)材料的使用要求，選擇材料的一般原則有：零件尺寸取決于強度，且尺寸和重量又受到某些限制時，應選用強度較高的材料。在靜應力下工作，應力分布均勻，如拉伸、壓縮和剪切的情況下，宜選用組織均勻，屈服極限較高的材料；在變應力下工作的零件，應選用疲勞強度較高的材料。滑動摩擦力工作的零件，應選用減摩性能好的材料；在高溫下1=作的零件應選用耐熱材料；在腐蝕介質中工作的零件應選擇耐腐蝕材料。材料各種性能指標中，只取其中之一(如強度極限、疲勞極限等)作為選擇材料的依據(jù)是不合理的，由于減輕質量常是設汁機械臂的主要要求之一，故可以采用質量指標對零件進行評定，然后選擇合適的材料。二選材方法選取何種材料構成其結構本體是詳細設汁中必然要遇到的問題。一個結構件的設計需要從材質、剖面結構、構建組合形式等方面加以考慮，以便妥善解決應力、變形、質量、固有振動頻率等問題。2.1木材木材是一種非常優(yōu)秀的材料。木材相比金屬或其他螭料的質地要輕，不易彎曲，并且割斷或切削都很容易。當需要制作支柱類零部件時，使用木質材料要比使用金屬材料更便于組裝，，相對來說，木材更適合于制作輕型機械臂。由于干燥的木材不導電，因此，不會產(chǎn)生采用金屬材料時所擔心的短路現(xiàn)象。但要避免使用較軟的板條，如松木、冷杉等，這是兇為相對于重量來說它們的體積太大了。木制材料在制作機械臂時，3厘米以上的木材相對來說比較重，也比較難加工。當需要這種材料時，可以采用版畫中使用的椴木膠合板來取代。由于膠合板一般都比較薄，直接使用往往滿足不了零部件的強度要求。為此，需要先將它制作成箱體，或者通過添加金屬加固件來提高強度，這樣就可以用木材制作出既輕又結實的本體。不管怎么說，用會屬制成從一種獨特的角度來看，可以考慮使用所謂的外來木材制作，這些木材可以從木工車床加T供應商的目錄中得到。它們包括：柚木、胡桃木、花梨木等。在多層結構的機械臂中，它們可以作為分離各安裝層的堅固的支撐架。用金屬制造的機械臂似乎才給人感覺更像機械臂。的確，機械臂的外觀也很重要。但是，如果能實現(xiàn)那樣的功能，積極采片制作簡單的木材為材料，不失為一種很好的選擇。2.2塑料塑料也是一種制作機械臂的有效材料。在材料商店中，出售有很多如聚酯塑料板之類的顰料材料在廢棄的14常牛活用品中，也有很多可以用來充當機械臂的制作材料。兇此，在制作機械臂時，應該首先從身邊尋找制作材料。例如，在制作運送乒乓球之類的機械臂時，可充分利用超市中使用的發(fā)泡塑料包裝盒，或將方形的顰料飲料瓶切下一部分，利用這些材料的形狀可以制作出機械臂中裝載物品的部件。當需要選用板材時，如果強度要求不高，可以采用很容易找到的瓦楞塑料板。此外，還可以利用廢棄車船模型的零部件，通過去掉多于部分，采取與其他零部件組合等方法，或許還能使這些廢棄物煥發(fā)出新等方法，或許還能使這些廢棄物煥發(fā)出新的活力2.3金屬2.31不同金屬機械件能的差異機械臂使用的材料多用于結構制作，一般選用金屬材料。機械臂應具有足夠的強度。因此主要材料選用各種碳鋼和鋁合金。表1是鋼和銷的典型機械特性比較。表l鋼和鋁的典型機械特性在使用金屬材料制作機械臂時，若使用專業(yè)工具，加工金屬材料要比想象的簡單。材料不同，加工的難易程度可能會有所不同。一般來說，在對厚度在1mm以上的金屬進行彎折或切削時，需要使用特殊的工具，加工起來比較凼難。另外，當金屬材料比較短時，其強度很高。隨著尺寸增加，金屬材料會因自重發(fā)生彎曲，因Inj達不到預想的強度。在制作小型機械臂時，可以采用將金屬薄板兩邊卷起的方法來增加其強度，應該盡量避免使用比較厚重的金屬材料。2.3.2不同金屬截面性能的差異材料截面對構件質量和剛度有重要影響，因此通過合理選擇構件截面可以較好的滿足機械臂的使用要求，如空心圓截面、空心矩形截面和工字型截面等。若空心矩形截而是邊長a，壁厚f的正方形，空心圓截面的外圓直徑也為a，壁厚也為t，且另f=O.2口，通過計算可以得出，在相同肇厚的條件下，正方形卒心截面比空-C,L員I截面的慣性矩高69%—84%，而質量僅增加27%。壁厚越薄，則效果越明顯。若空心矩形截面和空-C,I員I截面的型材相同、截面相等，且D=a時，設空?C,I員I截面壁厚f1=0.2a，可以計算出正方形空心截面比空心圓截面的剛度提高了40%?60%。所以在機械臂的制作過程中多采用以下材料：10X10鋁合金方管；20X20方管；25X25鋁合金方管；15X15角鋁；18X25角鋁；20X30角鋁；18X20槽鋁等。在不影響機械臂性能的情況下，應選擇截面尺萬方寸盡量小的方型鋁合金管材來制作車身主體構件，而且在不影響構件的強度和剛度的前提下，可以在構件垂直方向上打通孔，以減輕材料的重量。同時，在對有些零件要求比較高的疲勞強度和韌性時，可以選用一些角鋼、鋼板、硬鋁板以及鋁合金型材等，以滿足不I司的需要。2.4復合材料復合材料豐要形式有：泡沫板、玻璃纖維、樹脂、復合碳纖維。復合材料重量很輕，雖然強度不高，但是很適用于制作模型或者用于代替木材或塑料等材料，并且該類材料在加工時只需用刀和直尺就可以進行切割。如圖2所示為泡沫板做成的外形，圖3所示為復合材料。圖2泡沫板圖3復合材料強度較高的復合材料至少有兩個缺點：價格昂貴，而且不易買到。大多時復合材料只能夠從特定的零售商和工業(yè)產(chǎn)品供應商處才能得到。2.4.1以板材為典型形式的各種層壓材料這些材料都是將木材、紙、塑料或者金屬進行壓合以提高剛度和強度，其材料特性依賴于它的組成成分的同有特性。泡沫板（如泡沫夾芯板）是一種常見的層壓復合材料，它是由兩層硬紙中I’日J夾一層彈性的泡沫塑料制成的。層壓材料還可能是由木材和金屬、材料和紙，或者任何其他的材料組合而成的。2.4.2所有使用玻璃纖維和樹脂的材料所有使用玻璃纖維和樹脂的材料，有時會在樹脂中加入金屬、紡織品或碳的填充物，以使其具有額外的強度。2.4.3所有使用碳或石墨增加強度的材料這些材料可包含其他成分。一個很好的例子是復合碳纖維，它們重量輕、彈性好而且強度非常高。3選材對比表2列出了制作機械臂時經(jīng)常要用到的原材料及這些原材料的主要特征。“實用性”是指獲得這些原材料的難易程度，雖然一些原材料非常優(yōu)異，但獲得它們卻比較困難?！皬姸鹊燃墶蹦撤N程度上依賴于實際購買的是何種材料，它們的變化可能會很大?！扒邢鳌笔侵妇_地切割這種原材料并且將其邊緣平滑化的難易程度。“穩(wěn)定性”是衡量原材料隨時間和溫度的改變，及其尺寸變化的程度。“震動”是指原材料所能承受機械臂震動的能力。

表2機器人原材料對比圖表實用性一；發(fā)本~定性震動好優(yōu)好良?優(yōu)差差傾好優(yōu)優(yōu)差差好好優(yōu)更良好尤尤良優(yōu)好優(yōu)好良?優(yōu)差差傾好優(yōu)優(yōu)差差好好優(yōu)更良好尤尤良優(yōu)次良次良tttt次極T優(yōu)妤獨良良燼好，艮好良優(yōu)好好良優(yōu)優(yōu)好好優(yōu)好