Какой лучший материал для аппаратного обеспечения роботов? - Конструктивные детали

Вопрос о «лучшем» материале для конструктивных компонентов роботов сложен, поскольку оптимальный выбор никогда не бывает одним материалом, а скорее тщательным балансом между требованиями к производительности, ограничениями по весу, стоимостью и технологичностью. В отличие от статических конструкций, роботы — это динамические системы, где каждый грамм веса и каждая миллисекунда движения имеют решающее значение. Конструктивные детали — шасси, рамы, рычаги и соединения — должны быть жесткими для поддержания точности позиционирования, прочными для выдерживания рабочих нагрузок и часто легкими для максимальной скорости и энергоэффективности.

В этом руководстве рассматриваются ведущие претенденты на аппаратное обеспечение для робототехнических конструкций, анализируются плюсы и минусы металлов, полимеров и композитов, что позволяет конструктору принять обоснованное решение, основанное на конкретном применении робота.

Металлические претенденты: прочность, долговечность и точность

Металлы остаются основой высокопроизводительной и промышленной робототехники благодаря своей превосходной жесткости и соотношению прочности к весу по сравнению со многими полимерами.

1. Алюминиевые сплавы (6061-T6 и 7075-T6)

Алюминий, возможно, является самым распространенным и универсальным материалом в современной робототехнике. Его доминирование обусловлено замечательным сочетанием свойств.

• Плюсы:

  • Отличное соотношение прочности к весу:Он обладает высокой прочностью, будучи при этом относительно легким, что имеет решающее значение для снижения инерции в движущихся частях, таких как роботизированные манипуляторы.

  • Обрабатываемость:Алюминиевые сплавы, особенно популярный сорт 6061-T6, легко обрабатываются с использованием процессов ЧПУ, что позволяет создавать сложные конструкции и обеспечивать высокую точность допусков, необходимых для роботизированных соединений.

  • Коррозионная стойкость:Естественным образом образует оксидный слой, защищающий от коррозии.

  • Экономичность:Он значительно дешевле и более распространен, чем такие материалы, как титан.

• Минусы:

  • Более низкая жесткость (по сравнению со сталью):Несмотря на легкость, алюминий менее жесткий, чем сталь, а это означает, что для больших деталей могут потребоваться более толстые сечения, чтобы предотвратить нежелательное прогибание под нагрузкой.

  • Свариваемость:Некоторые высокопрочные сплавы (например, 7075) могут быть сложными для эффективной сварки.

Сплав 6061-T6 является рабочей лошадкой робототехники для рам и кронштейнов общего назначения, в то время как гораздо более прочный сплав 7075-T6 предназначен для высоконагруженных применений, где снижение веса имеет первостепенное значение, например, для соединений и конечных эффекторов.

2. Сталь (легированные стали и нержавеющая сталь)

Для применений, требующих максимальной жесткости и несущей способности, сталь остается лучшим выбором, несмотря на ее плотность.

• Плюсы:

  • Высокая жесткость (модуль Юнга):Сталь значительно жестче алюминия, что делает ее идеальной для базовой рамы и неподвижных опорных конструкций больших промышленных роботов, где общий вес менее важен, чем устойчивость.

  • Исключительная прочность и долговечность:Она может выдерживать огромные статические и динамические нагрузки без деформации.

  • Устойчивость к усталости:Отлично подходит для деталей, подверженных повторяющимся циклам напряжения.

• Минусы:

  • Высокая плотность:Сталь примерно в три раза тяжелее алюминия, что приводит к большей инерции и более высоким требованиям к мощности для движения.

  • Коррозия:Требует нанесения покрытия или покрытия, если не используются марки нержавеющей стали, которые дороже.

Сталь часто используется в основной раме сварочных или сборочных роботов тяжелого режима работы, где приоритетом является виброгашение и чистая прочность.

3. Титановые сплавы

Титановые сплавы — лучший выбор для робототехники аэрокосмического класса или чрезвычайно специализированных применений, где стоимость вторична по отношению к производительности.

• Плюсы:

  • Наивысшее соотношение прочности к весу:Он такой же прочный, как некоторые стали, но почти на 40% легче, что делает его идеальным материалом для высокопроизводительных, мобильных или шагающих роботов, где экономия веса в конечностях напрямую приводит к огромному увеличению энергоэффективности.

  • Отличная коррозионная стойкость:Естественно устойчив практически ко всем агрессивным средам.

  • Высокая термостойкость:Подходит для роботов, работающих в экстремальных тепловых условиях.

• Минусы:

  • Высокая стоимость:Безусловно, самый дорогой из металлических вариантов.

  • Сложная обработка:Требует специализированного инструмента и низкой скорости обработки, что увеличивает производственные затраты.

Революция полимеров и композитов: легкость и экономичность

В небольших, непромышленных, образовательных и сервисных роботах полимеры и армированные волокном композиты предлагают преимущества в стоимости, весе и простоте изготовления на заказ.

1. Инженерные пластмассы (PEEK, нейлон, ABS)

Высокоэффективные пластмассы все чаще используются, особенно в деталях, которые не несут основных конструктивных нагрузок.

• Плюсы:

  • Низкая стоимость и быстрое изготовление:Подходит для литья под давлением и 3D-печати (аддитивное производство), что приводит к быстрому, дешевому прототипированию и крупносерийному производству.

  • Электроизоляция:В отличие от металлов, полимеры по своей природе являются изоляторами, что выгодно вблизи электрических компонентов.

  • Низкое трение:Материалы, такие как нейлон, часто используются во внутренней зубчатой передаче и поверхностях подшипников из-за их самосмазывающихся свойств.

• Минусы:

  • Низкая жесткость и прочность:Они значительно менее жесткие и прочные, чем металлы, что приводит к гораздо большим размерам сечений для поддержания жесткости, или они ограничены применением с низкой нагрузкой.

  • Ползучесть:Пластмассы могут медленно деформироваться под длительным механическим напряжением с течением времени, явление, известное как ползучесть.

2. Композиты, армированные углеродным волокном (CFRP)

Углеродные волоконные композиты представляют собой вершину современной науки о конструкционных материалах для легкой робототехники.

• Плюсы:

  • Чрезвычайное соотношение жесткости к весу:CFRP предлагает жесткость и прочность, не имеющие аналогов ни у одного другого материала на единицу веса. Это делает его идеальным для длинных, быстро движущихся роботизированных манипуляторов, где требуется минимальный прогиб и высокая собственная частота.

  • Настраиваемая анизотропия:Конструктор может ориентировать углеродные волокна, чтобы обеспечить максимальную прочность и жесткость именно там, где это необходимо в детали.

  • Низкий коэффициент теплового расширения:Отличная стабильность размеров при различных температурах.

• Минусы:

  • Высокая стоимость и сложность:Требует специализированных производственных процессов (укладка, отверждение, автоклав) и квалифицированного труда, что делает его дорогим для единичных или сложных форм.

  • Устойчивость к повреждениям:Может выйти из строя катастрофически, когда нагрузки прикладываются перпендикулярно направлению волокон.

Делаем оптимальный выбор: применение диктует материал

Выбор лучшего материала полностью зависит от предполагаемой функции робота:

1. Промышленная робототехника (большая нагрузка, повторяющаяся задача): Сталь для основания и основных колонн; Алюминий (6061) для манипуляторов и корпуса. Приоритетом является жесткость и экономичная прочность.

2. Аэрокосмическая/высокопроизводительная мобильная робототехника (критичный вес): Углеродные волоконные композиты для самых длинных конечностей; Алюминий 7075 или титан для прецизионной фурнитуры соединений. Приоритетом является минимальная инерция и максимальная энергоэффективность.

3. Сервисная/образовательная робототехника (низкая нагрузка, низкая стоимость): ABS или нейлон для шасси и некритических соединений; Алюминий (6061) для любых высоконагруженных соединений или точек крепления. Приоритетом является стоимость и простота изготовления.

В конечном счете, лучшее аппаратное обеспечение для роботов редко изготавливается из одного материала. Оптимальная конструкция представляет собой гибридную структуру, использующую огромную прочность и жесткость стали в основании, легкий вес и обрабатываемость алюминия в движущихся частях среднего диапазона и исключительную жесткость углеродного волокна во внешних сегментах для достижения максимально быстрого, точного и энергоэффективного движения, возможного для данного применения.