A aplicação de materiais de liga de magnésio em robôs leves

1. O desenvolvimento e o status do aplicativo de robôs

À medida que o desenvolvimento de robôs continua a amadurecer, a aplicação de robôs se expandiu dos primeiros campos industriais para medicina e saúde, serviços de vida, exploração espacial e oceânica, militar e entretenimento, etc. A robótica não apenas empurrará a indústria de manufatura para um novo estágio, mas também dará início ao rápido desenvolvimento da tecnologia de automação de não fabricação.

Atualmente, os Estados Unidos, Japão, Europa, Coréia do Sul e outras potências industriais apresentam avanços na tecnologia de robótica e promovem o desenvolvimento da indústria de robótica em uma posição estratégica importante no desenvolvimento da ciência e tecnologia em todos os países. Em "Made in China 2025", a China também considera "máquinas-ferramentas CNC e robôs de ponta" como uma das 10 principais áreas de desenvolvimento e propõe "enfocar robôs industriais, especialidades, como automóveis, maquinários, eletrônicos, mercadorias perigosas manufatura, defesa nacional, militar, química e indústrias leves. 

As necessidades de aplicação de robôs, bem como de robôs de serviço, como médicos e de saúde, serviços domésticos, educação e entretenimento, pesquisam ativamente e desenvolvem novos produtos, além de promover a padronização e o desenvolvimento modular de robôs. ”O“ Nacional de Médio e Longo Prazo Resumo do Programa de Desenvolvimento de Ciência e Tecnologia (2006-2020) "também considera claramente os robôs de serviço como uma prioridade estratégica de alta tecnologia para desenvolvimento futuro e propõe" enfocar os requisitos de aplicação do robô de serviço, métodos de projeto de pesquisa, processos de fabricação e controle inteligente. Tecnologias básicas comuns, como integração com sistemas de aplicação "[5]. 

Atualmente, a densidade média dos robôs industriais usados ​​na indústria de manufatura mundial é de 55 unidades por 10,000 funcionários, enquanto a densidade dos robôs industriais na China é de apenas 36 unidades por 10,000 funcionários. Em vista do contexto acima, a "substituição por máquina" tornou-se a tendência geral. Em Guangzhou, o representante da indústria de manufatura no Delta do Rio das Pérolas, o governo propôs que até 2020, mais de 80% das empresas de manufatura na cidade deveriam usar robôs industriais e equipamentos inteligentes.

Além de ser amplamente utilizado em processos como estampagem, soldagem e linhas de montagem automatizadas na indústria de manufatura, os robôs também podem ser usados ​​para substituir tarefas manuais tradicionais, como retificação, soldagem complexa e polimento. A Apple usa dois robôs eletrônicos KUKA para polir a aparência do Mac Pro duas vezes para produzir uma superfície semelhante a um espelho. 

Após a conclusão do polimento externo, o robô também polirá o interior da carcaça do Mac Pro, conforme mostrado na Figura 1. Os robôs de soldagem têm desempenhado um papel extremamente importante na produção de soldagem de casco eficiente e de alta qualidade e estão gradualmente se transformando em automação . A Coreia do Sul adotou um robô de soldagem de navio móvel baseado em PDA, Rail Runner, que pode entrar na estrutura fechada de um navio de casco duplo que precisa ser soldado e trabalhar no ambiente de soldagem hostil de gás tóxico e alta temperatura, em vez de manual soldagem automática. 

A PTJ é uma empresa abrangente de alta tecnologia que conta com o conhecimento técnico da Academia Chinesa de Ciências e se concentra na otimização, fabricação e vendas internas e externas de projetos de peças de robôs inteligentes. A equipe da empresa foi estabelecida em 2010 e há muito tempo está comprometida com o processamento de peças de metal e plástico de alta precisão, alta dificuldade e facilmente deformáveis, e com a produção e fabricação de ligas leves e materiais compostos de pequeno e médio porte (como como peças de liga de magnésio-lítio, liga de magnésio-alumínio, fibra de carbono, etc.). E serviços de aquisição e personalização de peças de robô.

A aplicação de robôs em indústrias não-manufatureiras também está se tornando cada vez mais diversa. A Amazon equipou mais de 15,000 robôs com rodas Kiva em seu centro de distribuição para realizar a automação de depósitos, conforme mostrado na Figura 3. Esses robôs se movem rápida e silenciosamente. Depois de receber instruções digitais transmitidas sem fio pelo computador central, eles escaneiam as etiquetas de código de barras no chão para percorrer, deslizar sob as prateleiras e, em seguida, enviá-las aos catadores. O robô subaquático R2D4 desenvolvido pelo Japão tem uma profundidade máxima de mergulho de 4000m, pode coletar dados de forma autônoma e pode ser usado para vulcões submarinos, naufrágios e depósitos minerais. 

As séries CR-01 e CR-02 de robôs subaquáticos pré-programados e controlados, em cooperação com a Rússia pelo Shenyang Institute of Automation, Chinese Academy of Sciences, têm uma profundidade máxima de mergulho de 6000m e concluíram o levantamento do Oceano Pacífico . Em termos de robôs espaciais, o Robonauta, um robô desenvolvido pela NASA nos Estados Unidos, vai substituir os astronautas no trabalho extraveicular, e sua velocidade de resposta é mais rápida que a dos humanos, adaptando-se a emergências imprevistas.

Atualmente, a China entrou em uma sociedade em envelhecimento, e os problemas de assistência médica, reabilitação e assistência aos deficientes causados ​​pelo envelhecimento da população também trouxeram enormes pressões econômicas e de recursos para toda a sociedade. Os robôs cirúrgicos representados pelos robôs da Vinci representam o mais alto nível dos robôs médicos atuais e também mostram as amplas perspectivas de aplicação dos robôs médicos. 

Robôs de exoesqueleto também mostraram suas vantagens em ajudar idosos e deficientes a andar. Potencial de aplicação. Em termos de robôs médicos, muitos hospitais, como o Southwest Hospital em meu país, usam robôs de endoscopia por cápsula em vez dos gastroscópios tradicionais para exames gastrointestinais. O robô tem apenas o tamanho de uma cápsula. Após o paciente ser levado pela via oral, o médico pode observar o interior do trato digestivo 360 ° através da tela do visor, e o exame pode ser concluído em cerca de 15 minutos, o que não só deixa o paciente mais confortável, mas a cápsula descartável também evita infecção cruzada e é mais higiênica e segura. . 

Em termos de robôs para idosos, o Robot Suit HAL, um robô exoesqueleto da Cyberdyne do Japão, pode ajudar pacientes com dificuldades de locomoção a obterem reabilitação e também é adequado para auxiliar os idosos a caminhar. O robô pode ajudar o usuário a ficar em pé, caminhar, agarrar e levantar objetos pesados, etc. A ação e o tempo de trabalho contínuo podem chegar a 280min.

2. Materiais de robôs e suas tendências leves

Atualmente, vários tipos de materiais metálicos são a primeira escolha de materiais para várias peças estruturais do robô, como ferro fundido, aço de liga, aço inoxidável, liga de alumínio e liga de titânio. A primeira consideração no projeto e uso de robôs profissionais representados por robôs industriais tradicionais é que eles precisam ter resistência suficiente. Portanto, a maioria de suas peças estruturais são feitas de vários tipos de ferro fundido, ligas de aço e outros materiais, e algumas peças são feitas de liga de alumínio e materiais compostos. Esperar.

Levando em consideração os altos requisitos do robô de detecção e resgate para reduzir seu próprio peso, movimento rápido e estável, etc., após a substituição do aço 45 # por matriz de resina termoplástica reforçada com fibra natural de linho ou material composto de resina termofixa para fazer o principal No corpo do robô de detecção, a massa do corpo principal é reduzida para 45 kg, que é 190.5 kg a menos do que a massa do carro original, e a taxa de redução de peso chega a 80.9%. Os robôs de serviço doméstico têm requisitos ligeiramente mais baixos de resistência do material, mas têm mais requisitos de peso ou portabilidade do robô. Portanto, a estrutura básica dos robôs de serviço usa principalmente materiais de liga de alumínio. Por exemplo, a estrutura do braço de um robô de serviço para idosos é feita de liga de alumínio 7075. 

O design leve do braço é realizado otimizando a estrutura e seus requisitos de desempenho são garantidos. Como representantes de robôs com deficiência, os robôs de exoesqueleto têm requisitos mais elevados para redução de peso e portabilidade. Por exemplo, o robô de exoesqueleto EKSO (Figura 5) usa alumínio e liga de titânio como sua estrutura mecânica, e seu peso total é de apenas cerca de 23 kg. O robô autônomo de membros inferiores com exoesqueleto PRMI, da Universidade de Ciência e Tecnologia Eletrônica do meu país, também é feito de liga de alumínio.

Em suma, a fim de atender às necessidades de operação mais leve, de alta eficiência e conveniente de robôs, robôs leves são a tendência de desenvolvimento futuro. Além do design estrutural leve, os materiais leves são mais importantes. Comparado com a estrutura leve, o material leve faz com que o robô tenha um maior potencial de redução de peso e uma gama mais ampla de aplicações.

3. As vantagens da aplicação de materiais leves de magnésio em robôs

Os materiais de metal que o robô pode escolher incluem principalmente aço, liga de alumínio, liga de magnésio, liga de titânio, etc. Como a densidade dos materiais de aço é tão alta quanto 7.8g / cm3, embora um pequeno número de partes móveis do robô use titânio materiais de liga (4.5g / cm3) ou materiais de liga de alumínio (2.7g / cm3) em vez de materiais de aço, a densidade das ligas de titânio ainda é relativamente alta. Alta e cara, a densidade da liga de alumínio também é maior do que a da liga de magnésio.

Como o material estrutural de metal mais leve, o magnésio ou a liga de magnésio têm uma densidade de 2/3 da do alumínio, que é menos de 1/4 da do aço. Para compósitos de policarbonato contendo 30% de fibra de vidro, a densidade do magnésio não excede seus 10%. Além disso, as reservas de recursos de ferro e alumínio do meu país representam apenas 18.7% e 2.3% das proporções mundiais, mas os recursos de minério de magnésio do meu país são os mais ricos do mundo, e a aplicação de materiais de magnésio tem vantagens de recursos únicas. Portanto, os materiais de magnésio e ligas de magnésio têm vantagens significativas na redução de peso, melhorando a capacidade de manobra do robô e a resistência devido ao seu peso leve e alta resistência específica. Eles são um dos materiais mais ideais para a fabricação de robôs.

A leveza dos materiais do robô pode melhorar muito sua manobrabilidade e aumentar sua eficiência de trabalho, destacando as vantagens dos robôs em reduzir a inércia do movimento, melhorando a velocidade de operação e a precisão do movimento. O ASIMO de terceira geração (Figura 6) da Honda Company do Japão é feito de liga leve e sua carcaça é feita de liga de magnésio. Isso reduz muito o peso próprio do robô e sua velocidade de caminhada é aumentada de 1.6 km / h para 2.5. km / h, a velocidade máxima de corrida atingiu 3km / h.

Embora os materiais de liga de magnésio tenham sido inicialmente aplicados em robôs, um dos gargalos importantes que restringem a aplicação de materiais de liga de magnésio no campo de peças de robôs ainda é que a resistência e tenacidade dos graus existentes de ligas de magnésio são menores do que os de aço e alumínio ligas. Ainda há uma lacuna nos requisitos de desempenho dos materiais do robô e é impossível substituir completamente o aço, liga de alumínio e outros materiais. Portanto, o desenvolvimento de ligas de magnésio de alto desempenho e suas tecnologias de formação e processamento para a fabricação de peças de robôs é de grande importância para reduzir a qualidade das peças móveis do robô, melhorar a precisão do movimento e obter economia de energia.

Em outubro de 2015, a Universidade de Tecnologia de Pequim lançou o "Programa de Avanço da Pesquisa Científica - Robôs Inteligentes" em resposta ao status atual da pesquisa e às perspectivas de desenvolvimento no campo da robótica. Além das principais tecnologias-chave comuns, componentes-chave, P&D de máquinas completas e aplicações integradas de robôs inteligentes, o programa se concentra na pesquisa. Uma característica notável é que ele destaca os “materiais leves para robôs” representados pelos materiais em liga de magnésio. pesquisa de tecnologia chave ". 

O "grande plano de avanço de pesquisa" depende da equipe de P&D e das vantagens da plataforma de P&D da Escola de Ciência e Tecnologia de Materiais da Universidade de Tecnologia de Pequim no campo de materiais leves de liga de magnésio por mais de dez anos, e usa magnésio de alto desempenho como como Mg-Zn-Er, Mg-Gd-Er-Zr, etc. Com base nos resultados da pesquisa de design de materiais de liga, controle de estrutura fina, mecanismo de formação de plástico, etc., visando às necessidades de robôs médicos de alto valor agregado e robôs domésticos em termos de peso leve de material e desenvolvimento de novos materiais de liga de magnésio de alta resistência e alta tenacidade como o objetivo de desenvolver peças de liga de magnésio de alto desempenho usadas em robôs de serviço doméstico, como médicos / limpeza, etc., com foco no peso leve de tais braços de robô e outras partes móveis e, gradualmente, perceber a redução de peso geral de robôs de serviço doméstico.

No contexto da indústria de manufatura do meu país que enfrenta a modernização industrial e a transformação da sociedade em envelhecimento, nas próximas dez ou mesmo décadas, a demanda por robôs industriais tradicionais e novos robôs de serviço doméstico continuará a crescer, e o potencial de aplicação de robôs no mercado é muito significativo. A aplicação de materiais de liga leve representados por ligas de magnésio em robôs tem as vantagens de melhorar significativamente a manobrabilidade dos robôs, reduzindo o consumo de energia e aumentando o tempo de espera. É uma das direções importantes de pesquisa e desenvolvimento de robôs.

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