Die Anwendung von Magnesiumlegierungsmaterialien in Leichtbaurobotern

1. Entwicklungs- und Anwendungsstand von Robotern

Mit fortschreitender Entwicklung von Robotern hat sich die Anwendung von Robotern von den frühesten industriellen Bereichen auf Medizin und Gesundheit, Lebensdienstleistungen, Weltraum- und Meeresforschung, Militär und Unterhaltung usw. ausgeweitet. Die Robotik wird nicht nur die Fertigungsindustrie in ein neues Stufe, sondern wird auch die rasante Entwicklung der nicht-produzierenden Automatisierungstechnik einleiten.

Gegenwärtig haben die Vereinigten Staaten, Japan, Europa, Südkorea und andere Industriemächte Durchbrüche in der Robotiktechnologie und fördern die Entwicklung der Robotikindustrie in einer wichtigen strategischen Position in der Entwicklung von Wissenschaft und Technologie in allen Ländern. In "Made in China 2025" betrachtet China auch "High-End-CNC-Werkzeugmaschinen und -Roboter" als einen der 10 wichtigsten Entwicklungsbereiche und schlägt "Schwerpunkt auf Industrieroboter, Spezialitäten wie Automobile, Maschinen, Elektronik, Gefahrgut" vor Fertigung, Landesverteidigung, Militär, Chemie und Leichtindustrie. 

Die Anwendungsbedürfnisse von Robotern sowie Servicerobotern wie Medizin und Gesundheit, Heimdienste, Bildung und Unterhaltung, forschen und entwickeln aktiv neue Produkte und fördern die Standardisierung und modulare Entwicklung von Robotern Science and Technology Development Program Outline (2006-2020)" sieht Serviceroboter ebenfalls klar als strategische Hightech-Priorität für die zukünftige Entwicklung und schlägt vor, "die Konzentration auf die Anwendungsanforderungen von Servicerobotern, Forschungsdesignmethoden, Herstellungsverfahren und intelligente Steuerung zu konzentrieren. Gängige Basistechnologien wie die Integration mit Anwendungssystemen“ [5]. 

Derzeit beträgt die durchschnittliche Dichte der in der Fertigungsindustrie der Welt eingesetzten Industrieroboter 55 Einheiten pro 10,000 Mitarbeiter, während die Dichte der Industrieroboter in China nur 36 Einheiten pro 10,000 Mitarbeiter beträgt. Vor dem obigen Hintergrund ist die "Maschinensubstitution" zum allgemeinen Trend geworden. In Guangzhou, dem Vertreter der verarbeitenden Industrie im Perlflussdelta, hat die Regierung vorgeschlagen, dass bis 2020 mehr als 80 % der produzierenden Unternehmen der Stadt Industrieroboter und intelligente Geräte einsetzen sollen.

Neben der weit verbreiteten Verwendung in Prozessen wie z Stempeln, Schweißen und automatisierten Montagelinien in der Fertigungsindustrie können Roboter auch traditionelle manuelle Tätigkeiten wie Schleifen, komplexes Schweißen und Polieren ersetzen. Apple verwendet zwei elektronische Roboter von KUKA, um das Aussehen des Mac Pro zweimal zu polieren, um eine spiegelähnliche Oberfläche zu erzeugen. 

Nachdem das äußere Polieren abgeschlossen ist, poliert der Roboter auch das Innere der Mac Pro-Schale, wie in Abbildung 1 gezeigt . Südkorea hat einen PDA-basierten mobilen Schiffsschweißroboter Rail Runner eingeführt, der in die geschlossene Struktur eines zu schweißenden Doppelhüllenschiffs eindringen und in der rauen Schweißumgebung mit giftigen Gasen und hohen Temperaturen statt manuell arbeiten kann automatisches Schweißen. 

PTJ ist ein umfassendes Hightech-Unternehmen, das auf dem technischen Hintergrund der Chinesischen Akademie der Wissenschaften basiert und sich auf die Optimierung des Designs intelligenter Roboterteile, die Fertigung sowie den In- und Auslandsvertrieb konzentriert. Das 2010 gegründete Firmenteam beschäftigt sich seit langem mit der Bearbeitung von hochpräzisen, schwer verformbaren und leicht verformbaren Metall- und Kunststoffteilen sowie der mittelständischen Produktion und Herstellung von Leichtmetall- und Verbundwerkstoffen (z B. Magnesium-Lithium-Legierung, Magnesium-Aluminium-Legierung, Kohlefaser usw.) Teile. Und Roboterteilebeschaffung und kundenspezifische Dienstleistungen.

Auch der Einsatz von Robotern in nicht-produzierenden Industrien wird immer vielfältiger. Amazon hat in seinem Distributionszentrum mehr als 15,000 Kiva-Roboter auf Rädern ausgestattet, um die Lagerautomatisierung zu realisieren, wie in Abbildung 3 gezeigt. Diese Roboter bewegen sich schnell und leise. Nachdem sie digitale Anweisungen empfangen haben, die drahtlos vom Zentralcomputer übertragen werden, scannen sie die Barcode-Etiketten am Boden, um durchzugehen, unter die Regale zu schieben und sie dann an die Kommissionierer zu senden. Der von Japan entwickelte Unterwasserroboter R2D4 hat eine maximale Tauchtiefe von 4000m, kann autonom Daten sammeln und kann für unterseeische Vulkane, Schiffswracks und Mineralvorkommen eingesetzt werden. 

Die CR-01- und CR-02-Serie vorprogrammierter und gesteuerter Unterwasserroboter, die vom Shenyang Institute of Automation der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit Russland zusammenarbeiten, haben eine maximale Tauchtiefe von 6000 m und haben die Vermessung des Pazifischen Ozeans abgeschlossen . In Bezug auf Weltraumroboter wird Robonaut, ein von der NASA in den Vereinigten Staaten entwickelter Roboter, Astronauten bei der Arbeit außerhalb des Fahrzeugs ersetzen, und seine Reaktionsgeschwindigkeit ist schneller als die von Menschen und passt sich an unvorhergesehene Notfälle an.

Gegenwärtig ist China in eine alternde Gesellschaft eingetreten, und die durch die alternde Bevölkerungsstruktur verursachten Probleme der medizinischen Versorgung, Rehabilitation und Hilfe für Behinderte haben auch einen enormen wirtschaftlichen und Ressourcendruck auf die gesamte Gesellschaft gebracht. Operationsroboter, die von da Vinci-Robotern repräsentiert werden, stellen das höchste Niveau aktueller Medizinroboter dar und zeigen auch die breiten Anwendungsperspektiven von Medizinrobotern. 

Exoskelett-Roboter haben ihre Vorteile auch bei der Unterstützung älterer und behinderter Menschen beim Gehen gezeigt. Anwendungspotenzial. In Bezug auf medizinische Roboter verwenden viele Krankenhäuser wie das Southwest Hospital in meinem Land Kapselendoskopie-Roboter anstelle von herkömmlichen Gastroskopen für Magen-Darm-Untersuchungen. Der Roboter hat nur die Größe einer Kapsel. Nachdem der Patient oral eingenommen wurde, kann der Arzt das Innere des Verdauungstraktes 360° durch den Bildschirm beobachten und die Untersuchung kann in etwa 15 Minuten abgeschlossen sein, was nicht nur den Patienten angenehmer macht, sondern die Einwegkapsel auch verhindert Kreuzinfektion und ist hygienischer und sicherer. . 

In Bezug auf Roboter für ältere Menschen kann der Robot Suit HAL, ein Exoskelett-Roboter von Cyberdyne aus Japan, Patienten mit Gehschwierigkeiten bei der Rehabilitation unterstützen und eignet sich auch zur Unterstützung älterer Menschen beim Gehen. Der Roboter kann dem Träger helfen, das Stehen, Gehen, Greifen und Heben schwerer Gegenstände usw. abzuschließen. Die Aktion und die kontinuierliche Arbeitszeit können 280 Minuten erreichen.

2. Robotermaterialien und ihre Leichtbautrends

Gegenwärtig sind verschiedene Qualitäten von Metallwerkstoffen die erste Wahl von Materialien für verschiedene Roboterstrukturteile, wie Gusseisen, legierter Stahl, Edelstahl, Aluminiumlegierung und Titanlegierung. Die erste Überlegung bei der Konstruktion und Verwendung von professionellen Robotern, die von traditionellen Industrierobotern repräsentiert werden, ist, dass sie über eine ausreichende Festigkeit verfügen müssen. Daher bestehen die meisten ihrer Strukturteile aus verschiedenen Arten von Gusseisen, legiertem Stahl und anderen Materialien, und einige Teile bestehen aus Aluminiumlegierungen und Verbundwerkstoffen. Warten.

Unter Berücksichtigung der hohen Anforderungen des Erkennungs- und Rettungsroboters zur Reduzierung seines Eigengewichts, einer schnellen und stabilen Bewegung usw Körper des Erkennungsroboters wird die Masse des Hauptkörpers auf 45 kg reduziert, was 45 kg weniger als die ursprüngliche Karosseriemasse ist, und die Gewichtsreduzierungsrate beträgt bis zu 190.5 %. Home-Service-Roboter haben etwas geringere Anforderungen an die Materialfestigkeit, aber höhere Anforderungen an das Robotergewicht oder die Tragbarkeit. Daher verwendet die Grundstruktur von Servicerobotern meist Aluminiumlegierungsmaterialien. Beispielsweise besteht die Armstruktur eines Serviceroboters für Senioren aus einer 80.9er Aluminiumlegierung. 

Die Leichtbauweise des Arms wird durch die Optimierung der Struktur realisiert und seine Leistungsanforderungen werden garantiert. Als Vertreter behinderter Roboter stellen Exoskelettroboter höhere Anforderungen an Gewichtsreduzierung und Tragbarkeit. Der Exoskelett-Roboter EKSO (Abbildung 5) verwendet beispielsweise eine Aluminium- und Titanlegierung als mechanische Struktur, und sein Gesamtgewicht beträgt nur etwa 23 kg. Der autonome gewichtsreduzierende Exoskelettroboter PRMI der University of Electronic Science and Technology meines Landes besteht ebenfalls aus einer Aluminiumlegierung.

Kurzum, um den Anforderungen nach leichter, hocheffizienter und komfortabler Bedienung von Robotern gerecht zu werden, sind Leichtbauroboter der zukünftige Entwicklungstrend. Neben dem Strukturleichtbau sind Leichtbauwerkstoffe wichtiger. Im Vergleich zur Leichtbaustruktur bietet der Leichtbauwerkstoff dem Roboter ein größeres Potenzial zur Gewichtsreduzierung und ein breiteres Anwendungsspektrum.

3.Die Anwendungsvorteile von leichten Magnesiummaterialien auf Robotern

Zu den Metallmaterialien, die der Roboter auswählen kann, gehören hauptsächlich Stahl, Aluminiumlegierung, Magnesiumlegierung, Titanlegierung usw. Da die Dichte von Stahlmaterialien bis zu 7.8 g / cm3 beträgt, verwenden nur wenige bewegliche Teile des Roboters Titan Legierungswerkstoffe (4.5g/cm3) oder Aluminiumlegierungswerkstoffe (2.7g/cm3) anstelle von Stahlwerkstoffen ist die Dichte von Titanlegierungen noch relativ hoch. Die Dichte der Aluminiumlegierung ist hoch und teuer und auch höher als die der Magnesiumlegierung.

Als leichtestes metallisches Konstruktionsmaterial hat Magnesium oder eine Magnesiumlegierung eine Dichte von 2/3 der von Aluminium, die weniger als 1/4 der von Stahl beträgt. Bei Polycarbonat-Verbundwerkstoffen mit 30 % Glasfasern überschreitet die Dichte von Magnesium seine 10 % nicht. Darüber hinaus machen die Eisen- und Aluminiumressourcen meines Landes nur 18.7 % und 2.3 % des Weltanteils aus, aber die Magnesiumerzressourcen meines Landes sind die reichsten der Welt, und die Verwendung von Magnesiummaterialien hat einzigartige Ressourcenvorteile. Daher haben Magnesium- und Magnesiumlegierungsmaterialien aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen spezifischen Festigkeit erhebliche Vorteile bei der Gewichtsreduzierung, der Verbesserung der Manövrierfähigkeit des Roboters und der Ausdauer. Sie sind eines der idealsten Materialien für die Herstellung von Robotern.

Das geringe Gewicht von Robotermaterialien kann seine Manövrierfähigkeit erheblich verbessern und seine Arbeitseffizienz steigern, was die Vorteile von Robotern bei der Verringerung der Bewegungsträgheit, der Verbesserung der Arbeitsgeschwindigkeit und der Bewegungsgenauigkeit hervorhebt. Der ASIMO der dritten Generation (Abbildung 6) der japanischen Honda Company besteht aus einer leichten Legierung und seine Schale besteht aus einer Magnesiumlegierung. Dadurch wird das Eigengewicht des Roboters stark reduziert und seine Gehgeschwindigkeit von 1.6 km/h auf 2.5 erhöht. km/h, die maximale Laufgeschwindigkeit erreichte 3 km/h.

Obwohl Magnesiumlegierungsmaterialien ursprünglich in Robotern verwendet wurden, besteht einer der wichtigsten Engpässe, die die Anwendung von Magnesiumlegierungsmaterialien auf dem Gebiet von Roboterteilen einschränken, immer noch darin, dass die Festigkeit und Zähigkeit der bestehenden Magnesiumlegierungssorten geringer ist als die von Stahl und Aluminium Legierungen. Bei den Leistungsanforderungen von Robotermaterialien gibt es immer noch eine Lücke, und es ist unmöglich, Stahl, Aluminiumlegierungen und andere Materialien vollständig zu ersetzen. Daher ist die Entwicklung von Hochleistungs-Magnesiumlegierungen und deren Umform- und Verarbeitungstechnologien für die Herstellung von Roboterteilen von großer Bedeutung, um die Qualität beweglicher Roboterteile zu reduzieren, die Bewegungsgenauigkeit zu verbessern und Energie einzusparen.

Als Reaktion auf den aktuellen Forschungsstand und die Entwicklungsperspektiven im Bereich Robotik hat die Beijing University of Technology im Oktober 2015 das „Big Scientific Research Advancement Program-Intelligent Robots“ ins Leben gerufen. Neben den großen gemeinsamen Schlüsseltechnologien, Schlüsselkomponenten, Komplettmaschinen-F&E und integrierten Anwendungen intelligenter Roboter steht die Forschung im Mittelpunkt des Programms. Ein bemerkenswertes Merkmal ist, dass es die „Leichtbaumaterialien für Roboter“ hervorhebt, die durch Magnesiumlegierungsmaterialien repräsentiert werden. Schlüsseltechnologieforschung". 

Der "große Forschungsfortschrittsplan" stützt sich seit mehr als zehn Jahren auf die Vorteile des F&E-Teams und der F&E-Plattform der School of Materials Science and Technology der Beijing University of Technology im Bereich der leichten Magnesiumlegierungsmaterialien und verwendet Hochleistungs-Magnesium wie z B. Mg-Zn-Er, Mg-Gd-Er-Zr usw. Basierend auf den Forschungsergebnissen des Legierungsmaterialdesigns, der Feinstrukturkontrolle, des plastischen Umformmechanismus usw., die auf die Bedürfnisse von medizinischen Robotern mit hohem Mehrwert abzielen und Haushaltsroboter im Hinblick auf den Materialleichtbau und die Entwicklung neuer hochfester und hochzäher Magnesiumlegierungsmaterialien mit dem Ziel, leistungsstarke Magnesiumlegierungsteile zu entwickeln, die in Haushaltsrobotern wie Medizin/Haushalt usw. verwendet werden, konzentrieren sich auf den Leichtbau solcher Roboterarme und anderer beweglicher Teile und realisieren nach und nach die Gesamtgewichtsreduzierung von Heimservicerobotern.

Im Kontext der Fertigungsindustrie meines Landes, die mit der industriellen Modernisierung und dem Wandel der alternden Gesellschaft konfrontiert ist, wird die Nachfrage nach traditionellen Industrierobotern und neuen Haushaltsrobotern in den nächsten zehn oder sogar Jahrzehnten weiter steigen, und das Anwendungspotenzial des Robotermarktes ist sehr groß. Die Anwendung von Leichtmetalllegierungen, repräsentiert durch Magnesiumlegierungen, in Robotern hat die Vorteile, die Manövrierfähigkeit von Robotern erheblich zu verbessern, den Energieverbrauch zu senken und die Standby-Zeit zu erhöhen. Es ist eine der wichtigsten Richtungen der Roboterforschung und -entwicklung.

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