CFRP部件:减轻重量,提升攀爬机器人的可靠性

来源:荣格

发布时间:2019年9月3日下午 05:09:24

由国际攀登机械公司(ICM)和DragonPlate™公司合作,在使用DragonPlate™公司生产的高性能碳纤维增强塑料(CFRP)部件后,新型机器人在任何垂直、圆形或倒置表面攀爬的可靠性得到大幅提升。而在这背后,产品关键材料如何制成、合作项目如何落地实施?

“任何公司都能制造出在地面或水中移动的机器人,这就是为什么我们把简单的东西留给别人。”国际攀登机械公司(ICM)总裁萨姆·马吉奥(Sam Maggio)笑着说,“但是能够制造出在空中攀爬表面的机器人真的很难,而这正是我们的专长所在。我们设计和制造的机器人几乎可以扩展到任何垂直、圆形或倒置的表面,去执行危险的任务,从而避免将人类置于危险境地。”

在过去的15年里,ICM公司利用其专业知识生产出创新、受专利保护的攀爬机器人。当需要对早期设计的机器人进行减重时,已经熟悉了先进复合材料诸多好处的Maggio将目光转向了当地的DragonPlate™公司(美国纽约州,埃尔布里奇),后者提供设计和工程服务,并生产高性能碳纤维增强塑料(CFRP)部件。CFRP部件的使用,将机器人的重量几乎减少了一半。另一个好处是,相比早期的铝制设计,高精度碳复合材料结构还提高了可靠性和再现性(R&R)。

ICM公司生产的小型攀爬机器人,灵活、耐用且易于部署,由地面上的一名操作员进行遥控操作。得益于Maggio开发的一种专利滚动密封,当这些机器人攀爬在墙壁、天花板,并穿过诸如螺栓头、焊缝和钢板等障碍物,或在不平坦或高度弯曲的表面上移动时,它们看起来似乎不受重力的影响而不会失去抓力。在不携带工具时,标准攀爬机器人的重量为45磅(20千克),长约24英寸(61厘米)、宽21英寸(53厘米)、高9英寸(23厘米)。尽管如此,机器人仍然可以携带重型有效载荷(高达50磅/23千克),包括可互换的附件,如摄像头、仪表、超声波测试设备、探地雷达、油漆/涂层/粘合剂涂抹器、激光、刷子、切割机、研磨机或爆炸介质。

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这些机器人非常适合穿越人类难以逾越或危险四伏的表面,例如桥梁和公路立交桥、坦克和塔楼、船舶和飞机、风力涡轮机、水坝和工厂/炼油厂。因此,它们使人类不必在狭窄的空间或危险的高度进行工作,也不必暴露于重金属等有毒物质或放射性、化学、生物或爆炸剂的环境当中。它们可以进行无损评估(NDE)和测试(NDT)的工作,例如,在地震后检查大坝和桥梁的应力裂缝,或评估水箱的涂层厚度,或在无需将叶片从塔架上拆下的情况下对风机叶片进行小修。安装刷子、研磨器或喷砂介质,机器人已经准备好去除铅漆或表面腐蚀。接下来,安装一个压力滚轮或喷洒器,机器人就可以重新油漆或者处理刚刚清洁的表面。Maggio相信,有一天,这些机器人将成为紧急情况下帮助人们逃离燃烧建筑物的重要工具。不算所携带的工具,这些机器人的成本在60000美元到75000美元之间,与重量更重、成本超过百万美元的替代产品相比,它们相当便宜。

为了保持多功能性,控制好机器人的重量是关键。加上安装工具在内的总重量掌握在60磅(26公斤)以内,以确保真空压力足够强大,从而保持机器人与垂直或头顶墙壁之间的接触。另一个早期设计存在的问题是,ICM最初使用的铝制底盘实际上是在用于保持垂直和头顶表面连接的真空压力下弯曲的。Maggio和他的团队请DragonPlate的工程师重新设计了底盘。“DragonPlate团队非常成功地减轻了底盘的重量,他们没有用我们一直使用的铝制材料。因此我要求他们重新设计上层结构,即装载有工具的机器人的顶部,最后还有转向杆和前钩。前钩在电源中断的情况下将机器人和缆绳连接在一起。”

Allred & Assoc公司的总裁J.B.Allred回忆说:“随着这一创新项目的发展,我们真的很享受这项工作。”Allred & Assoc公司是DragonPlate的母公司。“Sam非常专注,对自己的机器人想要达到的目标有着丰富的经验和理解。我们很擅长与他人合作,帮助其将碳纤维复合材料应用到他们的应用当中。我们的两个团队在每个组件的设计和开发过程中密切合作,以确保结构组件尽可能轻但可以支持高负载。我们将一直密切合作,寻找改进设计的方法,提高性能和降低成本。”

DragonPlate的技术人员利用各种碳纤维复合材料和工艺生产各种组件。所有部件均采用碳纤维增强环氧树脂复合材料制造。有些部件采用单向、平纹和斜纹编织预浸料(均为标准模量,3K和12K纤维束)成型,这些预浸料采用真空袋模压成型或通过加热液压机高度固结而成,从而制造出非常坚固和坚硬的板材。该团队还使用树脂传递模塑成型(RTM)的预制件和碳纤维织物。由于某些部件的独特形状,它们会在随后加工并与DragonPlate的库存部件粘合在一起。在最复杂的组件中,构成上部结构一部分的“大炮”以复杂的核心结构为特色,这些核心结构使部件非常坚硬但重量很轻。

机器人结构的关键部件从铝材转换到碳纤维复材的好处之一是,尺寸变得更加可重复和可复制,并具有更高的可靠性和再现性,机器人的性能也更加一致。Maggio解释说:“当我们使用铝制的框架底盘时,还处于我们最初开发计划的早期阶段,在那个阶段我们希望具有灵活性、能够快速调整设计。然而,一旦过了原型阶段,将所有关键结构组件转换成先进的复合材料,确实提高了我们产品的质量和一致性,并为我们节省了自己解决这些问题的时间。”

Allred补充道:“我们在如何制作产品方面非常自信。如果你在模塑成型,你的工具控制几何形状;如果你用电脑数控(CNC)刀具进行切割,那么你的刀具路径就可以控制几何形状。”

 

 

国际攀登机械公司(ICM)于2001年4月成立,总部位于纽约州伊萨卡市,专注于研发小型遥控设备,可攀爬垂直表面,特别是带有螺栓头、焊缝、板和其他现场常见障碍物的表面。这些遥控装置几乎可以到达任何垂直或倒置的表面,而且由于它们是在地面上安全操作的,它们可以防止人类暴露在危险的高度或有毒环境中。ICM这一面向市场的技术,从根本上改变了世界各地公共、私人和政府机构执行和进行高空作业的方式。

 

ALLRed™& Assoc公司成立于1993年,总部位于纽约州埃尔布里奇。现在是一家私人控股的多元化公司,设计和制造碳纤维增强复合材料的完整组件。公司通过其DragonPlate™制造服务部门,使用先进的复合材料生产各种形状和复杂结构,生产量从单一原型到数万个单位,为各行各业的客户提供服务——通常使用专有的工艺和设备。DragonPlate可为业内提供极为广泛的产品线,包括现成的碳复合材料形状和组件。但是,当需要定制解决方案时,亦可通过Element6 Composites™部门获得内部设计、工程和原型设计服务。Element6 Composites™是一家通过ISO9001®认证的工程公司,专注于碳纤维增强复合材料和其他高性能材料。

 

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