劉時州、葉日翔、李明駿、李鴻坤 / 工研院材化所
本技術在探討制振奈米複合碳材於重型機器手臂之應用，包括制振材料原理與鑑定、碳纖複材制振機械手臂製作與功能量測驗證。所開發之機械手臂結構件(2-3軸)原型品的振動衰減測試，於0.2秒時可衰減至0.0939 μm(絕對值之全振幅)，較鋁製件縮短60.2%的振動衰減時間。在實機動態分析部分，量測其殘餘振動趨緩時間約為0.58秒，趨緩時間較其他大廠(KUKA@0.8秒)降低27.5%。比較其運行速度，原鋁製件執行驗證運動行程25-300-25 mm運轉之最高速度達233 mm/s，而複材件達到最高線速度292 mm/s，運轉線速度提高25.3%。研究結果顯示，本技術可提高碳纖複材之阻尼，並提高共振頻率，有效縮短重型機械手臂運動周期，進而提高其效率與節能目的。
【內文精選】
前 言
國內複合材料及自動化設備業者大多為中小企業，其跨領域技術研發能量不足，透過本技術團隊連結，將促進複合材料技術與人才能與自動化業充分整合。一方面藉由奈米制振複材的開發使複合材料業者跨入精密機械領域，提升其技術能力及產品高值化；另一方面，隨著勞資上漲及自動技術進步，未來幾年智慧自動化製造組裝設備將被大量使用，而智慧自動化設備在應用之前進行節能設計(至少比現在機器人節能50%)為需求端大量採用的必要選項。因此，輕量化複材將成為重要選項之一，國內外業者新產品發展亦朝此方向開發，此為產業可發展的機會。
制振奈米複合材料原理
2. 制振複合材料運作原理
本技術採用碳纖維制振複材來取代傳統的鋁製金屬材，以降低機械手臂本身的重量，可搭配較小功率的馬達以降低運轉成本，達成節能減碳的需求。並以輕量化機械手臂之高荷重比制振節能材料結構件之結構設計，彌補剛性不足的缺陷，解決系統因受限傳統材料特性為勉強維持的力學強度而增加不必要的重量與尺寸厚度，以降低後續在維修成本之不必要支出。奈米制振材料原理如圖一、圖二。
圖一、奈米強化制振節能材料原型品開發示意圖
實機測試結果分析
本測試以國產重型機器手臂，進行動態性能提升之研究，利用碳纖維複合材料加上制振複合材料技術來設計，並針對影響機器人運動剛性最大之末端軸(2-3軸)結構件來改良。因為機器手臂結構受懸臂梁影響，主要應力分布於2-3軸結構件中，除外加在末端軸上的最大額定負載外，還要承受自身結構重量，更加劇機器人之磨耗。因此，藉由複合材料取代原本金屬結構件，以不對稱疊層設計與製程，針對制振碳纖複合材料進行設計開發，將複材結構件進行試製與安裝測試以及模擬荷重應力分析圖，如圖八所示。
圖八、荷重應力分析與開發制振複合材料
高荷重碳纖維預浸材料於重型機械手臂之產業應用
利用MCNT之多個微介面層間產生的微滑動現象，所累積的阻尼特性將可快速地被放大，進而達到有效抑制震動的作用。以碳纖維複材降低多關節機械手臂本身的重量，達成節能減碳的需求，並以輕量化手臂結構設計彌補剛性。利用奈米碳管(CNT)及纖維複材間的微滑動現象所產生阻尼機制抑制振動，大幅縮短振動衰減時間(Settling)，並檢討試產件與電機組件之匹配測試，以增加系統的穩定性，確保執行精度可有效控制以及後加工效率…以上為部分節錄資料，完整內容請見下方附檔。
★本文節錄自《工業材料雜誌》421期，更多資料請見下方附檔。