L'applicazione di materiali in lega di magnesio in robot leggeri

1. Lo sviluppo e lo stato dell'applicazione dei robot

Man mano che lo sviluppo dei robot continua a maturare, l'applicazione dei robot si è espansa dai primi campi industriali alla medicina e alla salute, ai servizi vitali, all'esplorazione dello spazio e dell'oceano, all'esercito e all'intrattenimento, ecc. La robotica non solo spingerà l'industria manifatturiera in un nuovo fase, ma inaugurerà anche il rapido sviluppo della tecnologia di automazione non manifatturiera.

Attualmente, gli Stati Uniti, il Giappone, l'Europa, la Corea del Sud e altre potenze industriali fanno progressi nella tecnologia robotica e promuovono lo sviluppo dell'industria della robotica in un'importante posizione strategica nello sviluppo della scienza e della tecnologia in tutti i paesi. In "Made in China 2025", la Cina considera anche "macchine utensili e robot CNC di fascia alta" come una delle 10 aree di sviluppo chiave e propone "concentrarsi su robot industriali, specialità, come automobili, macchinari, elettronica, merci pericolose industria manifatturiera, della difesa nazionale, militare, chimica e leggera. 

Le esigenze applicative dei robot, così come i robot di servizio come quelli medici e sanitari, i servizi domestici, l'istruzione e l'intrattenimento, ricercano e sviluppano attivamente nuovi prodotti e promuovono la standardizzazione e lo sviluppo modulare dei robot". Anche il programma di sviluppo scientifico e tecnologico (2006-2020)" considera chiaramente i robot di servizio come una priorità strategica high-tech per lo sviluppo futuro e propone di "concentrarsi sui requisiti delle applicazioni dei robot di servizio, sui metodi di progettazione della ricerca, sui processi di produzione e sul controllo intelligente. Tecnologie di base comuni come l'integrazione con i sistemi applicativi" [5]. 

Attualmente, la densità media di robot industriali utilizzati nell'industria manifatturiera mondiale è di 55 unità per 10,000 dipendenti, mentre la densità di robot industriali in Cina è di sole 36 unità per 10,000 dipendenti. In considerazione di quanto sopra, la "sostituzione della macchina" è diventata la tendenza generale. A Guangzhou, il rappresentante dell'industria manifatturiera nel delta del fiume Pearl, il governo ha proposto che entro il 2020 oltre l'80% delle imprese manifatturiere della città utilizzi robot industriali e apparecchiature intelligenti.

Oltre ad essere ampiamente utilizzato in processi come stampigliatura, saldatura e linee di assemblaggio automatizzate nell'industria manifatturiera, i robot possono essere utilizzati anche per sostituire le attività manuali tradizionali come la molatura, la saldatura complessa e la lucidatura. Apple utilizza due robot elettronici KUKA per lucidare due volte l'aspetto del Mac Pro per produrre una superficie a specchio. 

Una volta completata la lucidatura esterna, il robot luciderà anche l'interno del guscio del Mac Pro, come mostrato nella Figura 1. I robot di saldatura hanno svolto un ruolo estremamente importante nella produzione di saldatura dello scafo di alta qualità ed efficiente e si stanno gradualmente trasformando in automazione . La Corea del Sud ha adottato un robot mobile per saldatura di navi Rail Runner basato su PDA, che può entrare nella struttura chiusa di una nave a doppio scafo che deve essere saldata e lavorare nel duro ambiente di saldatura di gas tossici e alte temperature, invece che manuale saldatura automatica. 

PTJ è un'impresa high-tech completa che si basa sul background tecnico dell'Accademia delle scienze cinese e si concentra sull'ottimizzazione della progettazione di parti di robot intelligenti, sulla produzione e sulle vendite nazionali ed estere. Il team aziendale è stato costituito nel 2010 ed è da tempo impegnato nella lavorazione di parti metalliche e plastiche ad alta precisione, ad alta difficoltà e facilmente deformabili e nella produzione e lavorazione di piccole e medie dimensioni di leghe leggere e materiali compositi (come come parti in lega di magnesio-litio, lega di magnesio-alluminio, fibra di carbonio, ecc.). E servizi di approvvigionamento e personalizzazione di parti di robot.

Anche l'applicazione dei robot nelle industrie non manifatturiere sta diventando sempre più diversificata. Amazon ha equipaggiato più di 15,000 robot su ruote Kiva nel suo centro di distribuzione per realizzare l'automazione del magazzino, come mostrato nella Figura 3. Questi robot si muovono velocemente e silenziosamente. Dopo aver ricevuto le istruzioni digitali trasmesse in modalità wireless dal computer centrale, scansionano le etichette dei codici a barre a terra per attraversarle, farle scorrere sotto gli scaffali e quindi inviarle ai raccoglitori. Il robot subacqueo R2D4 sviluppato dal Giappone ha una profondità massima di immersione di 4000 m, può raccogliere dati in modo autonomo e può essere utilizzato per vulcani sottomarini, relitti e giacimenti minerari. 

Le serie CR-01 e CR-02 di robot subacquei preprogrammati e controllati, in collaborazione con la Russia dall'Istituto di automazione di Shenyang, Accademia cinese delle scienze, hanno una profondità massima di immersione di 6000 m e hanno completato il rilevamento dell'Oceano Pacifico . In termini di robot spaziali, Robonaut, un robot sviluppato dalla NASA negli Stati Uniti, sostituirà gli astronauti nel lavoro extraveicolare e la sua velocità di risposta è più veloce di quella umana, adattandosi alle emergenze impreviste.

Attualmente, la Cina è entrata in una società che invecchia, ei problemi di cure mediche, riabilitazione e assistenza per i disabili causati dall'invecchiamento della struttura della popolazione hanno anche portato enormi pressioni economiche e di risorse all'intera società. I robot chirurgici rappresentati dai robot da Vinci rappresentano il livello più alto degli attuali robot medici e mostrano anche le ampie prospettive di applicazione dei robot medici. 

I robot esoscheletri hanno anche mostrato i loro vantaggi nell'aiutare gli anziani e i disabili a camminare. Potenziale applicativo. In termini di robot medici, molti ospedali come il Southwest Hospital nel mio paese utilizzano robot per endoscopia a capsule invece dei tradizionali gastroscopi per gli esami gastrointestinali. Il robot ha solo le dimensioni di una capsula. Dopo che il paziente è stato assunto per via orale, il medico può osservare l'interno del tubo digerente a 360 ° attraverso lo schermo del display e l'esame può essere completato in circa 15 minuti, il che non solo rende il paziente più a suo agio, ma la capsula monouso impedisce anche infezioni crociate ed è più igienico e sicuro. . 

In termini di robot per anziani, il Robot Suit HAL, un esoscheletro di Cyberdyne del Giappone, può aiutare i pazienti con difficoltà motorie a raggiungere la riabilitazione ed è adatto anche per aiutare gli anziani a camminare. Il robot può aiutare chi lo indossa a stare in piedi, camminare, afferrare e sollevare oggetti pesanti, ecc. L'azione e il tempo di lavoro continuo possono raggiungere i 280 minuti.

2. I materiali dei robot e le loro tendenze leggere

Attualmente, vari gradi di materiali metallici sono la prima scelta di materiali per varie parti strutturali del robot, come ghisa, acciaio legato, acciaio inossidabile, lega di alluminio e lega di titanio. La prima considerazione nella progettazione e nell'uso dei robot professionali rappresentati dai robot industriali tradizionali è che devono avere una forza sufficiente. Pertanto, la maggior parte delle loro parti strutturali sono realizzate in vari tipi di ghisa, acciaio legato e altri materiali, e alcune parti sono realizzate in lega di alluminio e materiali compositi. Attesa.

Tenendo conto degli elevati requisiti del robot di rilevamento e soccorso per ridurre il proprio peso, movimento veloce e stabile, ecc., Dopo aver sostituito l'acciaio 45 # con matrice di resina termoplastica rinforzata con fibra naturale di lino o materiale composito in resina termoindurente per rendere il principale corpo del robot di rilevamento, la massa del corpo principale è ridotta a 45 kg, ovvero 190.5 kg in meno rispetto alla massa del corpo vettura originale e il tasso di riduzione del peso raggiunge l'80.9%. I robot per il servizio a domicilio hanno requisiti leggermente inferiori per la resistenza del materiale, ma hanno più requisiti per il peso o la portabilità del robot. Pertanto, la struttura di base dei robot di servizio utilizza principalmente materiali in lega di alluminio. Ad esempio, la struttura del braccio di un robot di servizio per anziani è realizzata in lega di alluminio 7075. 

Il design leggero del braccio è realizzato ottimizzando la struttura e i suoi requisiti prestazionali sono garantiti. Come rappresentante dei robot portatori di handicap, i robot esoscheletrici hanno requisiti più elevati per la riduzione del peso e la portabilità. Ad esempio, il robot esoscheletro EKSO (Figura 5) utilizza una lega di alluminio e titanio come struttura meccanica e il suo peso totale è di soli 23 kg circa. Anche il robot per arti inferiori esoscheletro autonomo PRMI per la riduzione del peso dell'Università di Scienze e Tecnologie Elettroniche del mio paese è realizzato in lega di alluminio.

In breve, al fine di soddisfare le esigenze di un funzionamento dei robot più leggero, ad alta efficienza e conveniente, i robot leggeri sono la futura tendenza di sviluppo. Oltre al design strutturale leggero, i materiali leggeri sono più importanti. Rispetto alla struttura leggera, il materiale leggero fa sì che il robot abbia un maggiore potenziale di riduzione del peso e una più ampia gamma di applicazioni.

3. I vantaggi applicativi dei materiali leggeri in magnesio sui robot

I materiali metallici che il robot può scegliere includono principalmente acciaio, lega di alluminio, lega di magnesio, lega di titanio, ecc. Poiché la densità dei materiali in acciaio raggiunge i 7.8 g/cm3, sebbene un piccolo numero di parti mobili del robot utilizzi il titanio materiali in lega (4.5 g/cm3) o materiali in lega di alluminio (2.7 g/cm3) invece di materiali in acciaio, la densità delle leghe di titanio è ancora relativamente elevata. Alta e costosa, la densità della lega di alluminio è anche superiore a quella della lega di magnesio.

Essendo il materiale strutturale metallico più leggero, il magnesio o la lega di magnesio ha una densità di 2/3 di quella dell'alluminio, che è inferiore a 1/4 di quella dell'acciaio. Per i compositi in policarbonato contenenti il ​​30% di fibra di vetro, la densità del magnesio non supera il 10%. Inoltre, le riserve di ferro e alluminio del mio paese rappresentano solo il 18.7% e il 2.3% delle proporzioni mondiali, ma le risorse di minerale di magnesio del mio paese sono le più ricche del mondo e l'applicazione di materiali di magnesio ha vantaggi unici in termini di risorse. Pertanto, i materiali in magnesio e lega di magnesio presentano vantaggi significativi nella riduzione del peso, nel miglioramento della manovrabilità del robot e nella resistenza grazie alla loro leggerezza e all'elevata resistenza specifica. Sono uno dei materiali più ideali per la produzione di robot.

La leggerezza dei materiali dei robot può migliorare notevolmente la sua manovrabilità e aumentare l'efficienza del lavoro, evidenziando i vantaggi dei robot nel ridurre l'inerzia del movimento, migliorando la velocità operativa e la precisione del movimento. L'ASIMO di terza generazione (Figura 6) della società giapponese Honda è realizzato in lega leggera e il suo guscio è in lega di magnesio. Ciò riduce notevolmente il peso proprio del robot e la sua velocità di camminata aumenta da 1.6 km/h a 2.5. km/h, la velocità massima di marcia ha raggiunto i 3 km/h.

Sebbene i materiali in lega di magnesio siano stati inizialmente applicati nei robot, uno dei colli di bottiglia importanti che limitano l'applicazione di materiali in lega di magnesio nel campo delle parti dei robot è ancora che la resistenza e la tenacità dei gradi esistenti delle leghe di magnesio è inferiore a quella dell'acciaio e dell'alluminio leghe. C'è ancora una lacuna nei requisiti prestazionali dei materiali dei robot ed è impossibile sostituire completamente l'acciaio, la lega di alluminio e altri materiali. Pertanto, lo sviluppo di leghe di magnesio ad alte prestazioni e le loro tecnologie di formatura e lavorazione per la produzione di parti di robot è di grande importanza per ridurre la qualità delle parti mobili del robot, migliorare la precisione del movimento e ottenere il risparmio energetico.

Nell'ottobre 2015, la Beijing University of Technology ha lanciato il "Big Scientific Research Advancement Program-Intelligent Robots" in risposta allo stato attuale della ricerca e alle prospettive di sviluppo nel campo della robotica. Oltre alle principali tecnologie chiave comuni, ai componenti chiave, alla ricerca e sviluppo di macchine complete e alle applicazioni integrate di robot intelligenti, il programma si concentra sulla ricerca. Una caratteristica notevole è che mette in evidenza i "materiali leggeri per robot" rappresentati dai materiali in lega di magnesio. ricerca tecnologica chiave”. 

Il "grande piano di avanzamento della ricerca" si basa sui vantaggi del team di ricerca e sviluppo e della piattaforma di ricerca e sviluppo della School of Materials Science and Technology della Beijing University of Technology nel campo dei materiali in lega leggera di magnesio per più di dieci anni e utilizza magnesio ad alte prestazioni come come Mg-Zn-Er, Mg-Gd-Er-Zr, ecc. Sulla base dei risultati della ricerca sulla progettazione del materiale in lega, sul controllo della struttura fine, sul meccanismo di formatura plastica, ecc., mirando alle esigenze di robot medici ad alto valore aggiunto e robot domestici in termini di alleggerimento dei materiali e sviluppo di nuovi materiali in lega di magnesio ad alta resistenza e alta tenacità come l'obiettivo di sviluppare parti in lega di magnesio ad alte prestazioni utilizzate nei robot di servizio domestico come medici / pulizie, ecc., Si concentrano sul peso leggero di tali bracci robotici e altre parti mobili e realizzare gradualmente la riduzione di peso complessiva dei robot di servizio a domicilio.

Nel contesto dell'industria manifatturiera del mio paese che sta affrontando l'aggiornamento industriale e la trasformazione della società che invecchia, nei prossimi dieci o addirittura decenni, la domanda di robot industriali tradizionali e nuovi robot per servizi domestici continuerà ad aumentare e il potenziale di applicazione del mercato dei robot è molto significativo. L'applicazione di materiali in lega leggera rappresentati da leghe di magnesio nei robot ha i vantaggi di migliorare significativamente la manovrabilità dei robot, ridurre il consumo di energia e aumentare i tempi di standby. È una delle direzioni importanti della ricerca e dello sviluppo dei robot.

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