移动机器人底盘部件：制造工艺和材料

2026 年 9 月 20 日

如何选择合适的移动机器人底盘部件制造工艺和材料？这一选择会影响到方方面面——成本、强度、重量以及生产速度。选择不当，机器人可能过重、强度不足或制造成本过高。选择正确，移动机器人底盘就能在预算范围内高效运行。无论您是制造单个原型还是数千台设备，这一点都至关重要。在机器人领域，底盘的每一个决策都会影响整体设计。那么，您应该如何选择呢？您需要综合考虑部件形状、生产数量以及环境要求。接下来，我们将详细分析各种选项，帮助您为每个机器人部件找到最佳的工艺和材料。

底盘零件的常用制造工艺

移动机器人底盘部件的制造主要有四种方式：数控加工、注塑成型、钣金加工和现成组件。每种方式都针对不同的问题。值得注意的是，实际生产很少只采用一种方式。典型的机器人框架通常将钣金加工、数控加工、焊接、表面处理和组装等工序融合在一个制造过程中。

底盘零件的数控加工

数控加工是从实心金属或塑料块上切割出来的。计算机控制刀具，使零件按照程序加工成型。这种减材制造方法最适用于需要高精度公差和可重复几何形状的零件。

何时需要数控加工

CNC加工是运动关键型硬件的理想选择。执行器外壳、关节体和电机支架都依赖于此。该工艺可实现极高的尺寸精度，且每个部件的精度都保持一致。对于核心精密部件，可达到±0.01毫米的稳定公差。通过适当的环境控制和检测，关键特征的精度可达到±0.003毫米。例如，一个7075-T6铝合金机器人关节外壳，其双轴承座之间的同心度达到了±0.005毫米。这些数值在机器人领域至关重要，因为关节的晃动会严重影响机器人的导航。

成本与交货时间的权衡

CNC加工无需模具，因此前期成本很低。这使其非常适合原型制作和小批量生产。零件几天就能到货。缺点是什么呢？需要有人编写CNC代码，材料会有浪费，而且单个零件的成本很高。不过，对于一次性支架或小批量桥梁生产来说，速度优势无可比拟。

底盘零件注塑成型

注塑成型是将熔融塑料注入金属模具中。模具以相同的方式成型每个零件。生产周期短，材料浪费极少。

模塑的体积阈值

注塑成型在规模化生产时更具优势。铝制模具适用于50,000万件以下的产量。钢制模具在100,000万件到1万件以上的产量范围内最为理想，因为此时单件成本会大幅下降。低于这些阈值，注塑成型的成本优势就不那么明显了。

模具成本和设计限制

模具成本决定了最终选择。铝制模具对于低到中等复杂程度的单腔零件来说，成本在 2,000 美元到 10,000 美元之间。钢制模具的成本在 10,000 美元到 100,000 美元以上，而多腔硬化钢制模具的成本可能超过 200,000 美元。更换铝制模具的成本约为更换钢制模具的 10%，后者成本在 5,000 美元到 20,000 美元之间。此外，注塑成型仅限于可成型塑料，且公差比数控加工宽松。这些零件通常不承受结构载荷，但模具本身就包含集成的卡扣、加强筋和走线槽等功能。

底盘零件钣金加工

钣金加工是将扁平金属板材加工成框架和支架。它速度快、成本低，而且刚性足以满足大多数底盘加工的需求。

激光切割、折弯和焊接

激光切割加工型材，折弯形成折痕，焊接将所有部件牢固连接。MIG焊适用于结构框架和支架，但高温可能导致薄板材变形。TIG焊适用于不锈钢和铝材，焊缝清晰可见。电阻点焊可以快速连接搭接板，但需要焊丝位于板材两侧。激光焊接可保持较窄的热影响区，从而严格控制变形。对于薄板材，热变形才是真正的敌人，而非接头强度。点焊、均衡的焊接顺序和刚性夹具可确保焊缝平整。

适用于框架和支架

标准厚度规格使设计更简洁。铝材厚度规格有 0.020、0.032、0.040、0.050、0.062、0.080、0.093、0.100、0.125、0.190 和 0.250 英寸。钢材厚度范围从 0.018 英寸到 0.375 英寸。这些尺寸涵盖了大多数底盘和支架应用。

现成的组件完善了整个流程。轴承、紧固件和挤压型材到货即可直接安装。购买现成组件比自行加工每个小零件要省事得多。从实际角度来看，机器人制造就像一场组合搭配的游戏。合适的工艺组合能够平衡成本、重量和性能。

底盘部件常用材料

移动机器人底盘部件的材料选择会影响整个机器人的制造。焊接框架、塑料外壳和3D打印支架分别需要不同的材料。正确的选择需要在强度、重量、成本以及部件的制造方式之间取得平衡。对于机器人系统而言，每一克重量和每一分钱都至关重要。尽早选择合适的材料可以避免日后代价高昂的重新设计。

底盘部件用金属

铝合金：强度重量比

铝材是大多数机器人底盘制造的首选材料。像 6061-T6 这样的合金具有良好的加工性能。它的强度重量比优于钢材，因此铝材非常适合用于框架和支架。对于需要更高强度的部件，7075-T6 合金在保持轻量化的同时，还能提供更高的屈服强度。选择铝材通常取决于成本与强度需求之间的权衡。

钢和不锈钢：耐用性和成本

钢材的单位重量成本低于铝材。它具有更高的刚度，在冲击载荷下使用寿命更长。但其重量几乎是铝材的三倍。17-4 PH不锈钢因其优异的耐腐蚀性和可热处理强度而成为机器人系统的理想选择。许多机器人制造商将其用于制造支架、安装座和定制紧固件。钢制零件的制造通常需要焊接和机械加工。

钛：高强度，轻质

钛合金 Ti-6Al-4V 强度高，重量轻，但成本也高。钛合金加工难度大，而且刀具磨损快。钛合金通常只用于对重量要求极高的部件，例如高性能无人机机架或精密机械臂。对于大多数底盘结构而言，铝合金或钢材更为合适。

底盘部件用塑料

ABS：抗冲击性和成本

ABS塑料抗冲击性好，成本低廉，非常适合用于制造外壳、外罩和非结构性支架。ABS塑料的单价约为每公斤1.40美元至1.80美元，是室内机器人外壳的理想材料。缺点是刚度低于金属。对于轻型自主移动机器人（AMR）部件而言，ABS塑料在成本和韧性之间取得了理想的平衡。

尼龙：耐磨性和柔韧性

添加30%玻璃纤维的尼龙6/6（PA66 GF30）价格上涨至每公斤3.50-5.50美元。未填充的PA6价格为每公斤2.80-3.80美元。对于齿轮、衬套和结构支架而言，其增强的耐磨性和耐久性使其成本物有所值。尼龙比ABS更能承受反复应力。这些用于AMR机器人部件的材料比普通塑料具有更好的机械性能。

普通级材料（ABS、PP、HDPE）：年产量1-5吨，单价1.20-2.00美元/公斤。第一级工程级材料（PA6、POM、PC、PBT）：单价2.50-5.50美元/公斤。玻璃纤维会使单价增加约0.80-1.50美元/公斤；阻燃剂会使单价增加0.50-2.00美元/公斤。由于混料商的最低订购量要求，原型产品（年产量低于500公斤）的单价是上述价格的2-4倍。

用于底盘部件的复合材料和3D打印材料

碳纤维和玻璃纤维

碳纤维具有极佳的刚度重量比。碳纤维车架比铝合金车架轻得多。但材料成本高昂，且生产需要精湛的铺层工艺。玻璃纤维是一种更经济实惠的选择，其刚度重量比也相当不错。这两种材料都适用于重量和性能比成本更重要的场合。

直接金属激光烧结（DMLS）和3D打印零件

直接金属激光烧结 (DMLS) 利用金属粉末逐层构建零件。对于无法通过机械加工加工的复杂形状，DMLS 开辟了新的设计方案。17-4 PH 不锈钢的打印效果良好。烧结态的屈服强度为 800 MPa，延伸率仅为 4%。经 H900 热处理后，屈服强度提升至 1100 MPa，延伸率提升至 7%。更精细的 20 微米分辨率在热处理后可使屈服强度达到 1227 MPa，延伸率达到 10%。对于小批量复杂 AMR 机器人零件的制造，DMLS 可以与机械加工相媲美。

Condition	屈服强度 (MPa)	伸长率（％）
烧结态	800	4
热处理（H900）	1100	7
20 μm 分辨率，H900	1227	10
30 μm 分辨率，H900	1234	13

机器人零件的材料选择关键在于使材料与零件的功能相匹配。承重框架需要金属或复合材料，而外壳和轻型支架则完全可以使用塑料。对于机器人系统而言，良好的材料选择决定了机器人能否正常运行。

底盘部件设计考虑因素

几何形状和载荷路径

肋条、角撑板和壁厚

壁厚是设计起点。对于数控加工的铝材，安全的最小壁厚为 0.8 毫米。大多数机器人连杆的厚度在 2 到 4 毫米之间，以在保持强度的同时减轻重量。

加强筋可以增强零件强度而不增加重量。对于数控加工零件，高度与厚度之比应保持在 5:1 到 10:1 之间。高度不应超过宽度的 4 倍。在底部添加半径为 R2 到 R4 毫米的圆角。三根长加强筋可以使弯曲强度提高一倍以上，而不会增加重量。

注塑成型零件遵循不同的规则，以避免缩痕并确保顺利脱模。加强筋通常比主体壁薄，并且模具中会设置拔模斜度。

压力集中与疲劳

每个尖角都会产生应力。圆角可以解决这个问题。型腔的深度与宽度之比应保持在 4:1 或更小。对于孔，深度应相对于直径有所限制，以确保刀具的可及性和加工精度。在机器人领域，持续振动是不可避免的。加强筋和角撑板可以将载荷分散到更大的区域，从而降低峰值应力并提高长期耐久性。

装配特点

紧固件、卡扣和粘合剂

每种连接方式都有其优缺点。螺纹紧固件会在螺栓位置产生高应力，振动会导致螺栓随着时间的推移而松动。对于金属与塑料的连接，温差会使应力集中在紧固件上。

粘合剂粘接可以解决许多问题。它能将载荷均匀分布在接合处，抵抗振动并形成水密密封。由于无需额外的五金件，粘合剂粘接还能减轻重量。这种方法提高了耐久性和性能。

因素	螺纹紧固件	胶粘结合
应力分布	紧固件点较高	即使在关节处
抗疲劳	需要特别护理	（卓越）等级
抗振性	可以松开	良好
腐蚀风险	高	低
异种材料	展会	（卓越）等级
耐温性	高	差
重量影响	较重	打火机

粘合剂耐热性差，在持续载荷下会发生蠕变。好的设计方案中，粘合剂用于承受剪切载荷，紧固件用于需要拆卸的场合。

公差累积和对准

每个零件都有公差。零件堆叠在一起，误差会导致机器人偏离对准位置。不同材料会使情况更加糟糕。

铝、碳钢和不锈钢的热膨胀系数各不相同，在混合材料装配时必须考虑到这一点。

钢制滚珠丝杠在工作循环过程中会显著膨胀，从而影响对准和反冲。

对于关键组件，应在整个温度范围内匹配 CTE 值或设计间隙。良好的材料选择可以避免许多对准问题。

环境和热因素

腐蚀和化学物质暴露

运行环境决定了材料的选择。铝材能耐受大多数环境条件。不锈钢在更严苛的环境下具有高强度。ABS和尼龙等塑料能耐受常见的化学品腐蚀。

散热和材料稳定性

金属底盘部件支撑负载并传导电机产生的热量。铝的导热性能远优于钢，因此在散热管理方面具有优势。

材料在温度变化下的稳定性会影响其长期性能。每个循环都会膨胀的部件可能会发生位移。使用热膨胀系数 (CTE) 相近的材料可以减少位移。如果无法做到这一点，则需要在设计中增加柔性。对于机器人系统而言，这种对细节的关注能够提升性能。

AMR机器人部件的这些设计考量必须在项目早期就加以考虑。壁厚、加强筋、装配方法和材料选择都相互关联。如果这些考量都正确，机器人就能在保证强度的同时减轻重量；如果错误，则会导致漂移和疲劳问题。

底盘部件决策框架

该框架将移动机器人底盘部件的形状、数量和预算联系起来，并将部件特征转化为实际的制造选择。其目标是避免设计与生产之间因不匹配而造成的高昂成本。

匹配过程与零件复杂性

零件形状通常决定了您可以使用的加工工艺。复杂的内部特征会完全排除某些加工方法。

简单支架与复杂外壳

扁平支架适用于任何工艺，而带内槽的壳体则不适用。下表比较了数控加工和注塑成型工艺。

特性	数控加工	注射成型
内部通道	受限于刀具使用；通常需要多次装夹或五轴加工，这会增加成本。	复杂的内部形状可以直接成型，无需二次加工。
咬边	由于刀具无法触及，加工难度较大，导致成本和复杂性增加。	可直接成型，无需二次加工
总体成本/可行性影响	内部通道和倒扣结构复杂且成本高；更适合小批量生产或无法从模具中脱模的形状。	对于复杂的内部结构，这种方法更适用，但倒扣可能会增加脱模难度并提高模具成本。

值得注意的是，当零件形状复杂，难以从模具中取出时，数控加工是更佳选择。这使得数控加工非常适合小批量生产。例如，机器人系统的外壳可能具有深腔和尖锐的内角。

零件几何形状包括深腔、尖锐内角或需要 5 轴联动加工的特征。

这种形状需要五轴加工。注塑成型在这里会遇到脱模问题。

特征尺寸和表面光洁度

精细的细节和严格的表面光洁度要求促使零件采用数控加工。表面光洁度要求也会影响加工工艺。材料选择至关重要。某些材料比其他材料更容易获得光滑的表面。钣金加工受限于弯曲半径。它适用于对精度要求不高的结构框架。

物料与生产量相匹配

如果生产成本过高，再好的材料也毫无用处。这就是材料选择与生产计划相结合的地方。

小批量原型制作与大规模生产

对于小批量生产，CNC加工是首选。无需模具，可以快速迭代，一夜之间就能完成。而对于大规模生产，模塑成型则成为主流。虽然前期模具成本较高，但可以分摊到数百万个零件上。钣金加工则介于两者之间，既能保证强度，又能兼顾成本。

桥梁工具和混合方法

许多团队采用桥接模具。他们先用数控机床或钣金制作原型来测试设计，然后使用较软的铝模生产预生产零件。这样，他们就可以在正式使用钢模之前进行市场测试。混合方法也行之有效：对模制零件的关键表面进行机械加工，既能节省成本，又能保证严格的公差。

比较成本和交货时间

单位成本只是其中一个因素。总拥有成本包括模具成本、废品率和生产周期。

单位成本与总拥有成本

数控加工零件没有模具成本，但单价较高。注塑成型零件模具成本高，但单价较低。正确的选择取决于总产量。性能和耐用性也会影响总成本。强度更高的零件可以让你在其他方面减轻重量。为AMR机器人零件选择合适的加工工艺取决于对这些因素的权衡。

按流程划分的交货时间驱动因素

交货周期取决于设置时间。不同的制造工艺有不同的交货周期。像诺博这样的合作伙伴，作为中国领先的制造企业，能够提供卓越的服务。他们的专业知识帮助客户生产AMR机器人部件。诺博在机器人制造领域拥有卓越的实力，确保每个机器人组件都具有高强度和轻量化的特点。他们可靠的部件能够满足各种严苛的应用需求。他们深知机器人技术需要精准度。诺博与客户紧密合作，不断提升他们所构建的每个机器人系统的性能。每台机器人都能受益于他们在材料选择方面的专业知识。合适的材料至关重要。优秀的机器人设计师深谙此道。卓越的机器人制造商会选择诺博。

NOBLE：移动机器人底盘零件制造合作伙伴

NOBLE公司专注于移动机器人底盘部件的金属和塑料加工。从设计审核到最终产品组装，NOBLE公司包揽所有环节。对于机器人系统而言，所有工序集中于一处可以节省时间并避免混淆。他们丰富的机器人技术知识有助于优化生产和材料选择的各个环节。

金属和塑料加工技术

数控加工、注塑成型和钣金加工

NOBLE公司在其自有工厂内完成三大主要工序。CNC加工涵盖3轴、4轴和5轴铣削以及车削，可实现适用于机器人部件的高精度加工。

注塑成型适用于塑料和金属零件的生产。NOBLE 使用钢模和铝模，钢模适用于大批量生产，铝模适用于小批量生产。注塑机的吨位根据零件尺寸和材料来选择。

钣金加工完善了整个流程。NOBLE 提供折弯、焊接、切割和冲压服务，精度高，适用于底盘框架和支架。

制造工艺	关键能力
数控加工	3轴、4轴、5轴数控铣削，数控车削，后处理
注射成型	塑料注射成型、金属注射成型、模具制造、后处理
钣金加工	弯曲、焊接、切割、冲压、表面处理