如何選擇合適的移動機器人底盤零件製造流程和材料？這項選擇會影響到方方面面—成本、強度、重量以及生產速度。選擇不當，機器人可能過重、強度不足或製造成本過高。選擇正確，移動機器人底盤就能在預算範圍內有效運作。無論您是製造單一原型還是數千台設備，這一點都至關重要。在機器人領域，底盤的每一個決策都會影響整體設計。那麼，您該如何選擇呢？您需要綜合考慮部件形狀、生產數量以及環境需求。接下來，我們將詳細分析各種選項，幫助您為每個機器人零件找到最佳的工藝和材料。
底盤零件的常用製造工藝
移動機器人底盤零件的製造主要有四種方式：CNC加工、射出成型、鈑金加工和現成組件。每種方式都針對不同的問題。值得注意的是，實際生產很少只採用一種方式。典型的機器人框架通常將鈑金加工、數控加工、焊接、表面處理和組裝等工序融合在一個製造過程中。
底盤零件的CNC加工
數控加工是從實心金屬或塑膠塊上切割出來的。電腦控製刀具，使零件依照程序加工成型。這種減材製造方法最適合需要高精度公差和可重複幾何形狀的零件。
何時需要CNC加工
CNC加工是運動關鍵型硬體的理想選擇。執行器外殼、關節體和馬達支架都依賴於此。此製程可實現極高的尺寸精度，且每個零件的精度都保持一致。對於核心精密零件，可達到±0.01毫米的穩定公差。透過適當的環境控制和檢測，關鍵特徵的精度可達±0.003毫米。例如，一個7075-T6鋁合金機器人關節外殼，其雙軸承座之間的同心度達到了±0.005毫米。這些數值在機器人領域至關重要，因為關節的晃動會嚴重影響機器人的導航。
成本與交貨時間的權衡
CNC加工無需模具，因此前期成本很低。這使其非常適合原型製作和小批量生產。零件幾天就能到貨。缺點是什麼呢？需要有人寫CNC程式碼，材料會有浪費，而且單一零件的成本很高。不過，對於一次性支架或小批量橋樑生產來說，速度優勢無可比擬。
底盤零件射出成型
射出成型是將熔融塑膠注入金屬模具中。模具以相同的方式成型每個零件。生產週期短，材料浪費極少。
模塑的體積閾值
注塑成型在規模化生產時更具優勢。鋁製模具適用於50,000萬件以下的產量。鋼製模具在100,000萬件到1萬件以上的產量範圍內最為理想，因為此時單件成本會大幅下降。低於這些閾值，注塑成型的成本優勢就沒那麼明顯了。
模具成本和設計限制
模具成本決定了最終選擇。鋁製模具對於低到中等複雜度的單腔零件來說，成本在 2,000 美元到 10,000 美元之間。鋼製模具的成本在 10,000 美元到 100,000 美元以上，而多腔硬化鋼製模具的成本可能超過 200,000 美元。更換鋁製模具的成本約為更換鋼製模具的 10%，後者成本在 5,000 美元到 20,000 美元之間。此外，射出成型僅限於可成型塑料，且公差比數控加工寬鬆。這些零件通常不承受結構負荷，但模具本身就包含整合的卡扣、加強筋和走線槽等功能。
底盤零件鈑金加工
鈑金加工是將扁平金屬板材加工成框架和支架。它速度快、成本低，而且剛性足以滿足大多數底盤加工的需求。
雷射切割、折彎和焊接
雷射切割加工型材，折彎形成摺痕，焊接將所有部件牢固連接。 MIG焊接適用於結構框架和支架，但高溫可能導致薄板材變形。 TIG焊適用於不銹鋼和鋁材，焊縫清晰可見。電阻點焊可以快速連接搭接板，但需要焊絲位於板材兩側。雷射焊接可保持較窄的熱影響區，從而嚴格控制變形。對於薄板材，熱變形才是真正的敵人，而非接合強度。點焊、均衡的焊接順序和剛性夾具可確保焊縫平整。
適用於車架和支架
標準厚度規格使設計更簡潔。鋁材厚度規格有 0.020、0.032、0.040、0.050、0.062、0.080、0.093、0.100、0.125、0.190 和 0.250 吋。鋼材厚度範圍從 0.018 英吋到 0.375 英吋。這些尺寸涵蓋了大多數底盤和支架應用。
現成的組件完善了整個流程。軸承、緊固件和擠壓型材到貨即可直接安裝。購買現成組件比自行加工每個小零件要省事得多。從實際角度來看，機器人製造就像是一場組合搭配的遊戲。合適的工藝組合能夠平衡成本、重量和性能。
底盤部件常用材料
移動機器人底盤零件的材料選擇會影響整個機器人的製造。焊接框架、塑膠外殼和3D列印支架分別需要不同的材料。正確的選擇需要在強度、重量、成本以及零件的製造方式之間取得平衡。對於機器人系統而言，每一克重量和每一分錢都至關重要。儘早選擇合適的材料可以避免日後代價高昂的重新設計。
底盤部件用金屬
鋁合金：強度重量比
鋁材是大多數機器人底盤製造的首選材料。像 6061-T6 這樣的合金具有良好的加工性能。它的強度重量比優於鋼材，因此鋁材非常適合用於框架和支架。對於需要更高強度的零件，7075-T6 合金在保持輕量化的同時，還能提供更高的屈服強度。選擇鋁材通常取決於成本與強度需求之間的權衡。
鋼和不銹鋼：耐用性和成本
鋼材的單位重量成本低於鋁材。它具有更高的剛度，在衝擊載荷下使用壽命更長。但其重量幾乎是鋁材的三倍。 17-4 PH不銹鋼因其優異的耐腐蝕性和可熱處理強度而成為機器人系統的理想選擇。許多機器人製造商將其用於製造支架、安裝座和定制緊固件。鋼製零件的製造通常需要焊接和機械加工。
鈦：高強度，輕質
鈦合金 Ti-6Al-4V 強度高，重量輕，但成本也高。鈦合金加工難度高，而且刀具磨損快。鈦合金通常只用於對重量要求極高的零件，例如高性能無人機機架或精密機械手臂。對於大多數底盤結構而言，鋁合金或鋼材更為合適。
底盤部件用塑料
ABS：抗衝擊性和成本
ABS塑膠抗衝擊性好，成本低廉，非常適合用於製造外殼、外罩和非結構性支架。 ABS塑膠的單價約為每公斤1.40美元至1.80美元，是室內機器人外殼的理想材料。缺點是剛度低於金屬。對於輕型自主移動機器人（AMR）零件而言，ABS塑膠在成本和韌性之間取得了理想的平衡。
尼龍：耐磨性和柔韌性
添加30%玻璃纖維的尼龍6/6（PA66 GF30）價格上漲至每公斤3.50-5.50美元。未填充的PA6價格為每公斤2.80-3.80美元。對於齒輪、襯套和結構支架而言，其增強的耐磨性和耐久性使其成本物有所值。尼龍比ABS更能承受反覆應力。這些用於AMR機器人零件的材料比普通塑膠具有更好的機械性能。
普通級材料（ABS、PP、HDPE）：年產量1-5噸，單價1.20-2.00美元/公斤。第一級工程級材料（PA6、POM、PC、PBT）：單價2.50-5.50美元/公斤。玻璃纖維會使單價增加約0.80-1.50美元/公斤；阻燃劑會使單價增加0.50-2.00美元/公斤。由於混料商的最低訂購量要求，原型產品（年產量低於500公斤）的單價是上述價格的2-4倍。
用於底盤零件的複合材料和3D列印材料
碳纖維和玻璃纖維
碳纖維具有極佳的剛度重量比。碳纖維車架比鋁合金車架輕得多。但材料成本高昂，且生產需要精湛的鋪層工藝。玻璃纖維是更經濟實惠的選擇，其剛度重量比也相當不錯。這兩種材料都適用於重量和性能比成本更重要的場合。
直接金屬雷射燒結（DMLS）和3D列印零件
直接金屬雷射燒結 (DMLS) 利用金屬粉末逐層建造零件。對於無法透過機械加工加工的複雜形狀，DMLS 開啟了新的設計方案。 17-4 PH 不鏽鋼的列印效果良好。燒結態的屈服強度為 800 MPa，延伸率僅 4%。經 H900 熱處理後，屈服強度提升至 1100 MPa，延伸率提升至 7%。更精細的 20 微米解析度在熱處理後可使屈服強度達到 1227 MPa，延伸率達到 10%。對於小批量複雜 AMR 機器人零件的製造，DMLS 可與機械加工相媲美。
| 新舊程度 | 屈服強度（MPa） | 伸長率（％） |
| 燒結態 | 800 | 4 |
| 熱處理（H900） | 1100 | 7 |
| 20 μm 分辨率，H900 | 1227 | 10 |
| 30 μm 分辨率，H900 | 1234 | 13 |
機器人零件的材料選擇關鍵在於使材料與零件的功能相符。承重框架需要金屬或複合材料，而外殼和輕型支架則完全可以使用塑膠。對於機器人系統而言，良好的材料選擇決定了機器人能否正常運作。
底盤零件設計考量
幾何形狀和載重路徑
肋條、角撐板和壁厚
壁厚是設計起點。對於數控加工的鋁材，安全的最小壁厚為 0.8 毫米。大多數機器人連桿的厚度在 2 到 4 毫米之間，以在保持強度的同時減輕重量。
加強筋可以增強零件強度而不增加重量。對於數控加工零件，高度與厚度之比應保持在 5:1 到 10:1 之間。高度不得超過寬度的 4 倍。在底部加入半徑為 R2 到 R4 毫米的圓角。三根長加強筋可以使彎曲強度提高一倍以上，而不會增加重量。
射出成型零件遵循不同的規則，以避免縮痕並確保順利脫模。加強筋通常比主體壁薄，模具中會設定拔模斜度。
壓力集中與疲勞
每個尖角都會產生應力。圓角可以解決這個問題。型腔的深度與寬度之比應保持在 4:1 或更小。對於孔，深度應相對於直徑有所限制，以確保刀具的可及性和加工精度。在機器人領域，持續振動是不可避免的。加強筋和角撐板可以將負載分散到更大的區域，從而降低峰值應力並提高長期耐久性。
裝配特點
緊固件、卡扣和黏合劑
每種連接方式都有其優缺點。螺紋緊固件會在螺栓位置產生高應力，振動會導致螺栓隨著時間的推移而鬆動。對於金屬與塑膠的連接，溫差會使應力集中在緊固件上。
黏合劑黏接可以解決許多問題。它能將負荷均勻分佈在接合處，抵抗振動並形成水密密封。由於無需額外的五金件，黏合劑黏接還能減輕重量。這種方法提高了耐久性和性能。
| 因子 | 螺紋緊固件 | 膠粘結合 |
| 應力分佈 | 緊固件點較高 | 即使在關節處 |
| 耐疲勞性 | 需要特別護理 | 優 |
| 抗振性 | 可以鬆開 | 固德 |
| 腐蝕風險 | 高 | 低 |
| 異種材料 | 知道一些 | 優 |
| 耐溫性 | 高 | 差 |
| 重量影響 | 較重 | 明亮 |
黏合劑耐熱性差，在持續負荷下會發生蠕變。好的設計方案中，黏合劑用於承受剪切負荷，緊固件用於需要拆卸的場合。
公差累積和對準
每個零件都有公差。零件堆疊在一起，誤差會導致機器人偏離對準位置。不同材料會使情況更加糟糕。
鋁、碳鋼和不銹鋼的熱膨脹係數各不相同，在混合材料組裝時必須考慮到這一點。
鋼製滾珠螺桿在工作循環過程中會顯著膨脹，影響對準和反沖。
對於關鍵組件，應在整個溫度範圍內匹配 CTE 值或設計間隙。良好的材料選擇可以避免許多對準問題。
環境和熱力因素
腐蝕和化學暴露
運作環境決定了材料的選擇。鋁材能耐受大多數環境條件。不銹鋼在較嚴苛的環境下具有高強度。 ABS和尼龍等塑膠能耐受常見的化學品腐蝕。
散熱和材料穩定性
金屬底盤部件支撐負載並傳導馬達產生的熱量。鋁的導熱性能遠優於鋼，因此在散熱管理上具有優勢。
材料在溫度變化下的穩定性會影響其長期性能。每個循環都會膨脹的部件可能會發生位移。使用熱膨脹係數 (CTE) 相近的材料可以減少位移。如果無法做到這一點，則需要在設計中增加柔性。對於機器人系統而言，這種對細節的關注能夠提升效能。
AMR機器人零件的這些設計考量必須在專案早期就加以考慮。壁厚、加強筋、組裝方法和材料選擇都相互關聯。如果這些考量都正確，機器人就能在保證強度的同時減輕重量；如果錯誤，則會導致漂移和疲勞問題。
底盤部件決策框架
該框架將移動機器人底盤零件的形狀、數量和預算連結起來，並將零件特徵轉化為實際的製造選擇。其目標是避免設計與生產之間因不匹配而造成的高成本。
匹配過程與零件複雜性
零件形狀通常決定了您可以使用的加工流程。複雜的內部特徵會完全排除某些加工方法。
簡單支架與複雜外殼
扁平支架適用於任何工藝，而帶有內槽的殼體則不適用。下表比較了CNC加工和射出成型製程。
| 獨特之處 | 數控加工 | 注射成型 |
| 內部頻道 | 受限於刀具使用；通常需要多次裝夾或五軸加工，這會增加成本。 | 複雜的內部形狀可以直接成型，無需二次加工。 |
| 咬邊 | 由於刀具無法觸及，加工難度較大，導致成本和複雜性增加。 | 可直接成型，無需二次加工 |
| 整體成本/可行性影響 | 內部通道和倒扣結構複雜且成本高；更適合小批量生產或無法從模具中脫模的形狀。 | 對於複雜的內部結構，這種方法更適用，但倒扣可能會增加脫模難度並提高模具成本。 |
值得注意的是，當零件形狀複雜，難以從模具中取出時，CNC加工是更佳選擇。這使得數控加工非常適合小批量生產。例如，機器人系統的外殼可能具有深腔和尖銳的內角。
零件幾何形狀包括深腔、尖銳內角或需要 5 軸聯動加工的特性。
這種形狀需要五軸加工。射出成型在這裡會遇到脫模問題。
特徵尺寸和表面光潔度
精細的細節和嚴格的表面光潔度要求促使零件採用數控加工。表面光潔度要求也會影響加工流程。材料選擇至關重要。某些材料比其他材料更容易獲得光滑的表面。鈑金加工受限於彎曲半徑。它適用於對精度要求不高的結構框架。
物料與生產量相匹配
如果生產成本過高，再好的材料也毫無用處。這就是材料選擇與生產計劃相結合的地方。
小批量原型製作與大規模生產
對於小批量生產，CNC加工是首選。無需模具，可以快速迭代，一夜之間就能完成。而對於大規模生產，模塑成型則成為主流。雖然前期模具成本較高，但可以分攤到數百萬個零件上。鈑金加工則介於兩者之間，既能保證強度，又能兼顧成本。
橋樑工具和混合方法
許多團隊採用橋接模具。他們先用CNC工具機或鈑金製作原型來測試設計，然後使用較軟的鋁模生產預生產零件。這樣，他們就可以在正式使用鋼模之前進行市場測試。混合方法也行之有效：對模製零件的關鍵表面進行機械加工，既能節省成本，又能確保嚴格的公差。
比較成本和交貨時間
單位成本只是其中一個因素。總擁有成本包括模具成本、廢品率和生產週期。
單位成本與總擁有成本
CNC加工零件沒有模具成本，但單價較高。射出成型零件模具成本高，但單價較低。正確的選擇取決於總產量。性能和耐用性也會影響總成本。強度更高的零件可以讓你在其他方面減輕重量。為AMR機器人零件選擇合適的加工流程取決於這些因素的權衡。
按流程劃分的交貨時間驅動因素
交貨週期取決於設定時間。不同的製造工藝有不同的交貨週期。像諾博這樣的合作夥伴，作為中國領先的製造業企業，能夠提供卓越的服務。他們的專業知識幫助客戶生產AMR機器人零件。諾博在機器人製造領域擁有卓越的實力，確保每個機器人組件都具有高強度和輕量化的特性。他們可靠的零件能夠滿足各種嚴苛的應用需求。他們深知機器人技術需要精準度。諾博與客戶緊密合作，不斷提升他們所建造的每個機器人系統的效能。每台機器人都能受益於他們在材料選擇方面的專業知識。合適的材料至關重要。優秀的機器人設計師深諳此道。卓越的機器人製造商會選擇諾博。
NOBLE：移動機器人底盤零件製造合作夥伴
NOBLE公司專注於移動機器人底盤零件的金屬和塑膠加工。從設計審核到最終產品組裝，NOBLE公司包辦所有環節。對於機器人系統而言，所有工序集中於一處可以節省時間並避免混淆。他們豐富的機器人技術知識有助於優化生產和材料選擇的各個環節。
金屬和塑膠加工技術
數控加工、射出成型和鈑金加工
NOBLE公司在自有工廠內完成三大主要工序。 CNC加工涵蓋3軸、4軸和5軸銑削以及車削，可實現適用於機器人零件的高精度加工。
射出成型適用於塑膠和金屬零件的生產。 NOBLE 使用鋼模和鋁模，鋼模適用於大量生產，鋁模適用於小批量生產。注塑機的噸位是根據零件尺寸和材質來選擇。
鈑金加工完善了整個流程。 NOBLE 提供折彎、焊接、切割和沖壓服務，精度高，適用於底盤框架和支架。
| 製造工藝 | 關鍵能力 |
| 數控加工 | 3軸、4軸、5軸數控銑削，CNC車削，後處理 |
| 注射成型 | 塑膠射出成型、金屬射出成型、模具製造、後處理 |
| 鈑金加工 | 彎曲、焊接、切割、沖壓、表面處理 |
透過組裝提供設計支持
NOBLE提供的服務遠不止於零件製造。他們的團隊會協助您進行零件設計、材料選擇和組裝規劃。他們會根據您的產量和時間安排，為每個組件推薦合適的流程，以實現最佳效能。
小批量生產時，他們採用數控加工或真空鑄造。大批量生產時，他們則採用大批量射出成型或鈑金加工。拋光、粉末塗層和噴漆等二次加工均在廠內完成。零件到貨時即可直接組裝。
認證和質量標準
NOBLE擁有多項品質管理認證，確保流程控制和可追溯性。每批貨物均有檢驗記錄佐證。您可以追溯每個零件的生產批次。
從原型到生產的全方位服務
您可以從原型開始，逐步擴展到數千台設備，而無需在機器人製造過程中更換供應商。 NOBLE 可利用 CNC 加工進行小批量生產，並利用注塑成型和鈑金加工進行大量生產。
公司內部的品質管制系統能夠及早發現問題。團隊精通機器人製造工藝，能夠平衡強度和重量，並為每種機器人應用選擇合適的材料。
每種製造移動機器人底盤零件的方法都針對不同的問題。 CNC加工最適合高精度、小批量生產。注塑成型在大量生產時可以降低每個零件的成本。鈑金加工可以快速製造出剛性框架。預製零件可以節省小型硬體的製造時間。在實際應用中，大多數機器人的製造過程都會結合多種製程。
選擇材料的方法也類似。鋁材兼顧重量和強度。鋼材較耐用，但重量較重。鈦材重量輕，但價格昂貴。塑膠和複合材料則能降低成本或減輕重量。根據您的產量選擇合適的材料，然後讓決策框架引導您。在做決定之前，請務必確認您的零件需要哪些材料。
移動機器人底盤零件常見問題解答
對於移動機器人底盤零件，我應該選擇CNC加工還是射出成型？
最終取決於產量和形狀。對於小批量生產和高精度要求，CNC加工更勝一籌。而對於超過50,000萬件的零件，使用鋁製模具進行射出成型則更具優勢。複雜的內部通道更適合注塑成型，而倒扣和深腔則更需要CNC加工。
輕型機器人框架最適合使用哪種材質？
鋁合金 6061-T6 或 7075-T6 通常是最佳選擇。兩者都具有很高的強度重量比。對於需要更輕重量的應用，可以考慮使用先進複合材料，但這可能意味著更高的成本和更複雜的製造流程。
對於底盤零件而言，鈑金加工何時才更合適？
金屬薄板非常適合用於框架和支架。雷射切割、折彎和焊接可以將扁平的金屬板材快速加工成堅固的結構。標準鋁材厚度為 0.020 至 0.250 英寸，鋼材厚度為 0.018 至 0.375 英寸。它價格低廉且加工快速。
射出成型需要達到多少產量才划算？
鋁製模具適用於50,000萬件以下的產量。鋼製模具則適用於100,000萬件到1萬件以上的產量。低於這些閾值，模具成本往往難以回收。使用較軟的鋁製模具建造過渡模具有助於先進行市場測試。
移動機器人底盤零件中公差累積問題是由什麼原因造成的？
每個零件都存在公差，誤差會累積。混合材料會使情況更加複雜，因為不同材料的膨脹係數不同。對於關鍵組件，應在整個溫度範圍內匹配 CTE 值或設計間隙，以確保對準精度。
為什麼加強筋和角撐板在底盤設計上很重要？
加強筋可以在不增加重量的情況下增強強度。對於數控加工零件，高度與厚度之比應保持在 5:1 到 10:1 之間。三根長加強筋可以使彎曲強度提高一倍以上。在模塑零件中，加強筋通常比主體壁厚薄，以避免出現縮痕。
從事機器人製造工作的合作夥伴應該具備哪些認證？
尋找擁有品質認證的製造合作夥伴，以確保流程控制和可追溯性。 NOBLE 提供從設計到最終組裝的全程支援。
一家供應商能否同時勝任原型製作和大量生產？
是的，而且這樣更省時間。 NOBLE公司對於小批量生產，首先採用CNC加工或真空鑄造；對於大批量生產，則轉而採用注塑成型或鈑金加工。公司內部的二次加工，例如拋光和粉末塗裝，意味著零件到貨即可直接組裝。
