- 高温ハンドリンググリップは,空間とサイクル時間の制約の中で,協調しなければならない。 耐荷重グリップ 熱流れ遮断 空気回路保護 構造安定性 保守性.
- 耐熱ジョイント,セラミック摩耗層,ガラスセラミック断熱層,セラミック繊維層,エアギャップ断熱層,反射シールドを組み合わせ,高温耐荷域/断熱域/低温アクチュエーションゾーンに分割した。
- 計算した複合断熱パスは等価熱伝導率が約 0.25 W/(m・K) である。 650℃シミュレーション条件下では,ジャイロルートは83℃,シリンダ取付面は55℃,ホース外壁は68℃で,主伝導路に沿った熱流束は直接金属接続より約98.7%低い。
- 熱源から遠く離れた空気供給,熱源近くの金属チューブ,二次ホース絶縁,部品セットバック,圧力損失に対する制御挙動で空気回路を構成した。 空気回路の熱保護効率は,本文で述べた温度条件下で約76.9%である。
単位:江蘇AUREKインテリジェントテクノロジー株式会社(江蘇省連云港市) 分類:技術研究 完全な公式,表,有限要素結果を含む。 PDF全文は記事の最後か右上の角でダウンロードできる。
00 抽象
鍛造,熱処理,ダイカスト,焼結,炉側取扱いにおいて,熱はジョイントに沿ってアクチュエータに向かって移動する。 過剰な空気圧システムの温度上昇、ホースの老化と故障、誤ったセンサの動作、グリップの信頼性の低下. 高温作業品の短サイクルハンドリングのための熱伝達経路モデルを開発し,構造を高温負荷,熱隔離,低温アクチュエーションゾーンに配置した。 耐熱ジェイブ,耐摩耗セラミック接触層,ガラスセラミック断熱層,セラミック繊維層,エアギャップ断熱層,放射反射材を組み合わせ,材料適合性,レイアウト,絶縁パス,空気保護を考慮した。 等価熱伝導率計算と結合熱構造有限要素解析を行い,温度場,熱応力,熱変形を比較した。
計算とシミュレーションにより,複合絶縁パスに対する等価熱伝導率は約 0.25 W/(m・K) であることが分かった。 加工品表面温度650 ℃,一回のグリップ時間20s,環境温度35 ℃のとき,最大爪根温度は83 ℃,シリンダ取付面は55 ℃,ホース外壁は68 ℃の範囲内に留まる。 連続直接金属接続に比べ,主伝導路に沿った熱流束は約98.7%減少し,空気回路熱保護効率は76.9%,グリップ先端の熱変形は0.20 mm以内に保たれる。 これらの結果は,本研究で調べた構造設計と比較した。 実際の装置の温度上昇と連続運転挙動は,プロトタイプの温度測定とサイクルテストを必要とする。
01 はじめに
マニピュレータ,産業用ロボット,ガントリー,専用グリップは,加熱,炉脱着,転送,積み卸し,プロセス間移動中の熱い作業品を扱う。 鍛造,熱処理,鋳造,ダイカスト,焼結及び下流鋼材加工を含む。 強い熱放射、顕著な接触熱伝達、集中熱応力、落下スケール、熱ショック. また,グリップ力,剛性,位置決め精度,絶縁,空気保護,安全制御などを設計した。
構造設計では,まず連続金属熱ブリッジをチェックし,次に熱源近傍のホース,空気部品,交換可能な絶縁部品の配置をチェックする必要がある。 爪材の温度定格の増加だけではアクチュエータの温度上昇,ホース硬化,漏れを解決できない。 セラミックパッド,絶縁板,シールドおよびホーススリーブも検査と交換が容易でなければならない。 グリップ荷重容量,熱流れ中断,空気保護,構造安定性,保守を考慮して設計を選択した。
02熱負荷と設計考慮
2.1 熱伝達機構
熱は接触伝導,放射及び対流を通して工具に入る。 接触伝導は工作物からの熱を顎を通して運ぶ。 放射は500 °C以上で顕著になり,対流は高温工場空気,炉気流,工具運動が寄与する。 熱伝達は,プレート,ねじ,ピン,ガイド,アクチュエータ接続部に沿って行われる。 ホース軟化,シール破損,潤滑油劣化,センサ故障は構造金属破壊に先立って発生するので,空気保護と構造絶縁を共に設計する必要がある。
2.2既存の高温フィキシング設計の問題点
固体耐熱鋼やステンレス鋼構造は加工が容易であるが,熱端と冷端の間の連続金属接合は低い熱抵抗をもたらす。 局所セラミックスペーサを付加すると,その材料,厚さ,取り付け方法が絶縁性と信頼性に共に影響する。 アルミナセラミックは耐摩耗性,圧縮性,高温接触性に優れているが,熱伝導率は低く,単独では主絶縁を行うべきではない。 標準的なPU,ナイロンおよびゴムホースは放射線および熱空気曝露下で硬化,亀裂,老化および漏れを起こす。 構造熱経路,絶縁ステージ,空気路線,制御論理を一緒に設計する必要がある。
2.3 複合絶縁・保護制御
高温グリップは組み合わせることができる 複合絶縁モジュール保守 安全インターロック耐熱合金がホットエンド負荷を担い,低導電性材料と空気腔が熱伝達を遮断し,反射シールドが放射入力を減少させ,空気・センサ部品が後退し,熱源付近の線路が金属部品と絶縁スリーブを使用する。 圧力,温度およびクランプ状態信号をインタロックに含めて,圧力,温度,クランプ状態信号を同時に検出できる。 熱・機械・空気・制御の統合設計.
03 ツール設計法
3.1設計条件と目標パラメータ
熱間鍛造品/熱処理部品の短サイクルハンドリングを考察した。 次のパラメータは計算と設計比較のための入力である。
| アイテム | パラメータ値 | デザインの意味は |
|---|---|---|
| 加工物表面温度 | 650 °C | 炉出後の短期輸送条件に対応 |
| 環境温度 | 35 °C | 炉内の高温環境を考慮した。 |
| ワーク質量 | 80 kg | 中型鍛造品・熱処理部品 |
| シングルクランプタイム | 20 s | 代表的なロボットまたはガントリーハンドリングサイクル |
| サイクル周波数 | 30~40サイクル/h | 連続生産サイクル周期 |
| 作動空気圧 | 0.6 MPa | 空気圧 |
| ハンドリング加速度 | 2.0 m/s² | スタート・ストップショックを考える |
| クランプ安全係数 | ≥2.5 | 滑りや熱劣化を防止する |
| シリンダー取付面温度 | ≤60 °C | シールと潤滑状態を保護する |
| ホース外壁温度 | ≤70 °C | ホースの熱老化を防止する。 |
| 工具端の熱変形 | ≤ 0.25 mm | 繰り返し位置決めとクランプ安定性を確保する。 |
表1 典型的な高温作業品取扱い条件パラメータ
3.2の締結力計算と構造耐力要求
両面クランプを用いる場合,摩擦クランプモデルに従って,片面クランプジョイントが必要とする通常のクランプ力を事前にチェックできる。
ここで、Fnは片側の法線把持力（N）、Sは安全率、mはワーク質量（kg）、gは重力加速度、aは移動荷重の加速度（m/s²）、μは高温接触面の摩擦係数です。S=2.5、m=80 kg、a=2.0 m/s²、μ=0.35とすると、片側の必要把持力は約3371 Nです。酸化スケール、振動・衝撃、爪の摩耗、摩擦係数の変動を考慮し、実機設計の片側定格把持力は4.2 kN以上とします。高温ワークの保持を摩擦だけに依存させてはなりません。V溝、段差ストッパー、包囲支持、底面支持を優先し、把持力と幾何的拘束で安定性を確保します。
3.3 機能分割設計原理
グリップを3つの機能領域に配置した。 高温負荷ゾーンは作業品に接触または接近し,グリップ,耐熱性,耐酸化性を提供する。 爪とアクチュエータの間の熱絶縁ゾーンは熱流束を減少させ,熱ブリッジを遮断し,熱ストレスを取り込む。 低温アクチュエーションゾーンはシリンダ,ガイド,バルブマニホールド,センサおよびロボット接続を直接熱放射から遠ざける。 連結部における負荷,絶縁,駆動機能を明確に分離し,連続金属熱伝達経路を避けた。
3.4 材料選定と構造レイアウト
| パーツ | 推奨材料 | 主な機能 | 選定理由 |
|---|---|---|---|
| グリップジョイント前部支承部 | インコネル625または耐熱ステンレス鋼 | クランプ荷重に耐え,高温放射線にも耐える。 | 高温強度,耐酸化性,耐腐食性 |
| 接触層 | 96%アルミナセラミック | 耐摩耗性,耐圧性,金属の付着を減らす | 交換可能な摩耗パッドに適し,単独の一次絶縁層としては使用しない。 |
| 熱ブレークブロック | マコール・ガラスセラミック | クランプジョイントからマウントベースへのブロック熱伝達 | 低伝導性と熱破断部位の加工性を示した。 |
| 柔軟絶縁体 | セラミック繊維の毛布です | 空洞伝導と放射熱伝達を減らす。 | 低熱伝導率,低熱容量,耐熱衝撃性 |
| 断熱キャビティ | エアギャップ構造 | 連続固体熱ブリッジを弱める | 繊維絶縁に適合した簡単で軽量な構造 |
| 反射シールド | 304/316ステンレス鋼板 | 放射線遮蔽と空気回路の保護 | 成形・分解・置き換えが容易 |
| 低温マウントブラケット | ステンレス鋼・低合金鋼 | 設置・耐荷剛性を確保する | 加工性は良好であるが,連続的な熱架橋を避ける必要がある。 |
| 熱源近傍の空気回路 | 316ステンレス鋼管またはステンレス鋼編みPTFEホース | 耐熱性,耐機械的損傷性を向上させた | 熱源近傍の短距離パイプラインに適している |
表2 フィクスチャの主成分の材質と機能
熱流路に沿って,耐熱合金荷重支承ジョイント,交換可能なアルミナセラミック摩耗パッド,Macorガラスセラミック断熱材,エアギャップ断熱材,セラミック繊維インフィル層,外部に薄いステンレス鋼反射シールドから構成される。 熱ブリッジ検討にスクリュー,位置ピン,クランププレートを含め,ホットエンドのスクリューが冷却基板に直接伸びないようにする。 接続要件に応じて,段階固定,絶縁ブッシュ,縮小シャンクスクリュー,局所縮小断面を使用する。 セラミックパッドは面接触を通して予負荷し,機械的に保持する。
04断熱性能解析と最適化
4.1熱伝達モデル
予備計算のために,ジャイアントからマウントベースへの主熱伝達経路を直列の平面層として簡単化し,定常伝導モデルを用いて熱流を推定した。
放射熱伝達は次のように評価した。
ここでQは熱伝達速度(W),kである。eq 熱伝導率は等価熱伝導率,表面放射率はε,Stephan‐Boltzmann定数はσである。 650 °Cの工作物からの放射はホース,センサおよび薄い構造物を熱し,接触絶縁と共に反射シールドを与える。
4.2複合断熱構造物の等価熱伝導率の計算
一方向の等価熱伝達経路を例として,熱伝達面積A=1200 mm²,高温側は650 °C,低温側ターゲットは35 °Cをとる。 複合絶縁層のパラメータは次の通りである。
| レイヤー | 素材や構造 | 厚さ/mm | 熱伝導率 W/(m·K) | 熱抵抗L/k/(m2.K/W) |
|---|---|---|---|---|
| 1 | インコネル625耐熱グリップ部品 | 3 | 17.5 | 0.00017 |
| 2 | アルミナセラミック摩耗パッド | 5 | 24.7 | 0.00020 |
| 3 | マコールガラスセラミック絶縁ブロック | 8 | 1.46 | 0.00548 |
| 4 | セラミックファイバーの絶縁体で | 12 | 0.16 | 0.07500 |
| 5 | 等価空隙層 | 4 | 0.085 | 0.04706 |
| 合計 | コンポジット・インサレート・パス | 32 | 0.25 (同等) | 0.12791 |
表3 複合絶縁路パラメータ
式(3)から、複合断熱経路の等価熱伝導率を次のように求めます。
単位面積当たりの熱流密度:
片側熱伝達:
同じ全厚さで,直接連続金属設計は平均熱伝導率20W/(m·K)を仮定し,熱流束は約3.84×10⁵W/m²であった。 複合経路の計算値は次のとおりである。 約98.7%低下しました. このモデルでは,Macor断熱層,セラミック繊維層,エアギャップ断熱層が主な熱抵抗を与える。 アルミナセラミックは接触摩耗抵抗性を有し,単一の一次絶縁層ではない。
4.3熱流シミュレーションの境界条件
| 境界条件 | 値 |
|---|---|
| 接触面温度 | 650 °C |
| 作業環境温度 | 35 °C |
| 自然対流熱伝達係数 | 8 W/(m²·K) |
| 高温工作物放射率 | 0.75 |
| 金属シールド外面放射率 | 0.35～0.45 |
| クランプ接触時間 | 20 s |
| 定常状態チェック時間 | 1800 s |
| エアホース外面安全標的 | ≤70 °C |
| シリンダーマウント面安全目標 | ≤60 °C |
表 4 · 熱流シミュレーションのための境界条件を示した。
結合熱構造解析は,まず温度場を計算し,次にそれをグリップ力,重力,動的加速度及び境界拘束をもつ構造モデルに導入する。 また,熱応力の測定により,熱伝達率の変化を調べた。
4.4 有限要素解析結果
| デザイン | 構造記述 | クランプジョイント根部の最大温度/°C | シリンダ装着面の最高温度/°C | エアライン外壁の最大温度/°C | 最大等価応力/MPa | 端部熱変形/mm | 評価 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| A | 304ステンレス鋼総合直結,保護なし | 312 | 186 | 156 | 221 | 0.46 | 空気圧安全要求を満たさない |
| B | メタルグリップ + 単層セラミックパッド | 168 | 104 | 121 | 138 | 0.29 | 改善したが,空気圧温度は過大である |
| C | 複合絶縁構造+反射シールド | 83 | 54 | 62～68 | 118(金属ゾーン)/42(セラミック断熱ゾーン) | 0.18 | このモデルの温度と変形基準を満たす |
表5 異なる構造方式の熱構造解析結果の比較
シミュレーションの結果,設計Cは設計Aに比べて,ジャイロルート温度を約73.4%,シリンダ装着面温度を約71.0%,ホース外壁温度を約56%‐60%,先端熱変形を約60.9%減少させた。 温度低下のほとんどはMacor絶縁ブロック,セラミック繊維層およびエアギャップ熱破壊を横断して起こった。 熱応力は絶縁ブロックのねじ穴,顎ステップ転移,セラミックパッドクランププレートの端部に集中する。 モデルでは,Macorブロック内の最大熱応力は,安全範囲内にあると仮定した42 MPaであり,金属顎根部の最大等価応力は,許容値以下の118 MPaである。 先端熱変形は0.18 mmで,0.25 mmの設計限界以下であった。
4.5断熱構造の最適化のためのキーポイント
- 連続金属熱ブリッジを減少させる :ホットエンドねじがアクチュエータ取付基板に直接伸びないようにする。 適切な場合は段階固定,絶縁ブッシュ,縮小断面接続を使用する。
- 負荷支持と絶縁を分離した:耐熱合金が負荷を担い,セラミックパッドが接触摩耗を防ぎ,マコーとセラミックファイバが熱流を遮断し,反射シールドが放射を減少させる。
- セラミック引張応力制御:面接触プレローディングを用い,鋭角荷重を避ける。 引張りや衝撃に対する耐性が限られた部品における局所応力を制限するために,チャムと円形の取付け穴を設けた。
- メンテナンス可能な絶縁モジュールを設置する:セラミックパッド,断熱繊維,反射板,エアラインシースをモジュール化した摩耗部品として設計し,迅速な交換が可能である。
05 空気回路保護設計
5.1空気回路保護の一般原理
空気回路の開発は,構造概念とともに行われ,空気回路の開発の原則に従って行われた。 熱源から空気供給を避ける 熱源近くの金属を使う 二次ホースの絶縁を提供する アクチュエータを低温域に配置し 圧力損失挙動を制御する. 熱破壊に弱いホースやフィッティング部位では,シールド側のルーティング,金属転換チューブ,絶縁スリーブ,反射シールドを組み合わせた。
5.2圧縮空気供給インタフェースの安全対策
圧縮空気供給インタフェースは,高温作業部品から直線距離300 mm以下で,機械の上部,ロボットフランジの後部,機器の固定端に配置し,空間が限られた場合は直射日光を避けるために反射板,ヒートシールド,構造シールドを使用する。
| 空調インタフェースユニット | デザインの手段を | 主な機能 |
|---|---|---|
| 手動停止弁 | ロック関数を設定 | メンテナンス中の圧縮空気供給を信頼性よく隔離する |
| 減圧弁 | 圧力は0.55〜0.65 MPaで安定である。 | 安定したクランプ力を確保 |
| 止回弁 | 圧力逆流防止 | 異常な圧力緩和を避ける |
| 圧力保持弁・小型空気受容器 | 空気を切断した後も短期間クランプを維持する | 指定された応答期間中に負荷を保持 |
| 安全弁 | 過圧時の解放 | 空気圧線路の破断を防止する |
| 圧力センサー | クランプ圧力のリアルタイム検出 | ロボット安全論理との連動 |
| 熱電対 | インターフェース領域の温度をモニタ | 局所的な熱蓄積を識別する |
表6 圧縮空気供給インタフェースの安全対策
空気力学論理においては,グリップ保持優先を用いる。 電源,空気供給,制御信号の故障後は,グリップまたは機械的ロックを維持する。 作業品が安全な位置にあるとき,支えが確立し,空気圧が安定したときにのみ放出を許可する。
5.3 エアホース絶縁設計
ホースを3段階で保護する。 低温で遮蔽された側に 向かわせる 外側の直接的な放射線 熱源の100–300 mm以内では,適切な316ステンレスチューブ,波形ステンレスチューブ,ステンレス編みPTFEホースを使用し,より遠方では通常の柔軟チューブに移行する。 セラミック繊維またはシリコンコーティングガラス繊維スリーブ,または波形ステンレス鋼保護を追加し,取り外し可能な外部反射器を備えた。
空気線路の熱保護効率を以下のように評価した。
ホース外壁温度178 ℃非保護,68 ℃保護を用い,周囲温度35 ℃のとき,計算した熱保護効率は,76.9%,である。 保護温度は本論文で設定した70 ℃目標以下である。 連続操作時の空気回路の挙動は,まだプロトタイプ温度測定とサイクルテストが必要である。
5.4空気力部品の熱保護設計
シリンダを低温域に置き,耐熱リンク,レバー,絶縁プッシュロッドを介して運動を伝達する。 ロッドと熱い顎の間に絶縁スリーブと薄い金属熱キャップを備えた。 ロボット手首の後方,ガントリースライドの隣り,あるいは固定した遠隔点にバルブとマニホールドを位置付け,ツールに短い線だけを残す。 炉放射が強いときは,シールドの外側に20–40L/minのパージカーテンを用い,スケールスプラッシュから遠ざける。 ホットゾーン線路を温度指示器で監視し,80 °C以上で検査停止。
06安全評価と産業応用
6.1 故障モードとリスク管理
機械,熱,空気,制御の4つのリスクカテゴリーを評価し,それぞれを故障原因,結果,制御措置,検査指標と結びつけた。
| 故障モード | 考えられる原因 | 主な結果は | 管理措置 | 提案された定量指標 |
|---|---|---|---|---|
| スリップ | クランプ力不足,酸化物スケール落下,空気圧低下 | 機器損傷・人身傷害 | 適切な安全係数,V溝または機械的支承,圧力保持弁 | 単ジョイント力≥4.2kN,0.45 MPa以下は操作禁止 |
| 空気線路の熱的時効 | 空気ホースは熱源に近く,断熱カバーがない。 | 空気漏れ,パイプ破断,クランプ圧力損失 | シールド側配線,金属管,絶縁スリーブ | エアライン外壁≤70 °C |
| シリンダーシール損傷 | シリンダの温度が高すぎてピストンロッドが熱を伝導する | 遅い動きとクランプ力の低下 | 後部シリンダー、断熱プッシュロッド、反射カバー | シリンダ取付面積≤60 °C |
| セラミックパッド割れ | 熱衝撃,点接触,圧板応力集中 | 接触面が損傷し,クランプが不安定である。 | 表面接触予備荷重,丸い角度遷移,交換可能なモジュール | セラミックの引張応力安全係数は3である。 |
| グリップジョイントの熱変形 | 温度勾配が大きすぎ,構造が非対称である。 | クランプオフセット荷重と位置誤差 | 対称絶縁,補強材の追加,シミュレーション検証 | 端部熱変形≤0.25 mm |
| 職員の火傷 | 保護カバーが欠け,高温に露出した表面 | 人身事故 | ヒートシールド、警告標識、連結区域 | 接触可能外面積≤55~60 °C |
| センサー故障 | 高温,熱放射,ケーブル老化 | アクション論理エラー | セットバックセンサ,金属管,絶縁 | センサ実装面積≤50 °C |
表7 主な故障モードと対策
6.2 産業応用シナリオ
加工体の構造と熱源特性を選択した。 鍛造荷卸 円棒,ビレット,金型鍛造品は耐熱合金ジョイント,セラミックパッド,機械的支持ステップを使用できる。 熱処理炉排出 バスケット・トレイ・シャフト・ディスク部品は 放射線遮蔽と遠隔配線を重視しています ダイカスト・鋳造後処理 スケール、フラッシュ、熱粒子衝撃に対する 保護が必要です 交換可能な反射シールドで 6軸ロボットエンドエフェクタでは,質量,重心オフセット,熱伝達を一緒に検証し,実用的な場合はフランジ後方にシリンダ,バルブマニホールド,センサを配置する。 トラスまたはガントリーの空間が許す場合,より厚い絶縁キャビティや外部バルブキャビティを使用することができる。
6.3 プロジェクト実施提案
- 設計段階で熱源インベントリを作成する:作業品と炉口温度,滞在時間,酸化物スケールスプラッシュ方向,ロボット経路,接触面積を記録する。
- プロトタイプ温度測定:ジャイロルート,シリンダ取付面,ホース外壁,弁マニホールドプレート,センサマウントに赤外線測定と熱電対を使用。 少なくとも連続運転時間2時間にわたる記録的な温度上昇を示した。
- 量産前サイクル寿命試験:少なくとも10000無負荷サイクル,2000模擬熱源クランプサイクル,セラミックパッドの亀裂,ファスナーのゆがみ,エアラインの硬化,シールの漏れ,再現性を検査する。
- 定期的なメンテナンスセラミックパッドはシフト毎,絶縁繊維は週1回,ホーススリーブは月1回検査し,損傷部品を交換する。 ホース温度が80 °Cを超えたり,シリンダ取付面が70 °Cを超えた場合は停止し調べる。
- 安全インターロック:グリップ,圧力,ロボット位置,ワークピース支持フィードバックを組み合わせた。 圧力が低い,グリップが不完全,温度が限界を超えると高速ハンドリングを阻害する。
07 結論と展望
結論: (1)グリッパーを高温荷重支持部、断熱部、低温駆動部に分け、荷重支持と熱保護の役割を明確にします。(2)本記事の設計比較は、熱流を抑制する複合断熱構造の有効性を示しています。(3)算出した等価熱伝導率は約0.25 W/(m·K)で、主な伝導経路の熱流束は直接金属接続に比べて約98.7%低くなります。(4)記載した650 ℃のシミュレーション条件では、シリンダー取付面は≤55 ℃、ホース外壁は≤68 ℃となり、本記事の温度目標を満たします。実際の連続運転性能は試作機による検証が必要です。(5)空気圧機器の保護と構造の断熱を一体で設計してください。部品の耐熱温度を上げるだけでは不十分です。(6)重要な断熱部品は保守可能なモジュールとし、規定に従って点検・交換します。
さらなる作業: セラミック‐金属界面における熱疲労寿命,絶縁材料組合せの測定比較,温度,空気圧および握力フィードバックを調べた。 選択データベース,予測保全,ディジタル安全評価は,対応する試験データとモニタリング結果を基礎として必要とする。
08 参考文献
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