一种耐热的助力抬升装置及其方法与流程

本发明属于助理抬升装置技术领域，具体涉及一种耐热的助力抬升装置及其方法。

背景技术：

机械抬升装置是机械结构中研究比较多的方面，机械抬升装置因为需要克服物件重力的作用而可靠地将重物进行某个方向上的抬升，完成特定条件下的作业,区别于平面移动装置，故机械抬升装置是机械结构研究的一个重要组成。通常来说，这类装置大多采用电力设备外加控制系统，例如推杆电机，丝杠加步进电机。当然也有运用液压抬升的装置。然而，平常的抬升装置,因为体积或行动方式的影响，不能到一些特殊的地方进行工作，比如说高温狭窄的焊机孔、小型管道等等特种用途的领域。

目前，国内外提出的一些基于推杆电机或者步进电机以及丝杠的电动机抬升装置、电动液压式抬升装置等。电动机械式抬升装置是由电动机带动联轴器再带动丝杠旋转，使得连接在丝杠上的安装板进行抬升。此外，还有直接运用推杆电机固连安装板，并进行抬升的装置。此类装置有着较高要求的电控装置，在高温环境下，有一定失控的可能性。其次，一般来说，推杆电机所能提供的推力很有限，只能抬升小质量的物体。另一种用得比较多的是电动液压式的抬升装置。一般此类抬升装置由调速阀与液压缸组成。在液压缸的缸杆部分增加刚性加长段，并用铰接连接。让刚性部分与承重板固连，用于快速抬升重物。这种办法相对来说结构比较复杂，机构体积比较庞大，不利于中小型物件的抬升。

在某些工艺中，比如玻璃模具预热或者等离子焊接预热等流水线中，都有将工件送到锅炉中进行加热的环节。目前主流的加热流程还是操作工人用夹具夹紧放入锅炉中进行加热。此种工艺不仅在开关炉门中造成能量损失，而且会给工人带来热害威胁。此外，此种工艺无法保证工件在高温中心，导致温度不必要的浪费。本设计的母体是提供一种便携的可在高温环境下工作的工件抬升装置，结构简单小巧；使用时操作简便，适用于各个年龄段的人。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种耐热的助力抬升装置及其方法，针对在某些高温环境下，工件在转移与抬升过程中所出现的各种困难。在对等离子焊接以及一些模具预热工艺进行市场调研的基础上，设计了一款便携的助力抬升装置，能有效的缓解工作人员的热害问题。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种耐热的助力抬升装置，包括水平设置的滑动装置及其上垂直设置的抬升装置；

所述滑动装置包括方形的滑动平台及设置在其内部中间位置的二号气缸及围绕设置其外侧的滑板，其中，所述滑板沿所述滑动平台水平滑动，所述滑板通过浮动接头与所述二号气缸连接；

所述抬升装置包括垂直设置在所述滑板上的一号气缸和导轨，其中，所述滑板与一号气缸连接，所述导轨底部固定在所述滑板上；水平设置的支撑板的前端贯穿固连所述一号气缸上部的活塞杆和所述导轨，所述支撑板的末端放置工件模型；

所述圆形导轨上设置有上下两个滑块，上部的所述滑块与所述支撑板固连；所述上下两个滑块与所述支撑板之间固连有呈三角状的肋板。

进一步的，所述工件模型的最大承载重量以及运行速度由所述一号气缸和二号气缸两个气缸决定，所述气缸的选择依据为：

${\mathrm{\σ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_{\lim }}{\[S_{\mathrm{\σ}}\]},{\mathrm{\τ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\τ}}_{\lim }}{\[S_{\mathrm{\τ}}\]},$

其中，σ_max为最大正应力，σ_lim为极限正应力，S_σ为正应力的安全系数，τ_max为最大剪应力，τ_lim为极限剪应力，S_τ为剪应力的安全系数。

进一步的，所述气缸为浮动可调缓冲型的迷你气缸，浮动接头为M8。

进一步的，所述导轨选用圆形导轨及其导轨副；所述滑块通过内部的直线轴承安装在所述导轨上，所述导轨和直线轴承均为金属结构，选择12Cr1MoV，并在表面涂上耐高温涂料。

进一步的，所述导轨的选择依据为：所述导轨所受压强不高于许用平均压强，压强P的计算公式如下：

其中，F为导轨所受压力，即为工件质量；S为导轨与导轨副接触面积。

进一步的，所述抬升装置中的所述滑块内部的直线轴承有螺纹，具有自锁功能。

进一步的，所述滑板为方形结构，所述一号气缸固定在所述滑板的水平轴线上，所述导轨有两个，沿所述滑板的水平轴线对称设置；

所述导轨外侧四周平行设置有支架，所述支架上方封闭。

一种耐热的助力抬升装置的方法，水平设置的滑动装置进行横向运输工作，垂直设置的抬升装置进行纵向抬升工作，具体包括以下步骤：

1)将工件放在载物台上；

2)底部的滑动装置的二号气缸进行水平面x轴方向的定位，二号气缸带动浮动接头移动，并且连带滑板进行x轴方向的移动，滑板上的抬升装置随之一同水平运动到炉口；

3)当滑板到达指定位置后，一号气缸的伸缩带动支撑板进行竖直z轴方向的移动，继而支撑板带动滑块沿导轨垂直向上移动，继而上下两个滑块带动中间的肋板一同向上，带动支撑板上的工件模型作相应运动抬升；

4)工件模型到达锅炉指定位置进行加热工作。

进一步的，工件外侧移量不超过5mm，抬升装置倾斜角度不超过5°。

有益效果：本发明提供的耐热的助力抬升装置及其方法，提供一种便携的可在高温环境下工作的工件抬升装置，结构简单小巧；使用时操作简便，适用于各个年龄段的人；并且能有效的缓解工作人员的热害问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的内部结构示意图；

图3为气缸及浮动接头的结构示意图；

图4为导轨及直线轴承的结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示为一种耐热的助力抬升装置；隐藏气缸和外板及滑动平台，可以观测到内部机构，如图2所示。

此装置设计初衷在于帮助人们更加方便地将物体运输到一些恶劣的环境下进行预热或加热等工序。装置主体由两部分组成，分别提供了水平面纵向的运动和竖直面上下的运动。两种运动的动力源均为气缸。气缸的伸缩，带动导轨上的滑块进行运动。滑块固连承重板以及肋片，带动承重板上的工件作相应运动。装置的最大承载重量以及装置的运行速度由气缸决定。此装置的材料为耐高温，耐高压的合金钢，在一些恶劣的环境下也能体现出良好的性能，耐用可靠。此装置在解放人们劳动力的同时，还能有效减少工作人员的热害威胁，还有着运动速率可调，性价比高等特点。

本助力抬升装置要实现将工件在指定方位进行抬升的功能。在设计时，需要考虑到多项要求，其中几项重要的要求如下：(1)平稳地将工件搬起来，工件外侧移量不得超过5mm，抬升装置倾斜角度不能超过5°；(2)抬升过程中对工件表面不能有损伤，且抬升装置具有自锁功能。

本助力抬升装置的结构设计主要包括机架的设计、气缸的选择。其机械动作主要完成工件的横向运输和纵向抬升工作。

本助力抬升装置直接作用于工作对象的装置力加持机构的结构、尺寸、材料、驱动方式和运动的极限位置将取决于工件的尺寸、形状、材料、重量、温度。我们初步确定了整体方案是：将整体结构划分为两部分组成。一部分进行横向进给，将工件送至炉口。另一部分进行纵向的抬升，将工件送至高温处进行预热处理，或者其他的工艺处理。

此耐热助力抬升机构的工作原理及过程是：首先将工件放在载物台上，接着底部的气缸带动滑块进行横向运动，带动连板以及板上的上层部分一同运动到炉口。紧接着，上层的气缸带动滑块进行纵向运动，带动载物台以及工件进行抬升。由此，工件可以顺利在锅炉中进行加热工作。

本机构通过二号气缸7进行水平面x轴方向的定位，二号气缸7动浮动接头移动，并且连带滑板6进行x轴方向的移动。当滑板6到达指定位置后，一号气缸5带动支撑板2进行竖直z轴方向的移动，继而支撑板2带动滑块4在圆形导轨上移动，继而上下两个滑块4带动中间肋板3一同向上，继而使得工件模型1到达锅炉指定位置进行加热。

由于锅炉内部环境是高温高压的工况，所以上述机构需要谨慎选材，简易选择12Cr1MoV，并在表面涂上耐高温涂料。

实施例

一种耐热的助力抬升装置，包括水平设置的滑动装置及其上垂直设置的抬升装置；其中，滑动装置包括方形的滑动平台及设置在其内部中间位置的二号气缸7及围绕设置其外侧的滑板6，其中，滑板6沿滑动平台水平滑动，滑板6通过浮动接头与二号气缸7连接；

抬升装置包括垂直设置在滑板6上的一号气缸5和导轨，其中，滑板6与一号气缸5采用螺栓连接，导轨底部固定在滑板6上；水平设置的支撑板2的前端贯穿固连一号气缸5上部的活塞杆和导轨，支撑板2的末端放置工件模型1。

圆形导轨上设置有上下两个滑块4，上部的滑块4与支撑板2固连；上下两个滑块4与支撑板2之间固连有呈三角状的肋板3。

工件模型1的最大承载重量以及运行速度由一号气缸5和二号气缸7两个气缸决定，气缸的选择依据为：

${\mathrm{\σ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_{\lim }}{\[S_{\mathrm{\σ}}\]},{\mathrm{\τ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\τ}}_{\lim }}{\[S_{\mathrm{\τ}}\]},$

其中，σ_max为最大正应力，σ_lim为极限正应力，S_σ为正应力的安全系数，τ_max为最大剪应力，τ_lim为极限剪应力，S_τ为剪应力的安全系数。优选的，气缸为浮动可调缓冲型的迷你气缸，浮动接头为M8。

导轨外侧四周平行设置有支架，支架上方封闭，支架用于架起导轨。导轨的选择依据为：导轨所受压强不高于许用平均压强，压强P的计算公式如下：

其中，F为导轨所受压力，即为工件质量；S为导轨与导轨副接触面积。导轨选用圆形导轨及其导轨副；滑块4通过内部的直线轴承安装在导轨上，导轨和直线轴承均为金属结构，选择12Cr1MoV，并在表面涂上耐高温涂料。

抬升装置中的滑块4内部的直线轴承有螺纹，具有自锁功能，当斜度和摩擦系数差不多时，可以实现自锁。

滑板6为方形结构，一号气缸5固定在滑板6的水平轴线上，导轨有两个，沿滑板6的水平轴线对称设置。

一种耐热的助力抬升装置的方法，水平设置的滑动装置进行横向运输工作，垂直设置的抬升装置进行纵向抬升工作，具体包括以下步骤：

1)将工件放在载物台上；

2)底部的滑动装置的二号气缸7进行水平面x轴方向的定位，二号气缸7带动浮动接头移动，并且连带滑板6进行x轴方向的移动，滑板6上的抬升装置随之一同水平运动到炉口；

3)当滑板6到达指定位置后，一号气缸5的伸缩带动支撑板2进行竖直z轴方向的移动，继而支撑板2带动滑块4沿导轨垂直向上移动，继而上下两个滑块4带动中间的肋板3一同向上，带动支撑板2上的工件模型1作相应运动抬升；

4)工件模型1到达锅炉指定位置进行加热工作。

工件外侧移量不超过5mm，抬升装置倾斜角度不超过5°。

对于气缸等的选型的计算过程如下：

1.工件重力计算

此非标自动化设备针对的对象是中小型物件，要实现中小型物件的抬升与传输工作，因此抬升工件的重力式设计时必须要考虑的内容之一。

假设被夹持工件的材料为灰铸铁，其密度为ρ＝7.2×10³kg/m³

根据重力计算公式：G＝m×g，质量计算公式：m＝ρ×V，以及圆柱体体积计算公式：V＝πr²h，我们可以得出工件的重量，计算过程如下：

V＝π×95²×10^-6×25×10^-3＝7.084625×10^-4m³

m＝7.2×10³×7.084625÷10^-4＝5.1kg

G＝5.1×9.8＝49.989≈50N

2.气缸选型及材料的选择

在计算完工件重量之后，我们要判断零件强度的方法是半段危险截面出的最大应力是否等于或小于其许用应力，此时，强度条件可以写成：

${\mathrm{\σ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\σ}}_{\lim }}{\[S_{\mathrm{\σ}}\]},{\mathrm{\τ}}_{\max }\≤\frac{{\mathrm{\τ}}_{\lim }}{\[S_{\mathrm{\τ}}\]}$

其中，σ_max为最大正应力，σ_lim为极限正应力，S_σ为正应力的安全系数，τ_max为最大剪应力，τ_lim为极限剪应力，S_τ为剪应力的安全系数。

要保证抬升装置能够正常工作，在满足强度条件的同时，还要考虑到耐热效能。此装置要求材料在高温800℃的环境下，能够正常工作。查阅工程材料资料，选择12Cr1MoV,表面涂上耐高温涂料，足以抵抗千度高温。

其化学成分如下表1所示：

表1钢材的化学成分

其力学性能如下表2所示：

表2钢材的力学性能

由于本装置针对的是中小型工件的预热，其重力在上文已经计算过。此钢材的强度要求和刚度要求远远满足。

本机械手对工件抬升力将由所选的气缸提供，所提供的抬升力必须保证能够将工件平稳抬升，不掉落，故气缸的选型时由工件所需抬升所决定，必须乘以安全系数。已知一般工厂体用的气源气压P为0.8MPa，可根据实际工作需要使用调压阀进行调压。因此，可得出所选气缸所可以提供的力的大小：

F_{安全抬升力}＝F_抬升力×1.2＝256.8N

气缸推出受力面积公式如下

S_推出＝0.25×π×(D²-d²)

气缸压入受力面积公式如下：

S_压入＝0.25×π×(D²-d²)

其中，D表示活塞直径，单位mm；d表示活塞杆直径，单位mm；P表示气压缸的工作压力，即气源气压。

气缸推力计算公式如下：

F_推力＝S_推出×P

气缸拉力计算公式如下：

F_受压力＝S_压入×P

根据以上公式可推出：

其中，F_受压力为气缸选型的主要决定参数，将直接影响工件夹紧力的大小。考虑工件最大直径和机械手的夹紧行程，选用气缸为迷你气缸(浮动可调缓冲型)，其型号为MAC 20x200-S-CA。根据所选气缸型号，选择浮动接头M8。

气缸的选型以及浮动接头如图3所示。

根据以上公式，计算此气缸压入时的受力面积和最大受压力：

S'_压入＝0.25×(20²-8²)＝264mm²

故该型号气缸满足使用要求。

气缸的理论出力值和规格参数如表3和表4所示：

表3气缸的理论出力值

表4气缸的规格参数

3导轨的选型

本机构要求机械手在工作时，需保证能在某一自由度上的运动平稳。导轨是将运动构件约束到只有一个自由度的装置，故在本机构的设计过程中，根据零件的所受压强选用不同型号的导轨约束机械手的各运动构件在某方向上的自由度。

本抬升装置工作环境温度高，工件可达到600℃～800℃高温，虽然导轨工作过程中并无与高温工件直接接触，但因整体装置皆为金属结构，导热率高，导轨离机械手夹紧部分较近，受热影响较大，一般的矩形导轨其导轨副部分结构为塑料材料，而一般塑料材料在到达80℃时会产生热形变，将严重影响机械手的正常工作。因此，选用圆形导轨及其导轨副，圆形导轨和直线轴承均为全金属结构，可避免出现因导轨和导轨副受热变形而影响机械手工作效率的情况。

考虑汽缸的安装位置和行程、导轨和直线轴承的结构布置，所选导轨及直线轴承如图4所示：

对于所选的导轨及直线轴承需进行交割，检验是否满足使用要求。校核圆形导轨所受压强是否满足许用平均压强，压强计算公式如下：

一般导轨的许用压强如表5所示：

表5导轨的许用压强(MPa)

导轨所受压力取决于滑动部分的质量：m＝24.9kg。且圆形导轨及直线轴承工作环境温度较高，则选取安全系数为：1.5。

圆形导轨与导轨副接触面积为：S＝10000mm²

根据以上参数可得，圆形导轨所受压力和压强的计算过程如下：

F＝G＝mg＝24.9×9.8＝244.02N

$P=\frac{F\×1.5}{S}=\frac{244.02\×1.5N}{10000{\mathrm{mm}}^2}=0.36Mpa$

查表3已知，许用平均压强为：0.5Mpa，故所选用的圆形导轨及其直线轴承符合使用要求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。