正壓型噴涂機器人的正壓保護系統設計*

李世光

(1廣州特種機電設備檢測研究院，廣東廣州 510663；2國家防爆設備質量監督檢驗中心，廣東廣州 510760)

0 引言

隨著“中國制造2025”規劃的提出和實施，工業機器人已經廣泛應用于各個領域，其中噴涂機器人主要應用于表面涂裝行業。不同于其他工業機器人，噴涂機器人主要的工作環境是全封閉或半封閉的噴涂房間，由于工藝中使用的油漆含有高濃度的易燃易爆氣體混合物，比如苯、二甲苯等，所以根據GB 14444—2006的相關規定，噴涂房間屬于爆炸性環境危險場所1區[1]。而噴涂機器人工作時，其內部電氣部件可能產生的電氣火花、電機運行產生的熱表面、金屬運動部件可能碰撞、摩擦產生的機械火花，非金屬外殼或傳動皮帶攜帶的靜電放電火花等都有可能成為潛在的點燃源，根據爆炸三角形理論，在噴涂機器人正常工作時，極有可能導致爆炸性油漆混合物的燃爆，從而造成財產損失和人員傷亡。因此，為確保噴涂過程中的安全，噴涂機器人應考慮相應的防爆要求。

目前，國內外取得防爆認證的噴涂機器人大多數都是基于正壓“p”型防爆技術設計，技術最為成熟。但是，不同于結構簡單的正壓電氣控制柜[2]，正壓型噴涂機器人結構復雜，功能要求特殊，尤其是其正壓保護系統的設計需要考慮更多性能上的要求，本文將對正壓型噴涂機器人的正壓保護系統設計進行介紹。

1 正壓噴涂機器人的結構及特點

正壓型噴涂機器人一般是一種多自由度的多關節機構，如圖1所示，其本體由底座、腰關節、大臂、大臂關節和小臂組成，各關節驅動電機分別安裝在腰關節腔體和大臂關節腔體中(小臂關節的其他自由度通過機械傳動控制)，底座一般用于接線端子的安裝以及正壓進氣內部管路的分配。

圖1正壓噴漆機器人結構簡圖

由于實際工業生產中，噴涂機器人需要長時間工作，電機和機械傳動摩擦產生的熱量較大，一般采用連續氣流的工作方式來實現正壓防爆，與此同時通過氣體流動帶走熱量[3]，這就要求穩定的氣源和長時間的正壓保持。

另外，噴涂機器人為了保證準確定位，采用絕對式編碼器進行位置反饋，絕對式編碼器是不能斷電的，一旦斷電，位置信息丟失，即使再上電也不能準確定位，需要對機器人的原點進行重新校準，所以，保證噴涂機器人的位置反饋系統長期穩定供電是其最重要的技術要求之一。但是這一點與“正壓不起作用時電氣部件不得帶電或受相應防爆型式保護”的要求相矛盾。

基于以上噴涂機器人的結構特點，正壓型噴涂機器人的正壓保護系統除了基本的正壓保持之外，還需要考慮氣源短暫波動以及正常失壓狀態下的壓力補償，盡可能的保證噴涂機器人長時間的正壓保持及其位置反饋系統的長時間供電。

2 正壓保護系統的硬件設計

對于一般的正壓型設備，是在固定的流速下向正壓外殼內充入保護氣體，然后由正壓保護系統維持正壓外殼內部的壓力來保證正壓防爆，一旦壓力下降至保護動作值，啟動報警甚至立即斷電停止工作。

由于噴涂機器人需要長時間工作，不能輕易斷電，本文中的正壓保護系統在正常的充氣通路之外增加了一個補充充氣通路，如圖2所示。

圖2正壓噴涂機器人的正壓保護系統示意圖

該補充充氣通路由一個電磁閥SV控制，正壓保護系統通過噴涂機器人內部的正壓檢測裝置反饋的內部正壓的變化情況來控制電磁閥的通斷，加大流量向其內部充入保護氣體，該通路的流量參考實際使用情況設計，必要時，該通路的供氣來自于另一個備用氣源，盡可能地保證其內部正壓恢復到正常工作范圍內。

參照GB/T 3836.5—2017附錄C[4]，正壓噴涂機器人內部不同腔體甚至同一腔體不同位置的的壓力是不一樣的，因此，必須設置多個壓力監測點，以保證整個正壓噴涂機器人內部的正壓都滿足要求。一般來說，監測點應選擇在外部氣體可能侵入并且可能持續存在的位置，以及有潛在點燃能力設備的附近，比如不同關節軸承位置、底座靠近進氣口位置、大臂關節腔體靠近排氣口位置等。

由于機械式壓力開關(以下簡稱“壓力開關”)的結構簡單，成本低廉，通常配合安全柵使用在一般的正壓型設備(比如正壓控制柜)中進行壓力檢測。

但是一個壓力開關一般只能設置一個固定的壓力動作值(當然也有一個壓力開關可設置多個壓力動作值，但是成本和體積上并不會有太大改善)，對于噴涂機器人，需要監測的位置多，每個位置還需要實時監測多個壓力值，這就需要多個壓力開關，這對噴涂機器人內部狹小的空間是個挑戰。

而差壓傳感器，尤其是本安型，由于其體積小，精度、靈敏度高，更重要的是可以連續實時檢測變化的壓力值，因此僅需要一個本安型差壓傳感器就可以代替多個壓力開關，大大節省安裝空間。

另外使用差壓傳感器實時監測壓力變化，在控制邏輯上能夠區分壓力上升和壓力下降(比如微分計算)，可以避免一些誤操作，更進一步的可以通過上升速率的計算實現一些更精密的正壓控制邏輯。

因此，本文建議正壓型噴涂機器人的正壓保護系統采用本安型差壓傳感器檢測其內部正壓。

3 正壓保護系統的控制邏輯

基于前述的正壓控制系統的硬件設計方案，在正壓型噴涂機器人整個工作期間，正壓控制系統存在三種正常工作狀態，并有可能出現三種異常故障狀態，如圖3所示。

圖3正壓噴涂機器人的正壓控制邏輯示意圖

在上述這些狀態之間的控制邏輯如下。

狀態一：正常換氣狀態S0。

保護氣體源準備就緒，正壓保護系統啟動，為減少換氣時間，開啟電磁閥SV，打開補充充氣通路，與正常充氣通路一起，以最大流量向機器人內部充入保護氣體，機器人內部正壓迅速上升，當內部正壓達到P2時，開始計時換氣時間Ts，內部壓力繼續上升，最終保持P3穩定，在達到制造商規定的換氣時間Ts之前，設備總電源開關KM斷開。

在正常換氣狀態S0，如果正壓一直低于P0或者在未達到換氣時間Ts之前下降到P0(如圖3所示異常狀態S5)，則可能是氣源不穩定或機器人存在嚴重泄漏，應關閉氣源停機檢查，并重置正壓保護系統(換氣時間計時清零)，設備總電源開關KM保持斷開，待排除故障后重新開始。

狀態二：正常工作狀態S1。

在正常換氣狀態S0，達到換氣時間Ts后，為節省氣源，關閉電磁閥SV，以正常流量充入保護氣體，內部正壓下降到P2并維持穩定，與此同時，設備總電源開關KM閉合，機器人上電正常工作。

在此過程中，如果電磁閥SV失效，機器人內部維持P3正壓(如圖3所示異常狀態S3)，此時應關閉氣源停機檢查，并重置正壓保護系統(換氣時間計時清零)，設備總電源開關KM斷開，待排除故障后重新開始。

狀態三：正常工作補氣狀態S2。

在正常工作狀態S1，由于氣源短暫不穩定或者檢修窗口臨時打開等原因，機器人內部的正壓會出現波動，甚至會大幅下降，一旦正壓下降到P1，及時打開電磁閥SV，加大充氣流量，提高機器人內部正壓，當正壓上升至P2后，為了節省氣源，再次關閉電磁閥SV，以正常流量充入空氣，如此反復，直至氣源穩定或檢修結束，此時仍然維持機器人總電源開關KM閉合，機器人正常工作。

階段四：運行異常狀態S4。

當機器人處于正常工作狀態S1或正常工作補氣狀態S2時，一旦正壓下降至P1，即使打開電磁閥SV進行補氣，正壓雖有上升，但仍會繼續下降，直至下降到P0及以下，此時機器人可能發生嚴重泄漏或保護氣體源關閉，應及時斷開機器人總電源開關KM，停機檢查，并重置正壓保護系統(換氣時間計時清零)，待排除故障后重新開始。

4 P0～P3的設定

正壓型噴涂機器人的正壓保護系統的控制邏輯設置了四個正壓值P0～P3。

P3稱之為最大正壓，即機器人在工作中內部可能承受的最大正壓，標準中有要求，為了保證人員安全，該值不應超過2.5kPa[4]。必要時，機器人安裝的泄壓裝置的設定值應不大于該值。

P2稱之為正常工作正壓，即僅開啟正常充氣通路，機器人正常工作時穩定的內部正壓。

P1稱之為補氣動作正壓，當機器人內部正壓下降至該正壓以下時，要及時開啟補充充氣通路，必要時，觸發聲光報警裝置，提醒使用人員觀察機器人內部壓力變化情況。

P0稱之為最小工作正壓，當機器人內部正壓下降至該正壓以下時，應及時關閉機器人總電源開關KM。

一般情況下，對于用于1區的噴涂機器人，標準規定的內部正壓不小于50Pa，但考慮到差壓傳感器靈敏度、精度以及內部正壓變化的滯后性等因素，P0的值應遠大于50Pa，建議設定為100Pa以上。

當然，這僅僅是針對一個壓力監測位置的設定，對于其他壓力監測位置，P0～P3的設定值要做相應調整，以適應不同位置的壓力變化。

5 結語

本文主要對正壓噴涂機器人的正壓保護系統的硬件及其控制邏輯的設計進行介紹，通過實際使用，在可接受的范圍內保證噴涂機器人長時間的正壓保持及其位置反饋系統的長時間供電，達到預期效果，為正壓噴涂機器人的制造商在其設計方面提供參考。