正壓防爆機器人在軍工生產中的應用

張東森

現階段，智能化技術得以深入發展，戰爭模式、武器裝備生產朝著無人化和智能化方向進步。為切實滿足軍工企業核心制造能力提高的要求，需深入分析在特殊領域，例如廢料處理、火工品搬運、全彈裝配和彈藥裝填過程中如何應用信息化和智能化技術，降低工傷事故以及保障產品質量。基于此背景，需就現有彈藥裝填技術予以革新，通過設計防爆機器人，解決大負載防爆機器人空缺問題，使得軍工生產和管理更為優化。

1 軍工生產中正壓防爆機器人的設計

1.1 背景

由于彈藥自動裝填無人技術仍處于理論探索時期，尚未設計出科學完備的彈藥裝填機器人，缺乏防爆機器人介入。研究在軍工行業中使用防爆機器人這一理論，將填補大負載防爆機器人的國內空缺，縮短噴涂型防爆機器人技術革新的時間。通過調查發現，多家機器人制造公司正研究一種基于正壓防爆系統的機器人，其能夠具備操作方便以及結構形式簡單的優勢，在設計防爆結構的過程中，基于機器人本體模型，設置骨架、密封圈、過線孔、正壓腔體，并運用密封處理辦法，保證活動部位具備密封特性，使得本體結構的防護等級滿足IP65標準。為切實提升正壓防爆效果，設計多點泄壓和獨立艙體結構，保證在換氣環節降低殘留以及消除死角[1]。

1.2 機器人設計

1.2.1 防爆機器人設計需求

具體設計需求見表1、2、3。基本需求依據見表4。基本組成見表5。

表1 基本需求

表2 功能需求

表3 性能需求

表4 基本需求依據

表5 機器人基本參數表

1.2.2 工作單元設計

設計的防爆機器人由6 個自由度的機械臂組成，對應6 個伺服電機，通過電機驅動實現旋轉和擺動各軸，相關人員在示教器上輸入控制要求，使得機器人展示出相應的功能和動作[2]。設有正壓外殼置于機器人本體，增設排氣口和進氣口。正壓操作需置于上電工作前，保證機器人外殼內部，處于正壓狀態，達到防爆效果。控制柜結構為正壓防爆型，其中設置元器件、電路和機器人控制器，防爆報警燈、防爆鑰匙開關、防爆停止按鈕和防爆啟動按鈕設于控制柜外表面。機器人控制柜提供機器人本體運行的主電源，通過操控開關和按鈕，實現報警、斷電和上電工作兩種狀態。示教器與機器人控制柜相連，可達到通過操控示教器，促使機器人產出相應動作的效果[3]。連接氣源閥門和管道，設置進排氣口，達到正壓通風的使用目的。對于正壓控制柜的設計來講，在普通柜體的基礎上，增加4 個隔爆箱。其中之一放置接觸器和主電源開關，另外3 個放置控制器，發揮正壓防爆的作用。操控人員通過控制外表面屏幕和薄膜按鈕，交互控制正壓防爆控制器。將報警燈與正壓防爆控制器連接，增加高低壓報警功能，連接進氣閥和正壓柜，顯示換氣控制信號。針對不同腔體壓力以及狀態可控制機器人本體是否開展上電操作。

2 正壓防爆機器人在軍工生產中的應用

機器人由內部傳感器、傳感單元驅動裝置和機械臂組成本體，能夠完成各種作業，其作為機械執行機構。包含手腕、小臂、連接法蘭、傳動裝置、伺服電機、減速器、肘關節、肩關節、大臂、腰部、踝關節和基座，每個關節均采用一個交流伺服馬達完成驅動。由于所設計的機器人屬于關節型機械連桿，由關節連接形成集合體，手臂形態與人體較為相似，符合空間開鏈式結構。一端能夠自由活動，另一端位于基座上，并用固定裝置，達到固定效果。連桿結構與關節共同組成機器人本體，其包含多個部分和多種關節結構。其中，基座起到支撐的作用，作為機器人的基礎部分，為其他各組織提供基本支撐力；手臂由大臂和小臂組成，與手腕和機身連接，作為運動主軸，能夠改變手腕的運行方向，并改變末端執行器空間位置；次軸部分為手臂和末端執行器連接的手腕，其能夠用于空間姿態的改變操作當中；連接法蘭是手腕機械接口的主要連接裝置，起到拼裝多類機械操裝置的作用。在整個機械臂運動系統當中，包含6 個交流伺服電機，能驅動六軸運動。手腕和小臂內的伺服電機能夠達到繞軸回轉的效果；髖關節、肘關節和肩關節的伺服電機可達到擺動機械臂和控制其運動的效果；腰關節的伺服電機能夠達到繞基座軸向旋轉的運動目的。操作人員使用正壓防爆型機器人作用于軍工生產環節當中，需提前對機械臂予以編程。由此控制伺服電機啟停，使得機械臂能夠在空間內達到6 自由度運動效果[4]。

2.1 控制箱

防爆正壓控制箱是正壓型防爆機器人的正壓控制部分，包含防爆聲光報警器、電磁閥、信號反饋繼電器、壓力傳感器、控制線路板和氣源壓力調節閥等。氣源計算公式為：

將數值代入公式得到：

其中，Q1=(3～5)m3/h，使用的進氣管內徑為8 mm。Δp=459Pa，防護服處的氣體壓力氣體壓力為P1≥1459Pa，因氣源存在壓力損失，其在進入減壓閥和手動閥會損失一部分壓力。通過讀取《氣動元、輔件的壓力損失表》，可知壓力損失為P2=0.025MPa，求出P ≥P1+P2≈0.04MPa，得到接入控制箱處的氣源壓力為0.04MPa[7]。由于存在漏氣問題，應當保證實際氣源壓力0.1MPa。正壓防爆裝置的氣路控制圖見圖1，正壓控制系統的工作流程見圖2。

圖1 正壓防爆裝置的氣路控制圖

圖2 正壓控制系統運行流程圖

本文所設計的正壓防爆機器人的正壓系統，由壓力傳感器、正壓控制器、防爆電磁閥和正壓槍組成。氣源來自壓縮潔凈空氣，將氣體輸入到正壓槍和正壓柜中，提供防爆所需必要氣源。途經管道進入危險區域的整個過程，需經過溢流調節閥、手動球閥和過濾減壓閥，聯動控制進氣電磁閥、泄壓閥、流量閥和精密減壓閥，保證正壓外殼壓力得到精準管控，使得整體壓力保持在50～500MPa范圍內。所設計的正壓柜在正壓環節可分為，換氣、充氣和運行三個階段。對于換氣階段而言，其屬于正壓工作的準備環節，通過換氣操作，將柜內的氣體和可燃性粉塵排出。操作人員將進氣電磁閥打開，保證氣體持續通入換氣系統當中，查看換氣倒計時時間，精準計算正壓柜內換氣量體積，需保證總氣體量超過柜內體積5 倍才可滿足最小換氣量要求。對于充氣階段而言，換氣結束后系統處于充氣狀態下。打開進氣電磁閥，增大柜內壓力，為運行階段做準備[8]。對于運行階段而言，需關閉進氣電磁閥，以流量閥小流量控制氣體進入柜中體積，保證柜內壓力值處于正常的范疇內[5]。通過檢測，若發現壓力值過高，應當打開報警器，采取泄壓操作。機器人將自動打開限壓閥，實現壓力降低操作目標。若壓力值過低，機器人將自動打開進氣電磁閥和報警器，使得壓力及時回升。

2.2 壓力監測裝置

在軍工生產過程中，壓力作為基本參數，其直接影響正壓防爆機器人的工作狀態以及安全性能，由此為保證正常運行應當檢測保護性氣體壓力，從而保障操作人員安全以及設備穩定運行。增設壓力檢測裝置，將其置于密封腔內，測量密封腔內壓力，將其與外界壓力進行比較，保證測量壓力高于外部環境壓力。使用壓差式傳感器，提高低壓控制精度。傳感器主要檢測的對象是機器人和外界環境壓力所形成的腔內壓力差，此種相對過壓為傳感器的重點控制要素。控制線路板以及壓力器共同組成壓力檢測裝置，粉塵控制箱作為壓力傳感器的放置位置，通過與周圍環境相連接，高壓端與機器人密封聯通。實際工作中，當保護性氣體不斷充入至密封腔內，此環境中壓力值會加大，形成過壓壓力，傳感器收集到過壓信號，將其轉變為模擬信號，傳送至控制線路板[6]。

2.3 正壓腔

將正壓防爆機器人應用于軍工生產當中，需要維持機器人處于正常運行狀態，保證密封腔的過壓維持在安全的范圍內。

防爆機器人有自主巡邏、一鍵到達以及手動控制等多種工作模式，目前在倉儲、危險品生產、危險工作場所場景廣泛應用，尤其軍工生產中其借助智能識別算法和多種傳感器，在設定每日計劃后，執行巡邏值守任務，準時到達值守點。工作中，通過實時上傳巡視周邊環境和周邊視頻數據、環境數據信息，并將數據信息保存到本地，傳輸至后臺系統。如存在異常情況，機器人管理后臺和用戶的移動終端將接收報警信息，自動識別，提供預處理意見。

3 結束語

綜上所述，設計軍工生產中的正壓防爆機器人，需以實現正壓為最終作用控制目標。通過協調各子系統的反饋控制系統，達到管控要求。整個正壓系統在工作過程中，將對壓力的管控，作為運行的關鍵控制要素，針對不同壓力采取對應的自動報警和故障排除操作，達到及時報警以及停止工作元件運行的效果。為此，需要各專業技術人員積極參與到正壓型防爆機器人設計制造和調試的研究工作當中，提升機器人的防爆性能，保證我國軍工生產處于高質高效的狀態。