噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)設計及試驗驗證

摘 要：在噴涂機器人工作過程中，如果內(nèi)部的電氣元件產(chǎn)生的火花或靜電接觸到油漆揮發(fā)的可燃性氣體，就會有爆炸風險。為了提高噴涂機器人的安全性，本文在現(xiàn)有機器人機械結(jié)構(gòu)和防爆原理的基礎上，采用正壓型防爆方法，對噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)進行設計，具體包括正壓防爆氣路系統(tǒng)設計與控制系統(tǒng)設計。經(jīng)過調(diào)試和性能試驗，驗證了該系統(tǒng)能夠有效達到噴涂機器人的正壓防爆效果，提高機器人的工作安全性。

關鍵詞：噴涂機器人；正壓防爆；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP 242" " " " 文獻標志碼：A

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化水平也日漸提升，工業(yè)機器人在各個領域得到廣泛應用，其中噴涂機器人主要應用于產(chǎn)品表面涂裝作業(yè)。由于噴涂機器人的工作環(huán)境通常是密閉的噴涂房間，因此在噴涂機器人工作過程中，若腔體內(nèi)部的電氣元件產(chǎn)生的火花、靜電接觸到油漆揮發(fā)的可燃性氣體，將會引發(fā)爆炸[1]。因此，為了保障噴涂過程中的安全，噴涂機器人必須具有防爆性能。防爆設計有本安型、隔爆型和正壓型等形式[2]，與其他類型的防爆技術(shù)相比，正壓型防爆對機械強度要求低，且在相同體積下正壓外殼質(zhì)量輕[3]，因此在噴涂機器人領域運用最廣泛且技術(shù)最成熟的防爆方法是正壓型防爆。此次研究設計了一種噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)，能夠有效提高噴涂機器人工作過程的安全性和可靠性。

1 正壓防爆噴涂機器人的結(jié)構(gòu)特點

正壓防爆噴涂機器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，正壓防爆噴涂機器人本體主要由底座部分、轉(zhuǎn)座部分、大臂部分、小臂部分、手腕部分等部件組成。其進氣口設置在底座的側(cè)面，出氣口設置在小臂頂端電機座腔體的側(cè)面。機器人本體各關節(jié)由伺服電機驅(qū)動，伺服電機分別安裝在轉(zhuǎn)座腔體和小臂頂端的電機座腔體中，各關節(jié)相互配合以調(diào)整機器人末端在空間中的位置和姿態(tài)。

2 噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)設計

2.1 功能需求分析

根據(jù)噴涂機器人的結(jié)構(gòu)特點及工作環(huán)境，工業(yè)機器人正壓防爆系統(tǒng)主要有以下功能。1）清掃換氣：在機器人本體啟動前，向正壓腔體內(nèi)充入保護性氣體（純凈空氣），將正壓腔體內(nèi)原有的爆炸性氣體排出，保證在較短的時間內(nèi)，將爆炸性氣體的濃度降至安全值以下。2）正壓維持：機器人正壓腔體內(nèi)的壓力應維持在一定范圍內(nèi)，在機器人本體工作過程中，實時監(jiān)測正壓腔體內(nèi)壓力大小。當檢測到壓力小于設定下限值時，向正壓腔體內(nèi)充氣補壓，直至壓力達到設定上限值。3）安全泄壓：在機器人本體工作過程中，若正壓腔體內(nèi)壓力過大，將腔體內(nèi)的氣體釋放泄壓，保證內(nèi)部壓力不會過高而導致正壓腔體內(nèi)零件損壞。4）故障報警：在機器人本體工作過程中，如果機器人可能發(fā)生嚴重泄漏或者氣源供氣故障，正壓腔體內(nèi)壓力小于安全值，就立即對機器人本體進行斷電并報警提示。

2.2 正壓防爆氣路系統(tǒng)設計

正壓防爆噴涂機器人的工作區(qū)域分為安全區(qū)域和危險區(qū)域，安全區(qū)域為放置防爆柜的非易燃易爆環(huán)境，危險區(qū)域為安裝有機器人本體的工作間。在機器人工作過程中，正壓防爆氣路系統(tǒng)供給純凈空氣，維持機器人腔體內(nèi)的正壓狀態(tài)，并對腔體內(nèi)的壓力進行監(jiān)測，系統(tǒng)主要包括氣源、調(diào)壓閥、供氣電磁閥、防爆電磁閥、安全閥、數(shù)顯壓力表等。正壓防爆噴涂機器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在工業(yè)機器人正壓防爆氣路系統(tǒng)中，氣源管路上安裝有空氣過濾器、油霧器和減壓閥，由空氣壓縮機提供氣源，空氣過濾器和油霧器用來過濾雜質(zhì)和水分，提供純凈的壓縮空氣，延長正壓防爆系統(tǒng)中各零部件的使用壽命。采用減壓閥對輸入的氣體進行壓力調(diào)節(jié)，避免空氣壓縮機直接充入氣壓，提高供氣的可靠性。

在防爆柜內(nèi)部安裝調(diào)壓閥、供氣電磁閥和數(shù)顯壓力表，調(diào)壓閥安裝在氣動三聯(lián)件的后面，用來調(diào)節(jié)進氣壓力的大小。供氣電磁閥的輸入端與調(diào)壓閥相連，通過氣動導管與機器人正壓腔體連通輸出端，用來向腔體內(nèi)通入保護性氣體。通過氣動導管與機器人正壓腔體連通數(shù)顯壓力表，實時監(jiān)測腔體內(nèi)的氣壓大小，為了保證壓力監(jiān)測的可靠性，數(shù)顯壓力表采用冗余設計。

在機器人本體內(nèi)部安裝防爆電磁閥，防爆電磁閥的輸入端與腔體內(nèi)相通，通過排氣管與腔體外連通輸出端。在排氣管上安裝流量計，用來檢測防爆系統(tǒng)對機器人腔體清掃換氣時的進氣量，為了提高流量檢測的可靠性，流量計采用冗余設計。在排氣管的末端，即出氣口處安裝消音器，用來消除排氣時產(chǎn)生的噪聲。在機器人腔體壁面上安裝安全閥，若腔體內(nèi)的壓力過大，則觸發(fā)安全閥打開泄壓，避免內(nèi)部壓力過大導致腔體內(nèi)的零件損壞[4]。

2.3 正壓防爆控制系統(tǒng)設計

在正壓防爆氣路系統(tǒng)的基礎上，進行控制系統(tǒng)相關設計，其示意圖如圖3所示。正壓防爆控制系統(tǒng)由主電模塊、控電模塊、指示燈模塊和氣動元件模塊組成[5]。

主電模塊：包括電源及開關，主要為正壓防爆系統(tǒng)中的元器件提供電源。

控電模塊：包括安全PLC、安全繼電器和防爆隔離柵。將控電模塊作為正壓防爆系統(tǒng)的“大腦”，對各個模塊起到協(xié)調(diào)作用，控電模塊接收各個模塊反饋的信息并進行有效決策和處理，然后控制正壓防爆系統(tǒng)中元器件的工作狀態(tài)和電路通斷。

指示燈模塊：包括開關指示燈、啟動按鈕指示燈、恒壓指示燈和故障報警指示燈，主要用來顯示正壓防爆系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

氣動元件模塊：即正壓防爆氣路系統(tǒng)，用來實時監(jiān)測機器人腔體內(nèi)的壓力大小以及進出氣狀態(tài)，并反饋到控電模塊進行控制調(diào)整。

2.4 正壓防爆系統(tǒng)的工作流程

基于前述的正壓防爆系統(tǒng)設計方案，該系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。在噴涂機器人工作期間，系統(tǒng)存在清掃換氣、正壓維持、安全閥泄壓和故障報警4種工作狀態(tài)。

清掃換氣：在機器人開始工作前，啟動防爆控制柜，打開供氣電磁閥和防爆電磁閥，向機器人正壓腔體內(nèi)充入純凈空氣，將原有的爆炸性氣體排出。在清掃換氣過程中，氣體壓力要高于0.02MPa，氣體流量要大于140L/min，清掃換氣計時6min，關閉供氣電磁閥和防爆電磁閥，清掃換氣工作完成。

正壓維持：清掃換氣完成后，機器人本體通電，開始運動進行作業(yè)。在機器人工作的過程中，正壓腔體內(nèi)壓力維持在0.02MPa～0.04MPa，當檢測到壓力小于0.02MPa時，打開供氣電磁閥，向機器人正壓腔體內(nèi)進行補氣至0.04MPa。

安全閥泄壓：在機器人工作的過程中，若正壓腔體內(nèi)壓力大于0.06MPa，則打開安全閥，泄壓至0.04MPa時停止。

故障報警：在機器人正常工作過程中，當正壓腔體內(nèi)的壓力降至0.02MPa時，打開供氣電磁閥進行補氣，腔體內(nèi)的壓力仍然持續(xù)下降，降至0.01MPa以下，此時機器人可能發(fā)生嚴重泄漏或者氣源供氣故障，應立即對機器人本體進行斷電并報警提示，停機檢查，排除故障后重新啟動正壓防爆系統(tǒng)。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

為了驗證正壓防爆系統(tǒng)的實用性，以某款正壓型防爆噴涂機器人為例，設計并搭建了試驗平臺，正壓防爆系統(tǒng)試驗平臺如圖5所示。試驗平臺主要包括控制柜、防爆柜、機器人本體、空氣壓縮機、氣動三聯(lián)件、氦氣瓶、氦氣濃度傳感器、氣管等。其中防爆柜中安裝調(diào)壓閥、供氣電磁閥和數(shù)顯壓力表。?16mm的氣管的一端與調(diào)壓閥和進氣電磁閥相連，另一端與機器人腔體相連，用來向機器人腔體內(nèi)提供純凈空氣，?6mm的氣管的一端與與數(shù)顯壓力表相連，另一端與機器人腔體相連，用來檢測機器人腔體內(nèi)的壓力。氦氣濃度傳感器探頭安裝在機器人出氣口處，用來檢測從出氣口排出氣流的氦氣濃度值。

3.2 清掃換氣試驗

根據(jù)國家標準，選用氦氣代替爆炸性氣體進行清掃換氣試驗，當試驗開始時，將氦氣濃度傳感器探頭安裝在機器人出氣口處，從機器人進氣口向腔體內(nèi)充入氦氣，當氦氣濃度傳感器顯示濃度高于75%時，立即停止充入氦氣，使用空氣壓縮機提供純凈空氣進行清掃換氣試驗，當氦氣濃度傳感器顯示濃度低于1%時，試驗完成。在試驗過程中，須實時記錄從出氣口排出的氣流中氦氣濃度值的變化情況，如圖6所示，機器人正壓防爆系統(tǒng)完成清掃換氣工作第一次試驗用時102s，第二次試驗用時110s。

3.3 正壓維持試驗

清掃換氣工作完成，機器人本體開始通電，在機器人工作過程中，實時記錄正壓腔體內(nèi)壓力隨時間的變化情況，如圖7所示。機器人正壓腔體內(nèi)的壓力基本維持在0.02MPa～0.04MPa，腔體內(nèi)壓力從0.04MPa降至0.02MPa兩次試驗均用時48.5s。當正壓腔體內(nèi)壓力小于0.02MPa時，打開供氣電磁閥，向腔體內(nèi)進行補氣至0.04MPa，補氣第一次試驗用時3.75s，第二次試驗用時3.5s。

3.4 安全閥泄壓試驗

調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，以0.1MPa的壓力向機器人正壓腔體內(nèi)充入氣體，當腔體內(nèi)壓力大于0.06MPa時，觸發(fā)安全閥打開泄壓，將壓力降至0.04MPa時安全閥關閉，正壓腔體內(nèi)壓力隨時間的變化情況如圖8所示，腔體內(nèi)壓力從0.06MPa降至0.04MPa，用時約3.5s。

3.5 故障報警試驗

在機器人工作過程中，關閉氣源，空氣壓縮機停止向機器人腔體內(nèi)供氣，腔體內(nèi)壓力逐漸下降，當壓力降到0.01MPa時，機器人本體斷電，故障指示燈亮起報警。在試驗過程中，腔體內(nèi)壓力隨時間的變化情況如圖9所示，腔體內(nèi)壓力從0.02MPa降至0.01MPa，第一次試驗用時24.75s，第二次試驗用時25s。

4 結(jié)論

本文設計了一款結(jié)構(gòu)簡單，安全性高，能夠根據(jù)機器人正壓腔體內(nèi)的壓力變化而進行自動調(diào)節(jié)的噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)。此正壓防爆系統(tǒng)采用清掃換氣、正壓維持、安全閥泄壓和故障報警相結(jié)合的方法，保證了機器人密封腔內(nèi)的正壓環(huán)境，防止爆炸性氣體接觸到腔體內(nèi)的電氣設備。經(jīng)過調(diào)試和試驗驗證，此正壓防爆系統(tǒng)能夠達到預期的效果，達到噴涂機器人正壓防爆的目的。

參考文獻

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[3]郗艷梅，石巖，岳紅新.煤礦危險氣體探測機器人結(jié)構(gòu)和防爆設計[J].煤炭技術(shù)，2016，35（9）：260-261.

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