正壓型防爆機器人的設(shè)計及應(yīng)用

(華榮科技股份有限公司，上海201808)

0 引言

工業(yè)機器人的應(yīng)用是一個國家工業(yè)自動化水平的重要標(biāo)志。隨著現(xiàn)代科技的迅速發(fā)展，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，而在可燃性粉塵環(huán)境中，由于可燃性粉塵是易燃易爆物質(zhì)，遇到火花或達(dá)到一定的溫度，可能發(fā)生爆炸，造成嚴(yán)重后果，因此通用型機器人需要進(jìn)行防爆處理才能在可燃性粉塵環(huán)境中應(yīng)用。防爆機器人的應(yīng)用，不僅可提高產(chǎn)品的質(zhì)量與產(chǎn)量，而且對保障人身安全、改善勞動環(huán)境、減輕勞動強度、提高勞動效率、節(jié)約原材料消耗以及降低生產(chǎn)成本，具有著重要意義，同時對我國向智能型工業(yè)發(fā)展起到了積極的促進(jìn)作用。

本文在通用型機器人的基礎(chǔ)上，結(jié)合實際的應(yīng)用情況，提出了機器人的一種正壓型防爆系統(tǒng)，以使通用型機器人在可燃性粉塵環(huán)境中應(yīng)用實現(xiàn)有效防爆。

1 正壓型防爆機器人控制系統(tǒng)的設(shè)計

1.1 爆炸產(chǎn)生的條件

爆炸是物質(zhì)從一種狀態(tài)突然變化到另一種狀態(tài)，并在極短的時間內(nèi)釋放出巨大的能量的過程，期間可能產(chǎn)生巨大的光和熱能，其中包括混合氣體爆炸，混合粉塵爆炸等，在此我們僅考慮混合性可燃粉塵。盡管機器人布置在爆炸性粉塵場所,但粉塵的爆炸需要具備三個要素:(1)點燃源-火花或溫度；(2)爆炸性物質(zhì)-可燃性粉塵；(3)助燃劑-氧氣。

當(dāng)以上三個條件同時滿足并且可燃性粉塵與空氣的混合物在爆炸范圍內(nèi),將會產(chǎn)生爆炸。缺少任何一個要素都不能產(chǎn)生爆炸，因此只需要采取適當(dāng)措施使得爆炸產(chǎn)生的三個要素中不同時具備,就能阻止爆炸產(chǎn)生,本文采用的是阻斷點燃源的方式。

1.2 防爆形式的選擇

防爆形式有多種,如外殼保護(hù)型“td”，本質(zhì)安全型“iD”，澆封型“mD”，正壓外殼型“pD”等，通過以上的防爆形式介紹，適用于機器人的防爆形式有外殼保護(hù)型“tD”和正壓保護(hù)型“pD”。外殼保護(hù)型“tD”的防爆形式對機器人的本體設(shè)計提出了很高的要求，此外機器人各軸的驅(qū)動電機安裝在不同的位置，采用外殼保護(hù)型必將增大本體尺寸，使得機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此不能采用外殼保護(hù)型“tD”。正壓型防爆指的是通過電氣控制系統(tǒng)，使機器人在啟動和運行時，向正壓外殼內(nèi)充入保護(hù)性氣體，比如潔凈空氣，保持外殼內(nèi)壓力高于周圍環(huán)境，阻止可燃性粉塵進(jìn)入外殼內(nèi)，以此達(dá)到防爆的作用。正壓保護(hù)型結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，因此選擇正壓保護(hù)型“pD”。

1.3 正壓型防爆的原理

向外殼內(nèi)充以保護(hù)氣體，保持外殼內(nèi)部高于周圍環(huán)境的過壓力，阻止可燃性粉塵進(jìn)入外殼內(nèi)，以避免在外殼內(nèi)部形成爆炸粉塵環(huán)境。

1.4 正壓型防爆機器人系統(tǒng)設(shè)計

正壓保護(hù)型有靜態(tài)正壓保護(hù)、具有泄漏補償?shù)恼龎罕Ｗo(hù)和具有保護(hù)性氣體連續(xù)流動的正壓保護(hù)。

靜態(tài)正壓保護(hù)：設(shè)備運行中，不再添加保持危險場所中正壓外殼內(nèi)過壓值的保護(hù)方法。

具有泄漏補償?shù)恼龎罕Ｗo(hù)：當(dāng)外殼出氣口封閉時,保護(hù)氣體源足以補償正壓外殼及其管道中的任何泄漏與保持其內(nèi)過壓的保護(hù)方法。

具有保護(hù)性氣體連續(xù)流動的正壓保護(hù)：用保護(hù)氣體通過在外殼內(nèi)連續(xù)流動保持正壓外殼內(nèi)過壓的保護(hù)方法。

靜態(tài)正壓保護(hù)對外殼的設(shè)計、制造和安裝都提出了比較高的要求，相應(yīng)的增加了產(chǎn)品的制造和維護(hù)成本。具有保護(hù)性氣體連續(xù)流動的正壓保護(hù)，需要持續(xù)通入一定壓力和流量的保護(hù)氣體，以維持外殼內(nèi)的過壓，這給產(chǎn)品后期的維護(hù)帶來困難。而具有泄漏補償?shù)恼龎罕Ｗo(hù)僅需要向外殼內(nèi)通入少量的保護(hù)氣體，即可維持外殼內(nèi)的過壓，對設(shè)計、制造、安裝和維護(hù)都沒有太高的要求，因此本方案采用具有泄漏補償?shù)恼龎罕Ｗo(hù)。

正壓型防爆機器人系統(tǒng)包含通用型機器人、防爆正壓控制箱、正壓腔體、安全裝置、報警系統(tǒng)和壓力傳感系統(tǒng)等，如圖1所示。

圖1 正壓型防爆機器人系統(tǒng)

依據(jù)GB 12476.7—2010 可燃性粉塵環(huán)境用電氣設(shè)備 第7部分：正壓保護(hù)型”pD”進(jìn)行流程設(shè)計。

1.4.1 防爆正壓控制箱

防爆正壓控制箱按照GB 12476.5：外殼保護(hù)型“tD”要求設(shè)計，防爆正壓控制箱是正壓型防爆機器人的正壓控制部分，包含氣源壓力調(diào)節(jié)閥、控制線路板、壓力傳感器、信號反饋繼電器、電磁閥和防爆聲光報警器等，防爆正壓控制箱外型如圖2所示。

圖2 防爆正壓控制箱外形

氣源計算如下:防護(hù)服氣體泄漏量Q1=(3～5)m3/h,進(jìn)氣管采用外徑φ12mm的軟管，內(nèi)徑為φ8mm;氣源進(jìn)氣流量為Q

將數(shù)值帶入公式計算得

計算得△P≈459Pa

因此進(jìn)入防護(hù)服處的氣體壓力P1≧1459Pa,因氣源在進(jìn)入手動閥和減壓閥處是會有壓力損失，壓力損失查通過氣動元、輔件的壓力損失表，可知壓力損失為P2=0.025MPa,因此接入控制箱處的氣源壓力P≧P1+P2≈0.04MPa,考慮到各接口處漏氣，因此接入控制箱處的實際氣源壓力應(yīng)不小于0.1MPa。正壓防爆裝置的氣路控制圖如圖3所示。正壓控制系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。

圖3 正壓防爆裝置的氣路控制圖

圖4 正壓控制系統(tǒng)的工作流程

1.4.2 壓力檢測裝置

壓力是工業(yè)生產(chǎn)中重要的基本參數(shù)，在機器人的正常運行過程中，保護(hù)性氣體壓力的檢測，是保證設(shè)備和人身安全的必要條件。為保證機器人密封腔內(nèi)的壓力高于外界周圍環(huán)境壓力，需要為密封腔設(shè)置壓力檢測裝置。目前應(yīng)用廣泛且能在低壓狀態(tài)保持高精度的壓力傳感器為壓差式傳感器，傳感器主要檢測外界環(huán)境壓力與機器人密封腔內(nèi)壓力差，形成一個相對的過壓。壓力檢測裝置主要為壓力傳感器和控制線路板，將壓力傳感器設(shè)置在粉塵控制箱內(nèi)，壓力傳感器的低壓端直接連接周圍環(huán)境，高壓端通過氣動氣管機器人密封腔連通，當(dāng)向機器人密封腔內(nèi)充入保護(hù)性氣體時，密封腔內(nèi)的壓力會逐漸增大，與外界形成一定的過壓，此時壓力傳感器將采集到的相對壓力轉(zhuǎn)換為模擬信號,發(fā)送給控制線路板,控制線路板根據(jù)壓力傳感器的數(shù)據(jù)以及預(yù)先設(shè)置的程序,控制相應(yīng)的報警裝置,接觸器等電氣控制類元件工作，從而保證機器人密封腔內(nèi)的過壓保持在相對安全的狀態(tài)。

1.4.3 正壓防護(hù)服構(gòu)成的正壓腔

密封腔的密封性是保證機器人在正常運行時，維持密封腔內(nèi)過壓的重要保障，根據(jù)現(xiàn)有材料的設(shè)計，機器人正壓密封腔的結(jié)構(gòu)形式有軟結(jié)構(gòu)(如紡織品)和硬結(jié)構(gòu)(如金屬)。正壓型防爆機器人首先需要保證機器人的正常運行，硬結(jié)構(gòu)在設(shè)計中會增加設(shè)計與制造難度，使得結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。軟結(jié)構(gòu)由于具有很強的柔韌性，在設(shè)計、制造、安裝和調(diào)試中都有很大的優(yōu)勢，因此本方案中采用的是軟結(jié)構(gòu)(紡織品表面電阻不大于109)和硬結(jié)構(gòu)相結(jié)合的方式，其目的是為了保證機器人的各個運動角度保持不變。防護(hù)服為一體式結(jié)構(gòu)，將機器人整體包裹在里面，使得機器人整體處在正壓環(huán)境中，保證了機器人的安全運行。

綜上，正壓型防爆機器人的控制系統(tǒng)是通過各個子系統(tǒng)相互反饋控制協(xié)調(diào)實現(xiàn)正壓的。接通電源，按下啟動按鈕，此時壓力傳感器將檢測到的過壓值傳送給控制板，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定過壓值時，正壓控制系統(tǒng)進(jìn)入正常運行模式，機器人可以工作，當(dāng)正壓密封腔內(nèi)壓力低于設(shè)定過壓值，系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定程序向報警裝置發(fā)出報警信號，此時系統(tǒng)處于報警狀態(tài)，并且系統(tǒng)通過控制交流接觸器等電器切斷機器人的工作電源，使機器人停止工作，從而保證機器人只能在安全環(huán)境中工作，保障設(shè)備和人員的安全。

2 結(jié)語

通過比較國內(nèi)外正壓型防爆機器人的設(shè)計，結(jié)合本文正壓型防爆機器人的設(shè)計、制造和調(diào)試情況，設(shè)計和制造都滿足GB 12476.7的要求。通過多次試驗和調(diào)試達(dá)到預(yù)定的效果，能夠有效的實現(xiàn)機器人的防爆功能。