噴涂機(jī)器人正壓防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)及試驗(yàn)驗(yàn)證

摘 要：在噴涂機(jī)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(huì)有爆炸風(fēng)險(xiǎn)。為了提高噴涂機(jī)器人的安全性，本文在現(xiàn)有機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)和防爆原理的基礎(chǔ)上，采用正壓型防爆方法，對(duì)噴涂機(jī)器人正壓防爆系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體包括正壓防爆氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。經(jīng)過調(diào)試和性能試驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)能夠有效達(dá)到噴涂機(jī)器人的正壓防爆效果，提高機(jī)器人的工作安全性。

關(guān)鍵詞：噴涂機(jī)器人；正壓防爆；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP 242" " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著現(xiàn)代科技的不斷發(fā)展，工業(yè)自動(dòng)化水平也日漸提升，工業(yè)機(jī)器人在各個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中噴涂機(jī)器人主要應(yīng)用于產(chǎn)品表面涂裝作業(yè)。由于噴涂機(jī)器人的工作環(huán)境通常是密閉的噴涂房間，因此在噴涂機(jī)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(huì)引發(fā)爆炸[1]。因此，為了保障噴涂過程中的安全，噴涂機(jī)器人必須具有防爆性能。防爆設(shè)計(jì)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(duì)機(jī)械強(qiáng)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(jī)器人領(lǐng)域運(yùn)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(shè)計(jì)了一種噴涂機(jī)器人正壓防爆系統(tǒng)，能夠有效提高噴涂機(jī)器人工作過程的安全性和可靠性。

1 正壓防爆噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

正壓防爆噴涂機(jī)器人結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，正壓防爆噴涂機(jī)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(jìn)氣口設(shè)置在底座的側(cè)面，出氣口設(shè)置在小臂頂端電機(jī)座腔體的側(cè)面。機(jī)器人本體各關(guān)節(jié)由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，伺服電機(jī)分別安裝在轉(zhuǎn)座腔體和小臂頂端的電機(jī)座腔體中，各關(guān)節(jié)相互配合以調(diào)整機(jī)器人末端在空間中的位置和姿態(tài)。

2 噴涂機(jī)器人正壓防爆系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 功能需求分析

根據(jù)噴涂機(jī)器人的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作環(huán)境，工業(yè)機(jī)器人正壓防爆系統(tǒng)主要有以下功能。1）清掃換氣：在機(jī)器人本體啟動(dòng)前，向正壓腔體內(nèi)充入保護(hù)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(shí)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(jī)器人正壓腔體內(nèi)的壓力應(yīng)維持在一定范圍內(nèi)，在機(jī)器人本體工作過程中，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)正壓腔體內(nèi)壓力大小。當(dāng)檢測(cè)到壓力小于設(shè)定下限值時(shí)，向正壓腔體內(nèi)充氣補(bǔ)壓，直至壓力達(dá)到設(shè)定上限值。3）安全泄壓：在機(jī)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(huì)過高而導(dǎo)致正壓腔體內(nèi)零件損壞。4）故障報(bào)警：在機(jī)器人本體工作過程中，如果機(jī)器人可能發(fā)生嚴(yán)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(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行斷電并報(bào)警提示。

2.2 正壓防爆氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

正壓防爆噴涂機(jī)器人的工作區(qū)域分為安全區(qū)域和危險(xiǎn)區(qū)域，安全區(qū)域?yàn)榉胖梅辣竦姆且兹家妆h(huán)境，危險(xiǎn)區(qū)域?yàn)榘惭b有機(jī)器人本體的工作間。在機(jī)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(jī)器人腔體內(nèi)的正壓狀態(tài)，并對(duì)腔體內(nèi)的壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，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(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在工業(yè)機(jī)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(jī)提供氣源，空氣過濾器和油霧器用來(lái)過濾雜質(zhì)和水分，提供純凈的壓縮空氣，延長(zhǎng)正壓防爆系統(tǒng)中各零部件的使用壽命。采用減壓閥對(duì)輸入的氣體進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)，避免空氣壓縮機(jī)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(dòng)三聯(lián)件的后面，用來(lái)調(diào)節(jié)進(jìn)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(dòng)導(dǎo)管與機(jī)器人正壓腔體連通輸出端，用來(lái)向腔體內(nèi)通入保護(hù)性氣體。通過氣動(dòng)導(dǎo)管與機(jī)器人正壓腔體連通數(shù)顯壓力表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)腔體內(nèi)的氣壓大小，為了保證壓力監(jiān)測(cè)的可靠性，數(shù)顯壓力表采用冗余設(shè)計(jì)。

在機(jī)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(jì)，用來(lái)檢測(cè)防爆系統(tǒng)對(duì)機(jī)器人腔體清掃換氣時(shí)的進(jìn)氣量，為了提高流量檢測(cè)的可靠性，流量計(jì)采用冗余設(shè)計(jì)。在排氣管的末端，即出氣口處安裝消音器，用來(lái)消除排氣時(shí)產(chǎn)生的噪聲。在機(jī)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(dǎo)致腔體內(nèi)的零件損壞[4]。

2.3 正壓防爆控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在正壓防爆氣路系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行控制系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)，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(dòng)元件模塊組成[5]。

主電模塊：包括電源及開關(guān)，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(duì)各個(gè)模塊起到協(xié)調(diào)作用，控電模塊接收各個(gè)模塊反饋的信息并進(jìn)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(guān)指示燈、啟動(dòng)按鈕指示燈、恒壓指示燈和故障報(bào)警指示燈，主要用來(lái)顯示正壓防爆系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

氣動(dòng)元件模塊：即正壓防爆氣路系統(tǒng)，用來(lái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)器人腔體內(nèi)的壓力大小以及進(jìn)出氣狀態(tài)，并反饋到控電模塊進(jìn)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(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。在噴涂機(jī)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(bào)警4種工作狀態(tài)。

清掃換氣：在機(jī)器人開始工作前，啟動(dòng)防爆控制柜，打開供氣電磁閥和防爆電磁閥，向機(jī)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(jì)時(shí)6min，關(guān)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(jī)器人本體通電，開始運(yùn)動(dòng)進(jìn)行作業(yè)。在機(jī)器人工作的過程中，正壓腔體內(nèi)壓力維持在0.02MPa～0.04MPa，當(dāng)檢測(cè)到壓力小于0.02MPa時(shí)，打開供氣電磁閥，向機(jī)器人正壓腔體內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)氣至0.04MPa。

安全閥泄壓：在機(jī)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(shí)停止。

故障報(bào)警：在機(jī)器人正常工作過程中，當(dāng)正壓腔體內(nèi)的壓力降至0.02MPa時(shí)，打開供氣電磁閥進(jìn)行補(bǔ)氣，腔體內(nèi)的壓力仍然持續(xù)下降，降至0.01MPa以下，此時(shí)機(jī)器人可能發(fā)生嚴(yán)重泄漏或者氣源供氣故障，應(yīng)立即對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行斷電并報(bào)警提示，停機(jī)檢查，排除故障后重新啟動(dòng)正壓防爆系統(tǒng)。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

為了驗(yàn)證正壓防爆系統(tǒng)的實(shí)用性，以某款正壓型防爆噴涂機(jī)器人為例，設(shè)計(jì)并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)，正壓防爆系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖5所示。試驗(yàn)平臺(tái)主要包括控制柜、防爆柜、機(jī)器人本體、空氣壓縮機(jī)、氣動(dòng)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(jìn)氣電磁閥相連，另一端與機(jī)器人腔體相連，用來(lái)向機(jī)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(jī)器人腔體相連，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人腔體內(nèi)的壓力。氦氣濃度傳感器探頭安裝在機(jī)器人出氣口處，用來(lái)檢測(cè)從出氣口排出氣流的氦氣濃度值。

3.2 清掃換氣試驗(yàn)

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選用氦氣代替爆炸性氣體進(jìn)行清掃換氣試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)開始時(shí)，將氦氣濃度傳感器探頭安裝在機(jī)器人出氣口處，從機(jī)器人進(jìn)氣口向腔體內(nèi)充入氦氣，當(dāng)氦氣濃度傳感器顯示濃度高于75%時(shí)，立即停止充入氦氣，使用空氣壓縮機(jī)提供純凈空氣進(jìn)行清掃換氣試驗(yàn)，當(dāng)氦氣濃度傳感器顯示濃度低于1%時(shí)，試驗(yàn)完成。在試驗(yàn)過程中，須實(shí)時(shí)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(jī)器人正壓防爆系統(tǒng)完成清掃換氣工作第一次試驗(yàn)用時(shí)102s，第二次試驗(yàn)用時(shí)110s。

3.3 正壓維持試驗(yàn)

清掃換氣工作完成，機(jī)器人本體開始通電，在機(jī)器人工作過程中，實(shí)時(shí)記錄正壓腔體內(nèi)壓力隨時(shí)間的變化情況，如圖7所示。機(jī)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(yàn)均用時(shí)48.5s。當(dāng)正壓腔體內(nèi)壓力小于0.02MPa時(shí)，打開供氣電磁閥，向腔體內(nèi)進(jìn)行補(bǔ)氣至0.04MPa，補(bǔ)氣第一次試驗(yàn)用時(shí)3.75s，第二次試驗(yàn)用時(shí)3.5s。

3.4 安全閥泄壓試驗(yàn)

調(diào)節(jié)調(diào)壓閥，以0.1MPa的壓力向機(jī)器人正壓腔體內(nèi)充入氣體，當(dāng)腔體內(nèi)壓力大于0.06MPa時(shí)，觸發(fā)安全閥打開泄壓，將壓力降至0.04MPa時(shí)安全閥關(guān)閉，正壓腔體內(nèi)壓力隨時(shí)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(shí)約3.5s。

3.5 故障報(bào)警試驗(yàn)

在機(jī)器人工作過程中，關(guān)閉氣源，空氣壓縮機(jī)停止向機(jī)器人腔體內(nèi)供氣，腔體內(nèi)壓力逐漸下降，當(dāng)壓力降到0.01MPa時(shí)，機(jī)器人本體斷電，故障指示燈亮起報(bào)警。在試驗(yàn)過程中，腔體內(nèi)壓力隨時(shí)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(yàn)用時(shí)24.75s，第二次試驗(yàn)用時(shí)25s。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安全性高，能夠根據(jù)機(jī)器人正壓腔體內(nèi)的壓力變化而進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)的噴涂機(jī)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(bào)警相結(jié)合的方法，保證了機(jī)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(shè)備。經(jīng)過調(diào)試和試驗(yàn)驗(yàn)證，此正壓防爆系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期的效果，達(dá)到噴涂機(jī)器人正壓防爆的目的。

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