(華榮科技股份有限公司，上海201808)

0 引言

工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用是一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)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(jī)器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)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(jī)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(jī)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(dòng)環(huán)境、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、提高勞動(dòng)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(shí)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(jī)器人的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際的應(yīng)用情況，提出了機(jī)器人的一種正壓型防爆系統(tǒng)，以使通用型機(jī)器人在可燃性粉塵環(huán)境中應(yīng)用實(shí)現(xiàn)有效防爆。

1 正壓型防爆機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(shí)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(jī)器人布置在爆炸性粉塵場所,但粉塵的爆炸需要具備三個(gè)要素:(1)點(diǎn)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(gè)條件同時(shí)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(huì)產(chǎn)生爆炸。缺少任何一個(gè)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(gè)要素中不同時(shí)具備,就能阻止爆炸產(chǎn)生,本文采用的是阻斷點(diǎn)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(jī)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(jī)器人的本體設(shè)計(jì)提出了很高的要求，此外機(jī)器人各軸的驅(qū)動(dòng)電機(jī)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(jī)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(jī)器人在啟動(dòng)和運(yùn)行時(shí)，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(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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

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

具有泄漏補(bǔ)償?shù)恼龎罕Ｗo(hù)：當(dāng)外殼出氣口封閉時(shí),保護(hù)氣體源足以補(bǔ)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(dòng)的正壓保護(hù)：用保護(hù)氣體通過在外殼內(nèi)連續(xù)流動(dòng)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(jì)、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(dòng)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(bǔ)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(jì)、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(bǔ)償?shù)恼龎罕Ｗo(hù)。

正壓型防爆機(jī)器人系統(tǒng)包含通用型機(jī)器人、防爆正壓控制箱、正壓腔體、安全裝置、報(bào)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(jī)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(jì)。

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(jì)，防爆正壓控制箱是正壓型防爆機(jī)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(hào)反饋繼電器、電磁閥和防爆聲光報(bào)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(jì)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(jì)算得

計(jì)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(dòng)閥和減壓閥處是會(huì)有壓力損失，壓力損失查通過氣動(dòng)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(shí)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(jī)器人的正常運(yùn)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(jī)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(jī)器人密封腔內(nèi)壓力差，形成一個(gè)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(dòng)氣管機(jī)器人密封腔連通，當(dāng)向機(jī)器人密封腔內(nèi)充入保護(hù)性氣體時(shí)，密封腔內(nèi)的壓力會(huì)逐漸增大，與外界形成一定的過壓，此時(shí)壓力傳感器將采集到的相對壓力轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),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(bào)警裝置,接觸器等電氣控制類元件工作，從而保證機(jī)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(jī)器人在正常運(yùn)行時(shí)，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(jì)，機(jī)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(jī)器人首先需要保證機(jī)器人的正常運(yùn)行，硬結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)中會(huì)增加設(shè)計(jì)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(qiáng)的柔韌性，在設(shè)計(jì)、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(jī)器人的各個(gè)運(yùn)動(dòng)角度保持不變。防護(hù)服為一體式結(jié)構(gòu)，將機(jī)器人整體包裹在里面，使得機(jī)器人整體處在正壓環(huán)境中，保證了機(jī)器人的安全運(yùn)行。

綜上，正壓型防爆機(jī)器人的控制系統(tǒng)是通過各個(gè)子系統(tǒng)相互反饋控制協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)正壓的。接通電源，按下啟動(dòng)按鈕，此時(shí)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(shí)，正壓控制系統(tǒng)進(jìn)入正常運(yùn)行模式，機(jī)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(bào)警裝置發(fā)出報(bào)警信號(hào)，此時(shí)系統(tǒng)處于報(bào)警狀態(tài)，并且系統(tǒng)通過控制交流接觸器等電器切斷機(jī)器人的工作電源，使機(jī)器人停止工作，從而保證機(jī)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(jī)器人的設(shè)計(jì)，結(jié)合本文正壓型防爆機(jī)器人的設(shè)計(jì)、制造和調(diào)試情況，設(shè)計(jì)和制造都滿足GB 12476.7的要求。通過多次試驗(yàn)和調(diào)試達(dá)到預(yù)定的效果，能夠有效的實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的防爆功能。