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(中北大學 機電工程學院， 山西 太原　030051)

引言

藥芯是將可燃性粉末藥品混合，在螺壓機螺旋力下經(jīng)模具擠出成型的一種發(fā)射藥。根據(jù)生產(chǎn)要求，需定期更換模具來生產(chǎn)不同截面的藥芯。傳統(tǒng)更換模具是操作員進入現(xiàn)場操作，用手動倒鏈勾住用鋼絲繩拴的模具，在生產(chǎn)車間和模具庫之間牽引搬運。藥芯生產(chǎn)車間內(nèi)散布著各種濃度的粉塵混合物，屬于爆炸性環(huán)境。操作員在搬運時，隨時可能出現(xiàn)機械火花、熱表面、靜電等點燃源[1]將粉塵混合物點燃，甚至引燃模具或螺壓機內(nèi)的藥芯，對操作人員的生命安全構(gòu)成嚴重威脅。

針對粉塵類環(huán)境潛在的爆炸性危險，研制了遠程控制的防爆氣動搬運系統(tǒng)，替代操作員現(xiàn)場搬運模具。

1　系統(tǒng)的組成及其工作過程

將模具從生產(chǎn)車間的螺壓機抱閘口卸下搬運到模具庫內(nèi)，需要按照“L”字軌跡行走繞過障礙物和防爆門。根據(jù)行程分析，氣動搬運系統(tǒng)由氣動絞車、三軸桁架機械手、輔助機構(gòu)等組成。

氣動絞車是有軌牽引方式的搬運小車。模具放置在絞車的托架上，在生產(chǎn)車間和模具庫之間長距離運輸。氣動絞車由軌道、絞車、卷筒、雙向氣動馬達、減速機、電磁制定器、鋼絲繩和行程開關(guān)等組成。鋼絲繩纏繞在卷筒上，兩繩端都固定在絞車上。在氣動馬達帶動卷筒旋轉(zhuǎn)時，鋼絲繩從卷筒一邊放出，另一邊卷入，拖拽絞車在軌道上行駛，行程開關(guān)和電磁制定器保證絞車在行程位置上的精確停止。

三軸桁架機械手是生產(chǎn)車間內(nèi)搬運模具，完成相關(guān)動作來繞過障礙物的搬運機械手。三軸桁架機械手由三軸運動機構(gòu)和夾緊機械手爪組成。2個機械手爪安裝在機械手臂的末端，通過夾緊氣缸伸縮實現(xiàn)手爪松開和抱緊模具兩頸的動作。三軸運動機構(gòu)的升降運動和橫向運動都采用氣動馬達驅(qū)動齒輪與齒條相嚙合，滾輪在導(dǎo)軌上運動的方式。機械手臂在升降箱內(nèi)升降運動，升降箱的滾輪在橫梁軌道上橫向運動。升降運動和橫向運動所有零部件，如“V”型滾輪、導(dǎo)軌，齒輪、齒條，雙向氣動馬達，電磁制動器，減速箱，潤滑塊等都安裝在升降箱上。橫梁兩端的滾輪在兩根縱向的縱梁軌道上運動。兩縱梁一邊使用“V”型導(dǎo)軌，一邊是平導(dǎo)軌，使縱向運動準確且沒有過大的阻力?？v向運動距離較小采用氣缸作為動力元件。

輔助機構(gòu)包括藥芯切刀和抱閘松緊機構(gòu)。藥芯切刀在螺壓機將模具頂出后，切斷模具前后端的藥芯。由出料間內(nèi)控制的氣缸動作執(zhí)行切斷運動。抱閘松緊機構(gòu)是將模具前端和螺壓機出料口抱緊的裝置，抱閘松緊機構(gòu)由原有機構(gòu)改造而來，將控制抱閘閉合的旋轉(zhuǎn)把手從生產(chǎn)車間改到出料間操作。

防爆氣動搬運系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場障礙物情況控制系統(tǒng)的相關(guān)動作，完成卸下舊模具，安裝好新模具。其大體的工作過程為：三軸桁架機械手運動到模具上方位置，手爪夾緊模具，松開抱閘，模具在螺壓機擠出力下前進使模具完全退出抱閘口，切刀切斷模具前后端藥芯，機械手運動到絞車?？课恢脤⒛＞叻诺浇g車托架上，絞車載著模具到模具庫，工人將模具從絞車上搬下并換上新模具，絞車回到生產(chǎn)車間?？奎c，機械手夾緊模具并重新安放到抱閘口位置，抱閘鎖緊模具完成整個搬運過程。

2　電氣氣動控制

防爆氣動搬運系統(tǒng)采用PLC邏輯控制，氣動執(zhí)行的方式。

2.1　氣動控制

氣動元件具有使用安全可靠、壽命長、使用維護方便，可在易燃、易爆、粉塵等惡劣的環(huán)境中安全工作[2]，特別適合作為本系統(tǒng)的動力源件。搬運系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的長行程動作，選擇雙向氣動馬達作為執(zhí)行元件。小行程的動作選擇氣缸作為執(zhí)行元件。氣動搬運系統(tǒng)的氣動原理如圖1所示。其中7是機械手的手爪夾緊氣缸，8是手爪鎖緊氣缸，10是絞車運動馬達，12是縱向運動氣缸，13是橫向運動馬達，14是升降運動馬達。各單向節(jié)流閥6控制各運動元件的運動速度。溢流閥控制各氣路的氣壓大小，確保執(zhí)行元件力的大小。常閉電磁閥11作用是在螺壓機將模具推出過程中，讓縱向運動氣缸內(nèi)沒有氣壓，方便螺壓機將模具頂出。氣動制動器15在氣源切斷的情況下將升降手臂制動，可避免發(fā)生模具墜落事故。

1.氣源　2.儲氣罐　3.氣動三聯(lián)件　4.溢流閥5.三位五通電磁閥　6.單向節(jié)流閥　7.夾緊氣缸　8.鎖緊氣缸9.絞車雙向馬達　10.兩位兩通電磁閥　11.常閉兩位兩通電磁閥12.縱向進退氣缸　13.橫向左右雙向馬達14.升降雙向馬達　15.氣動制動器圖1　氣動原理圖

2.2　PLC控制

氣動搬運系統(tǒng)的控制要求控制是采用點動、單步控制方式，并且現(xiàn)場和監(jiān)控室內(nèi)都能進行操控。點動方式即是在單步運行時需要長按按鈕，才能完成相應(yīng)動作，這種方式主要是用于設(shè)備的調(diào)試和出現(xiàn)特殊情況排除故障。單步方式只需按一下按鈕，搬運系統(tǒng)完成一次單步運動，通過接近開關(guān)或行程開關(guān)，確定單步運動的停止，確保動作位置的精確?，F(xiàn)場采用可移動的組合防爆按鈕盒操控，不使用時放到現(xiàn)場防爆箱內(nèi)。監(jiān)控室采用控制臺的按鈕開關(guān)操控。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PLC輸入端由信號傳感器和控制按鈕等信號，PLC輸出端控制各種氣動電磁閥、電磁制動器和指示燈。PLC運行時，循環(huán)掃描程序，提取由操作按鈕和傳感器發(fā)出的輸入映像區(qū)內(nèi)的輸入信號，經(jīng)過PLC內(nèi)部邏輯運算后輸出到輸出映像區(qū)，對電磁閥和指示燈輸出，實現(xiàn)對氣動元件的控制和指示。通過軟件編程，方便實現(xiàn)各種復(fù)雜的控制和操作，如2個機械手爪的夾緊和松開動即可以作同時動作也可以分別動作，現(xiàn)場和遠程都能夠操作，且操作時互鎖。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3　控制過程

更換模具時,需要將原有的模具從抱閘口卸下運回到模具庫內(nèi)再從模具庫內(nèi)將新的模具給安裝到抱閘上，包含有缷模過程和裝模過程。其基本的動作順序是:開機自檢—初始狀態(tài)(絞車停在模具庫?？奎c，機械手夾緊、機械手停在絞車生產(chǎn)車間停靠點上方，機械手臂處在最高點)—絞車前進10 m—手爪張開—機械手橫向右移4 m—縱向后退0.5 m—手臂下降1.2 m—手爪夾住模具兩頸—縱向氣缸斷氣，處于自由狀態(tài)—出料間內(nèi)松開抱閘—螺壓機頂出模具0.5 m—切斷前后端藥芯—橫向向左移4 m到絞車上，機械手臂下降1.2 m—手爪解鎖—松開手爪，將模具放到托架上—機械手回到初始狀態(tài)—絞車后退10 m(穿過防爆門到達模具庫?？奎c)—工人卸下模具，放新模具到絞車上—絞車前行10 m到生產(chǎn)車間?？奎c—手爪張開—手臂下降1.2 m夾緊模具兩頸并鎖緊—手臂上升1.2 m—橫向右移4 m到抱閘口位置—縱向后退將模具插入到模具抱閘口—閉合抱閘—松開機械手爪—回到初始狀態(tài)，完成裝模過程。

3　危險情況分析與防范措施

3.1　設(shè)備的防爆措施

防爆氣動模具搬運系統(tǒng)在可燃性粉塵環(huán)境中工作。粉塵混合物在空氣中的超過危險濃度，出現(xiàn)點燃源就會出現(xiàn)燃燒甚至爆炸。防止粉塵混合物的燃燒或爆炸，除控制環(huán)境中粉塵的濃度外，避免出現(xiàn)點燃源是防止電氣火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生必不可少的防范措施[7]。根據(jù)GB 25286-2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備》和GB 3836-2010《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》系列標準，在設(shè)計、選件、制造、安裝、使用過程中采取有效防燃防爆措施，避免點燃源的出現(xiàn)。

在爆炸性環(huán)境中非電氣的設(shè)備或零部件等因相互摩擦、碰撞等產(chǎn)生電火花、熱表面或靜電荷等[1]，電氣設(shè)備正?；蚍钦Ｊ褂弥邪l(fā)熱量過大，活動觸頭等運行時產(chǎn)生的電弧或電火花等[7]都能夠成為點燃源，將混合粉塵引燃。在設(shè)計階段考慮潛在點燃源，減少點燃源的出現(xiàn)。

(1) 降低系統(tǒng)的整體運動的速度。降低運行速度，方便實現(xiàn)位置精確，也可以減少碰撞、摩擦和制動時也產(chǎn)生機械火花、熱量和靜電量[4]，減少點燃源出現(xiàn)概率。

(2) 提高外殼防護等級[3]。能夠產(chǎn)生的電火花、電弧、熱表面等與粉塵有效隔離。高速運動的機械零部件進行隔爆處理。在生產(chǎn)車間內(nèi)所使用的電氣設(shè)備和裝置采用密封的防爆電器。

(3) 在容易發(fā)生爆炸危險場所的電氣設(shè)備和非電氣設(shè)備的金屬外殼應(yīng)可靠接地，及時將靜電傳導(dǎo)到大地，減少靜電荷的積聚。

(4) 對暴露在粉塵環(huán)境中的運動零部件使用防靜電的材質(zhì)。對摩擦和碰撞的零件使用銅合金制造或在表面鍍銅處理。

(5) 合理的電氣布局。將能夠產(chǎn)生火花、電弧和高溫危險的電氣設(shè)備和裝置，如電氣柜等放置到其他場所。

3.2　搬運系統(tǒng)安全防護措施[6]

氣動搬運系統(tǒng)搬運時，模具內(nèi)就含有余藥，本身具有危險性，絕對不能出現(xiàn)模具和其他物體碰撞，機械手出現(xiàn)故障導(dǎo)致模具墜落等危險情況發(fā)生。因此搬運過程中系統(tǒng)運行應(yīng)有很高可靠性和安全性要求，對可能出現(xiàn)的錯誤操作、零部件失效、電源氣壓突然切斷等突發(fā)狀況應(yīng)具有相應(yīng)的防范和補救措施：

(1) 遠程監(jiān)控通過借助原有的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實時跟蹤和掌握搬運現(xiàn)場的動態(tài)，通過操作有效規(guī)避障礙物和防范潛在危險情況發(fā)生。

(2) 控制靈活防爆氣動搬運系統(tǒng)采用現(xiàn)場和遠程、單步和點動控制的方式，能有效處理搬運過程中突發(fā)狀況，可供選擇的工具和手段更加的靈活多樣，也更方便處理突發(fā)情況。

(2) 制動保護在氣源、電源失效狀況出現(xiàn)時，制動器在彈簧力作用下處于制動狀態(tài)，避免模具的墜落。

(3) 限位保護對設(shè)備運動機構(gòu)的行程進行機械限位，機械限位是錯誤操作或行程開關(guān)等失效時進行限位，防止超過最大行程。

(4) 過載保護若搬運時模具被阻擋、拖拽等情況而出現(xiàn)過載，過載保護能夠有效的防止出現(xiàn)硬拉拖拽情況。

(5) 夾持鎖緊保護在氣源切斷下，手爪仍能在鎖緊氣缸的機械限位下保持足夠的夾緊力夾緊模具，防止出現(xiàn)模具墜落等危險情況出現(xiàn)。

4　結(jié)論

防爆氣動模具搬運系統(tǒng)是為了替代操作員現(xiàn)場工作而設(shè)計的。根據(jù)工廠現(xiàn)場情況制定搬運方案，采用氣動執(zhí)行，PLC控制的方式。對系統(tǒng)中存在的危險因素進行有效的控制，對可能引起粉塵爆炸性環(huán)境爆炸的點燃源進行分析并采取相應(yīng)的防爆措施，對系統(tǒng)運行中設(shè)備故障情況采取防護措施。氣動模具搬運系統(tǒng)不僅提高了模具搬運的自動化效率，減輕了操作人員的工作強度，同時該系統(tǒng)相對于傳統(tǒng)搬運，減少了人為操作對模具搬運過程的影響，整個搬運過程更具有規(guī)范性、安全性和可靠性，對降低爆炸事故概率，保障生命安全和減少企業(yè)財產(chǎn)損失有重要的意義。

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