李世光

(1廣州特種機電設(shè)備檢測研究院，廣東廣州 510663；2國家防爆設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心，廣東廣州 510760)

0 引言

隨著“中國制造2025”規(guī)劃的提出和實施，工業(yè)機器人已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，其中噴涂機器人主要應(yīng)用于表面涂裝行業(yè)。不同于其他工業(yè)機器人，噴涂機器人主要的工作環(huán)境是全封閉或半封閉的噴涂房間，由于工藝中使用的油漆含有高濃度的易燃易爆氣體混合物，比如苯、二甲苯等，所以根據(jù)GB 14444—2006的相關(guān)規(guī)定，噴涂房間屬于爆炸性環(huán)境危險場所1區(qū)[1]。而噴涂機器人工作時，其內(nèi)部電氣部件可能產(chǎn)生的電氣火花、電機運行產(chǎn)生的熱表面、金屬運動部件可能碰撞、摩擦產(chǎn)生的機械火花，非金屬外殼或傳動皮帶攜帶的靜電放電火花等都有可能成為潛在的點燃源，根據(jù)爆炸三角形理論，在噴涂機器人正常工作時，極有可能導(dǎo)致爆炸性油漆混合物的燃爆，從而造成財產(chǎn)損失和人員傷亡。因此，為確保噴涂過程中的安全，噴涂機器人應(yīng)考慮相應(yīng)的防爆要求。

目前，國內(nèi)外取得防爆認證的噴涂機器人大多數(shù)都是基于正壓“p”型防爆技術(shù)設(shè)計，技術(shù)最為成熟。但是，不同于結(jié)構(gòu)簡單的正壓電氣控制柜[2]，正壓型噴涂機器人結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功能要求特殊，尤其是其正壓保護系統(tǒng)的設(shè)計需要考慮更多性能上的要求，本文將對正壓型噴涂機器人的正壓保護系統(tǒng)設(shè)計進行介紹。

1 正壓噴涂機器人的結(jié)構(gòu)及特點

正壓型噴涂機器人一般是一種多自由度的多關(guān)節(jié)機構(gòu)，如圖1所示，其本體由底座、腰關(guān)節(jié)、大臂、大臂關(guān)節(jié)和小臂組成，各關(guān)節(jié)驅(qū)動電機分別安裝在腰關(guān)節(jié)腔體和大臂關(guān)節(jié)腔體中(小臂關(guān)節(jié)的其他自由度通過機械傳動控制)，底座一般用于接線端子的安裝以及正壓進氣內(nèi)部管路的分配。

圖1正壓噴漆機器人結(jié)構(gòu)簡圖

由于實際工業(yè)生產(chǎn)中，噴涂機器人需要長時間工作，電機和機械傳動摩擦產(chǎn)生的熱量較大，一般采用連續(xù)氣流的工作方式來實現(xiàn)正壓防爆，與此同時通過氣體流動帶走熱量[3]，這就要求穩(wěn)定的氣源和長時間的正壓保持。

另外，噴涂機器人為了保證準確定位，采用絕對式編碼器進行位置反饋，絕對式編碼器是不能斷電的，一旦斷電，位置信息丟失，即使再上電也不能準確定位，需要對機器人的原點進行重新校準，所以，保證噴涂機器人的位置反饋系統(tǒng)長期穩(wěn)定供電是其最重要的技術(shù)要求之一。但是這一點與“正壓不起作用時電氣部件不得帶電或受相應(yīng)防爆型式保護”的要求相矛盾。

基于以上噴涂機器人的結(jié)構(gòu)特點，正壓型噴涂機器人的正壓保護系統(tǒng)除了基本的正壓保持之外，還需要考慮氣源短暫波動以及正常失壓狀態(tài)下的壓力補償，盡可能的保證噴涂機器人長時間的正壓保持及其位置反饋系統(tǒng)的長時間供電。

2 正壓保護系統(tǒng)的硬件設(shè)計

對于一般的正壓型設(shè)備，是在固定的流速下向正壓外殼內(nèi)充入保護氣體，然后由正壓保護系統(tǒng)維持正壓外殼內(nèi)部的壓力來保證正壓防爆，一旦壓力下降至保護動作值，啟動報警甚至立即斷電停止工作。

由于噴涂機器人需要長時間工作，不能輕易斷電，本文中的正壓保護系統(tǒng)在正常的充氣通路之外增加了一個補充充氣通路，如圖2所示。

圖2正壓噴涂機器人的正壓保護系統(tǒng)示意圖

該補充充氣通路由一個電磁閥SV控制，正壓保護系統(tǒng)通過噴涂機器人內(nèi)部的正壓檢測裝置反饋的內(nèi)部正壓的變化情況來控制電磁閥的通斷，加大流量向其內(nèi)部充入保護氣體，該通路的流量參考實際使用情況設(shè)計，必要時，該通路的供氣來自于另一個備用氣源，盡可能地保證其內(nèi)部正壓恢復(fù)到正常工作范圍內(nèi)。

參照GB/T 3836.5—2017附錄C[4]，正壓噴涂機器人內(nèi)部不同腔體甚至同一腔體不同位置的的壓力是不一樣的，因此，必須設(shè)置多個壓力監(jiān)測點，以保證整個正壓噴涂機器人內(nèi)部的正壓都滿足要求。一般來說，監(jiān)測點應(yīng)選擇在外部氣體可能侵入并且可能持續(xù)存在的位置，以及有潛在點燃能力設(shè)備的附近，比如不同關(guān)節(jié)軸承位置、底座靠近進氣口位置、大臂關(guān)節(jié)腔體靠近排氣口位置等。

由于機械式壓力開關(guān)(以下簡稱“壓力開關(guān)”)的結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，通常配合安全柵使用在一般的正壓型設(shè)備(比如正壓控制柜)中進行壓力檢測。

但是一個壓力開關(guān)一般只能設(shè)置一個固定的壓力動作值(當(dāng)然也有一個壓力開關(guān)可設(shè)置多個壓力動作值，但是成本和體積上并不會有太大改善)，對于噴涂機器人，需要監(jiān)測的位置多，每個位置還需要實時監(jiān)測多個壓力值，這就需要多個壓力開關(guān)，這對噴涂機器人內(nèi)部狹小的空間是個挑戰(zhàn)。

而差壓傳感器，尤其是本安型，由于其體積小，精度、靈敏度高，更重要的是可以連續(xù)實時檢測變化的壓力值，因此僅需要一個本安型差壓傳感器就可以代替多個壓力開關(guān)，大大節(jié)省安裝空間。

另外使用差壓傳感器實時監(jiān)測壓力變化，在控制邏輯上能夠區(qū)分壓力上升和壓力下降(比如微分計算)，可以避免一些誤操作，更進一步的可以通過上升速率的計算實現(xiàn)一些更精密的正壓控制邏輯。

因此，本文建議正壓型噴涂機器人的正壓保護系統(tǒng)采用本安型差壓傳感器檢測其內(nèi)部正壓。

3 正壓保護系統(tǒng)的控制邏輯

基于前述的正壓控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方案，在正壓型噴涂機器人整個工作期間，正壓控制系統(tǒng)存在三種正常工作狀態(tài)，并有可能出現(xiàn)三種異常故障狀態(tài)，如圖3所示。

圖3正壓噴涂機器人的正壓控制邏輯示意圖

在上述這些狀態(tài)之間的控制邏輯如下。

狀態(tài)一：正常換氣狀態(tài)S0。

保護氣體源準備就緒，正壓保護系統(tǒng)啟動，為減少換氣時間，開啟電磁閥SV，打開補充充氣通路，與正常充氣通路一起，以最大流量向機器人內(nèi)部充入保護氣體，機器人內(nèi)部正壓迅速上升，當(dāng)內(nèi)部正壓達到P2時，開始計時換氣時間Ts，內(nèi)部壓力繼續(xù)上升，最終保持P3穩(wěn)定，在達到制造商規(guī)定的換氣時間Ts之前，設(shè)備總電源開關(guān)KM斷開。

在正常換氣狀態(tài)S0，如果正壓一直低于P0或者在未達到換氣時間Ts之前下降到P0(如圖3所示異常狀態(tài)S5)，則可能是氣源不穩(wěn)定或機器人存在嚴重泄漏，應(yīng)關(guān)閉氣源停機檢查，并重置正壓保護系統(tǒng)(換氣時間計時清零)，設(shè)備總電源開關(guān)KM保持斷開，待排除故障后重新開始。

狀態(tài)二：正常工作狀態(tài)S1。

在正常換氣狀態(tài)S0，達到換氣時間Ts后，為節(jié)省氣源，關(guān)閉電磁閥SV，以正常流量充入保護氣體，內(nèi)部正壓下降到P2并維持穩(wěn)定，與此同時，設(shè)備總電源開關(guān)KM閉合，機器人上電正常工作。

在此過程中，如果電磁閥SV失效，機器人內(nèi)部維持P3正壓(如圖3所示異常狀態(tài)S3)，此時應(yīng)關(guān)閉氣源停機檢查，并重置正壓保護系統(tǒng)(換氣時間計時清零)，設(shè)備總電源開關(guān)KM斷開，待排除故障后重新開始。

狀態(tài)三：正常工作補氣狀態(tài)S2。

在正常工作狀態(tài)S1，由于氣源短暫不穩(wěn)定或者檢修窗口臨時打開等原因，機器人內(nèi)部的正壓會出現(xiàn)波動，甚至?xí)蠓陆?，一旦正壓下降到P1，及時打開電磁閥SV，加大充氣流量，提高機器人內(nèi)部正壓，當(dāng)正壓上升至P2后，為了節(jié)省氣源，再次關(guān)閉電磁閥SV，以正常流量充入空氣，如此反復(fù)，直至氣源穩(wěn)定或檢修結(jié)束，此時仍然維持機器人總電源開關(guān)KM閉合，機器人正常工作。

階段四：運行異常狀態(tài)S4。

當(dāng)機器人處于正常工作狀態(tài)S1或正常工作補氣狀態(tài)S2時，一旦正壓下降至P1，即使打開電磁閥SV進行補氣，正壓雖有上升，但仍會繼續(xù)下降，直至下降到P0及以下，此時機器人可能發(fā)生嚴重泄漏或保護氣體源關(guān)閉，應(yīng)及時斷開機器人總電源開關(guān)KM，停機檢查，并重置正壓保護系統(tǒng)(換氣時間計時清零)，待排除故障后重新開始。

4 P0～P3的設(shè)定

正壓型噴涂機器人的正壓保護系統(tǒng)的控制邏輯設(shè)置了四個正壓值P0～P3。

P3稱之為最大正壓，即機器人在工作中內(nèi)部可能承受的最大正壓，標準中有要求，為了保證人員安全，該值不應(yīng)超過2.5kPa[4]。必要時，機器人安裝的泄壓裝置的設(shè)定值應(yīng)不大于該值。

P2稱之為正常工作正壓，即僅開啟正常充氣通路，機器人正常工作時穩(wěn)定的內(nèi)部正壓。

P1稱之為補氣動作正壓，當(dāng)機器人內(nèi)部正壓下降至該正壓以下時，要及時開啟補充充氣通路，必要時，觸發(fā)聲光報警裝置，提醒使用人員觀察機器人內(nèi)部壓力變化情況。

P0稱之為最小工作正壓，當(dāng)機器人內(nèi)部正壓下降至該正壓以下時，應(yīng)及時關(guān)閉機器人總電源開關(guān)KM。

一般情況下，對于用于1區(qū)的噴涂機器人，標準規(guī)定的內(nèi)部正壓不小于50Pa，但考慮到差壓傳感器靈敏度、精度以及內(nèi)部正壓變化的滯后性等因素，P0的值應(yīng)遠大于50Pa，建議設(shè)定為100Pa以上。

當(dāng)然，這僅僅是針對一個壓力監(jiān)測位置的設(shè)定，對于其他壓力監(jiān)測位置，P0～P3的設(shè)定值要做相應(yīng)調(diào)整，以適應(yīng)不同位置的壓力變化。

5 結(jié)語

本文主要對正壓噴涂機器人的正壓保護系統(tǒng)的硬件及其控制邏輯的設(shè)計進行介紹，通過實際使用，在可接受的范圍內(nèi)保證噴涂機器人長時間的正壓保持及其位置反饋系統(tǒng)的長時間供電，達到預(yù)期效果，為正壓噴涂機器人的制造商在其設(shè)計方面提供參考。