張東森

現(xiàn)階段，智能化技術(shù)得以深入發(fā)展，戰(zhàn)爭模式、武器裝備生產(chǎn)朝著無人化和智能化方向進(jìn)步。為切實滿足軍工企業(yè)核心制造能力提高的要求，需深入分析在特殊領(lǐng)域，例如廢料處理、火工品搬運、全彈裝配和彈藥裝填過程中如何應(yīng)用信息化和智能化技術(shù)，降低工傷事故以及保障產(chǎn)品質(zhì)量?；诖吮尘?，需就現(xiàn)有彈藥裝填技術(shù)予以革新，通過設(shè)計防爆機器人，解決大負(fù)載防爆機器人空缺問題，使得軍工生產(chǎn)和管理更為優(yōu)化。

1 軍工生產(chǎn)中正壓防爆機器人的設(shè)計

1.1 背景

由于彈藥自動裝填無人技術(shù)仍處于理論探索時期，尚未設(shè)計出科學(xué)完備的彈藥裝填機器人，缺乏防爆機器人介入。研究在軍工行業(yè)中使用防爆機器人這一理論，將填補大負(fù)載防爆機器人的國內(nèi)空缺，縮短噴涂型防爆機器人技術(shù)革新的時間。通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多家機器人制造公司正研究一種基于正壓防爆系統(tǒng)的機器人，其能夠具備操作方便以及結(jié)構(gòu)形式簡單的優(yōu)勢，在設(shè)計防爆結(jié)構(gòu)的過程中，基于機器人本體模型，設(shè)置骨架、密封圈、過線孔、正壓腔體，并運用密封處理辦法，保證活動部位具備密封特性，使得本體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級滿足IP65標(biāo)準(zhǔn)。為切實提升正壓防爆效果，設(shè)計多點泄壓和獨立艙體結(jié)構(gòu)，保證在換氣環(huán)節(jié)降低殘留以及消除死角[1]。

1.2 機器人設(shè)計

1.2.1 防爆機器人設(shè)計需求

具體設(shè)計需求見表1、2、3?；拘枨笠罁?jù)見表4?；窘M成見表5。

表1 基本需求

表2 功能需求

表3 性能需求

表4 基本需求依據(jù)

表5 機器人基本參數(shù)表

1.2.2 工作單元設(shè)計

設(shè)計的防爆機器人由6 個自由度的機械臂組成，對應(yīng)6 個伺服電機，通過電機驅(qū)動實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和擺動各軸，相關(guān)人員在示教器上輸入控制要求，使得機器人展示出相應(yīng)的功能和動作[2]。設(shè)有正壓外殼置于機器人本體，增設(shè)排氣口和進(jìn)氣口。正壓操作需置于上電工作前，保證機器人外殼內(nèi)部，處于正壓狀態(tài)，達(dá)到防爆效果?？刂乒窠Y(jié)構(gòu)為正壓防爆型，其中設(shè)置元器件、電路和機器人控制器，防爆報警燈、防爆鑰匙開關(guān)、防爆停止按鈕和防爆啟動按鈕設(shè)于控制柜外表面。機器人控制柜提供機器人本體運行的主電源，通過操控開關(guān)和按鈕，實現(xiàn)報警、斷電和上電工作兩種狀態(tài)。示教器與機器人控制柜相連，可達(dá)到通過操控示教器，促使機器人產(chǎn)出相應(yīng)動作的效果[3]。連接氣源閥門和管道，設(shè)置進(jìn)排氣口，達(dá)到正壓通風(fēng)的使用目的。對于正壓控制柜的設(shè)計來講，在普通柜體的基礎(chǔ)上，增加4 個隔爆箱。其中之一放置接觸器和主電源開關(guān)，另外3 個放置控制器，發(fā)揮正壓防爆的作用。操控人員通過控制外表面屏幕和薄膜按鈕，交互控制正壓防爆控制器。將報警燈與正壓防爆控制器連接，增加高低壓報警功能，連接進(jìn)氣閥和正壓柜，顯示換氣控制信號。針對不同腔體壓力以及狀態(tài)可控制機器人本體是否開展上電操作。

2 正壓防爆機器人在軍工生產(chǎn)中的應(yīng)用

機器人由內(nèi)部傳感器、傳感單元驅(qū)動裝置和機械臂組成本體，能夠完成各種作業(yè)，其作為機械執(zhí)行機構(gòu)。包含手腕、小臂、連接法蘭、傳動裝置、伺服電機、減速器、肘關(guān)節(jié)、肩關(guān)節(jié)、大臂、腰部、踝關(guān)節(jié)和基座，每個關(guān)節(jié)均采用一個交流伺服馬達(dá)完成驅(qū)動。由于所設(shè)計的機器人屬于關(guān)節(jié)型機械連桿，由關(guān)節(jié)連接形成集合體，手臂形態(tài)與人體較為相似，符合空間開鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。一端能夠自由活動，另一端位于基座上，并用固定裝置，達(dá)到固定效果。連桿結(jié)構(gòu)與關(guān)節(jié)共同組成機器人本體，其包含多個部分和多種關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)。其中，基座起到支撐的作用，作為機器人的基礎(chǔ)部分，為其他各組織提供基本支撐力；手臂由大臂和小臂組成，與手腕和機身連接，作為運動主軸，能夠改變手腕的運行方向，并改變末端執(zhí)行器空間位置；次軸部分為手臂和末端執(zhí)行器連接的手腕，其能夠用于空間姿態(tài)的改變操作當(dāng)中；連接法蘭是手腕機械接口的主要連接裝置，起到拼裝多類機械操裝置的作用。在整個機械臂運動系統(tǒng)當(dāng)中，包含6 個交流伺服電機，能驅(qū)動六軸運動。手腕和小臂內(nèi)的伺服電機能夠達(dá)到繞軸回轉(zhuǎn)的效果；髖關(guān)節(jié)、肘關(guān)節(jié)和肩關(guān)節(jié)的伺服電機可達(dá)到擺動機械臂和控制其運動的效果；腰關(guān)節(jié)的伺服電機能夠達(dá)到繞基座軸向旋轉(zhuǎn)的運動目的。操作人員使用正壓防爆型機器人作用于軍工生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中，需提前對機械臂予以編程。由此控制伺服電機啟停，使得機械臂能夠在空間內(nèi)達(dá)到6 自由度運動效果[4]。

2.1 控制箱

防爆正壓控制箱是正壓型防爆機器人的正壓控制部分，包含防爆聲光報警器、電磁閥、信號反饋繼電器、壓力傳感器、控制線路板和氣源壓力調(diào)節(jié)閥等。氣源計算公式為：

將數(shù)值代入公式得到：

其中，Q1=(3～5)m3/h，使用的進(jìn)氣管內(nèi)徑為8 mm。Δp=459Pa，防護(hù)服處的氣體壓力氣體壓力為P1≥1459Pa，因氣源存在壓力損失，其在進(jìn)入減壓閥和手動閥會損失一部分壓力。通過讀取《氣動元、輔件的壓力損失表》，可知壓力損失為P2=0.025MPa，求出P ≥P1+P2≈0.04MPa，得到接入控制箱處的氣源壓力為0.04MPa[7]。由于存在漏氣問題，應(yīng)當(dāng)保證實際氣源壓力0.1MPa。正壓防爆裝置的氣路控制圖見圖1，正壓控制系統(tǒng)的工作流程見圖2。

圖1 正壓防爆裝置的氣路控制圖

圖2 正壓控制系統(tǒng)運行流程圖

本文所設(shè)計的正壓防爆機器人的正壓系統(tǒng)，由壓力傳感器、正壓控制器、防爆電磁閥和正壓槍組成。氣源來自壓縮潔凈空氣，將氣體輸入到正壓槍和正壓柜中，提供防爆所需必要氣源。途經(jīng)管道進(jìn)入危險區(qū)域的整個過程，需經(jīng)過溢流調(diào)節(jié)閥、手動球閥和過濾減壓閥，聯(lián)動控制進(jìn)氣電磁閥、泄壓閥、流量閥和精密減壓閥，保證正壓外殼壓力得到精準(zhǔn)管控，使得整體壓力保持在50～500MPa范圍內(nèi)。所設(shè)計的正壓柜在正壓環(huán)節(jié)可分為，換氣、充氣和運行三個階段。對于換氣階段而言，其屬于正壓工作的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，通過換氣操作，將柜內(nèi)的氣體和可燃性粉塵排出。操作人員將進(jìn)氣電磁閥打開，保證氣體持續(xù)通入換氣系統(tǒng)當(dāng)中，查看換氣倒計時時間，精準(zhǔn)計算正壓柜內(nèi)換氣量體積，需保證總氣體量超過柜內(nèi)體積5 倍才可滿足最小換氣量要求。對于充氣階段而言，換氣結(jié)束后系統(tǒng)處于充氣狀態(tài)下。打開進(jìn)氣電磁閥，增大柜內(nèi)壓力，為運行階段做準(zhǔn)備[8]。對于運行階段而言，需關(guān)閉進(jìn)氣電磁閥，以流量閥小流量控制氣體進(jìn)入柜中體積，保證柜內(nèi)壓力值處于正常的范疇內(nèi)[5]。通過檢測，若發(fā)現(xiàn)壓力值過高，應(yīng)當(dāng)打開報警器，采取泄壓操作。機器人將自動打開限壓閥，實現(xiàn)壓力降低操作目標(biāo)。若壓力值過低，機器人將自動打開進(jìn)氣電磁閥和報警器，使得壓力及時回升。

2.2 壓力監(jiān)測裝置

在軍工生產(chǎn)過程中，壓力作為基本參數(shù)，其直接影響正壓防爆機器人的工作狀態(tài)以及安全性能，由此為保證正常運行應(yīng)當(dāng)檢測保護(hù)性氣體壓力，從而保障操作人員安全以及設(shè)備穩(wěn)定運行。增設(shè)壓力檢測裝置，將其置于密封腔內(nèi)，測量密封腔內(nèi)壓力，將其與外界壓力進(jìn)行比較，保證測量壓力高于外部環(huán)境壓力。使用壓差式傳感器，提高低壓控制精度。傳感器主要檢測的對象是機器人和外界環(huán)境壓力所形成的腔內(nèi)壓力差，此種相對過壓為傳感器的重點控制要素?？刂凭€路板以及壓力器共同組成壓力檢測裝置，粉塵控制箱作為壓力傳感器的放置位置，通過與周圍環(huán)境相連接，高壓端與機器人密封聯(lián)通。實際工作中，當(dāng)保護(hù)性氣體不斷充入至密封腔內(nèi)，此環(huán)境中壓力值會加大，形成過壓壓力，傳感器收集到過壓信號，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號，傳送至控制線路板[6]。

2.3 正壓腔

將正壓防爆機器人應(yīng)用于軍工生產(chǎn)當(dāng)中，需要維持機器人處于正常運行狀態(tài)，保證密封腔的過壓維持在安全的范圍內(nèi)。

防爆機器人有自主巡邏、一鍵到達(dá)以及手動控制等多種工作模式，目前在倉儲、危險品生產(chǎn)、危險工作場所場景廣泛應(yīng)用，尤其軍工生產(chǎn)中其借助智能識別算法和多種傳感器，在設(shè)定每日計劃后，執(zhí)行巡邏值守任務(wù)，準(zhǔn)時到達(dá)值守點。工作中，通過實時上傳巡視周邊環(huán)境和周邊視頻數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)信息，并將數(shù)據(jù)信息保存到本地，傳輸至后臺系統(tǒng)。如存在異常情況，機器人管理后臺和用戶的移動終端將接收報警信息，自動識別，提供預(yù)處理意見。

3 結(jié)束語

綜上所述，設(shè)計軍工生產(chǎn)中的正壓防爆機器人，需以實現(xiàn)正壓為最終作用控制目標(biāo)。通過協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)的反饋控制系統(tǒng)，達(dá)到管控要求。整個正壓系統(tǒng)在工作過程中，將對壓力的管控，作為運行的關(guān)鍵控制要素，針對不同壓力采取對應(yīng)的自動報警和故障排除操作，達(dá)到及時報警以及停止工作元件運行的效果。為此，需要各專業(yè)技術(shù)人員積極參與到正壓型防爆機器人設(shè)計制造和調(diào)試的研究工作當(dāng)中，提升機器人的防爆性能，保證我國軍工生產(chǎn)處于高質(zhì)高效的狀態(tài)。