張東森

現(xiàn)階段，智能化技術(shù)得以深入發(fā)展，戰(zhàn)爭(zhēng)模式、武器裝備生產(chǎn)朝著無(wú)人化和智能化方向進(jìn)步。為切實(shí)滿(mǎn)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(yùn)、全彈裝配和彈藥裝填過(guò)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。基于此背景，需就現(xiàn)有彈藥裝填技術(shù)予以革新，通過(guò)設(shè)計(jì)防爆機(jī)器人，解決大負(fù)載防爆機(jī)器人空缺問(wèn)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(jī)器人的設(shè)計(jì)

1.1 背景

由于彈藥自動(dòng)裝填無(wú)人技術(shù)仍處于理論探索時(shí)期，尚未設(shè)計(jì)出科學(xué)完備的彈藥裝填機(jī)器人，缺乏防爆機(jī)器人介入。研究在軍工行業(yè)中使用防爆機(jī)器人這一理論，將填補(bǔ)大負(fù)載防爆機(jī)器人的國(guó)內(nèi)空缺，縮短噴涂型防爆機(jī)器人技術(shù)革新的時(shí)間。通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，多家機(jī)器人制造公司正研究一種基于正壓防爆系統(tǒng)的機(jī)器人，其能夠具備操作方便以及結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，在設(shè)計(jì)防爆結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，基于機(jī)器人本體模型，設(shè)置骨架、密封圈、過(guò)線(xiàn)孔、正壓腔體，并運(yùn)用密封處理辦法，保證活動(dòng)部位具備密封特性，使得本體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級(jí)滿(mǎn)足IP65標(biāo)準(zhǔn)。為切實(shí)提升正壓防爆效果，設(shè)計(jì)多點(diǎn)泄壓和獨(dú)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(jī)器人設(shè)計(jì)

1.2.1 防爆機(jī)器人設(shè)計(jì)需求

具體設(shè)計(jì)需求見(jiàn)表1、2、3?；拘枨笠罁?jù)見(jiàn)表4?；窘M成見(jiàn)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(jī)器人基本參數(shù)表

1.2.2 工作單元設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的防爆機(jī)器人由6 個(gè)自由度的機(jī)械臂組成，對(duì)應(yīng)6 個(gè)伺服電機(jī)，通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)各軸，相關(guān)人員在示教器上輸入控制要求，使得機(jī)器人展示出相應(yīng)的功能和動(dòng)作[2]。設(shè)有正壓外殼置于機(jī)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(jī)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(jī)器人控制器，防爆報(bào)警燈、防爆鑰匙開(kāi)關(guān)、防爆停止按鈕和防爆啟動(dòng)按鈕設(shè)于控制柜外表面。機(jī)器人控制柜提供機(jī)器人本體運(yùn)行的主電源，通過(guò)操控開(kāi)關(guān)和按鈕，實(shí)現(xiàn)報(bào)警、斷電和上電工作兩種狀態(tài)。示教器與機(jī)器人控制柜相連，可達(dá)到通過(guò)操控示教器，促使機(jī)器人產(chǎn)出相應(yīng)動(dòng)作的效果[3]。連接氣源閥門(mén)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(duì)于正壓控制柜的設(shè)計(jì)來(lái)講，在普通柜體的基礎(chǔ)上，增加4 個(gè)隔爆箱。其中之一放置接觸器和主電源開(kāi)關(guān)，另外3 個(gè)放置控制器，發(fā)揮正壓防爆的作用。操控人員通過(guò)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(bào)警燈與正壓防爆控制器連接，增加高低壓報(bào)警功能，連接進(jìn)氣閥和正壓柜，顯示換氣控制信號(hào)。針對(duì)不同腔體壓力以及狀態(tài)可控制機(jī)器人本體是否開(kāi)展上電操作。

2 正壓防爆機(jī)器人在軍工生產(chǎn)中的應(yīng)用

機(jī)器人由內(nèi)部傳感器、傳感單元驅(qū)動(dòng)裝置和機(jī)械臂組成本體，能夠完成各種作業(yè)，其作為機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)。包含手腕、小臂、連接法蘭、傳動(dòng)裝置、伺服電機(jī)、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(gè)關(guān)節(jié)均采用一個(gè)交流伺服馬達(dá)完成驅(qū)動(dòng)。由于所設(shè)計(jì)的機(jī)器人屬于關(guān)節(jié)型機(jī)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(kāi)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。一端能夠自由活動(dòng)，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(jī)器人本體，其包含多個(gè)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(jī)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(jī)身連接，作為運(yùn)動(dòng)主軸，能夠改變手腕的運(yùn)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(jī)械接口的主要連接裝置，起到拼裝多類(lèi)機(jī)械操裝置的作用。在整個(gè)機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)中，包含6 個(gè)交流伺服電機(jī)，能驅(qū)動(dòng)六軸運(yùn)動(dòng)。手腕和小臂內(nèi)的伺服電機(jī)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(jī)可達(dá)到擺動(dòng)機(jī)械臂和控制其運(yùn)動(dòng)的效果；腰關(guān)節(jié)的伺服電機(jī)能夠達(dá)到繞基座軸向旋轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)目的。操作人員使用正壓防爆型機(jī)器人作用于軍工生產(chǎn)環(huán)節(jié)當(dāng)中，需提前對(duì)機(jī)械臂予以編程。由此控制伺服電機(jī)啟停，使得機(jī)械臂能夠在空間內(nèi)達(dá)到6 自由度運(yùn)動(dòng)效果[4]。

2.1 控制箱

防爆正壓控制箱是正壓型防爆機(jī)器人的正壓控制部分，包含防爆聲光報(bào)警器、電磁閥、信號(hào)反饋繼電器、壓力傳感器、控制線(xiàn)路板和氣源壓力調(diào)節(jié)閥等。氣源計(jì)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(dòng)閥會(huì)損失一部分壓力。通過(guò)讀取《氣動(dòng)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(wèn)題，應(yīng)當(dāng)保證實(shí)際氣源壓力0.1MPa。正壓防爆裝置的氣路控制圖見(jiàn)圖1，正壓控制系統(tǒng)的工作流程見(jiàn)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(yùn)行流程圖

本文所設(shè)計(jì)的正壓防爆機(jī)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(lái)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?dú)庠?。途?jīng)管道進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域的整個(gè)過(guò)程，需經(jīng)過(guò)溢流調(diào)節(jié)閥、手動(dòng)球閥和過(guò)濾減壓閥，聯(lián)動(dòng)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(jì)的正壓柜在正壓環(huán)節(jié)可分為，換氣、充氣和運(yùn)行三個(gè)階段。對(duì)于換氣階段而言，其屬于正壓工作的準(zhǔn)備環(huán)節(jié)，通過(guò)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(kāi)，保證氣體持續(xù)通入換氣系統(tǒng)當(dāng)中，查看換氣倒計(jì)時(shí)時(shí)間，精準(zhǔn)計(jì)算正壓柜內(nèi)換氣量體積，需保證總氣體量超過(guò)柜內(nèi)體積5 倍才可滿(mǎn)足最小換氣量要求。對(duì)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(kāi)進(jìn)氣電磁閥，增大柜內(nèi)壓力，為運(yùn)行階段做準(zhǔn)備[8]。對(duì)于運(yùn)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(guò)檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)壓力值過(guò)高，應(yīng)當(dāng)打開(kāi)報(bào)警器，采取泄壓操作。機(jī)器人將自動(dòng)打開(kāi)限壓閥，實(shí)現(xiàn)壓力降低操作目標(biāo)。若壓力值過(guò)低，機(jī)器人將自動(dòng)打開(kāi)進(jìn)氣電磁閥和報(bào)警器，使得壓力及時(shí)回升。

2.2 壓力監(jiān)測(cè)裝置

在軍工生產(chǎn)過(guò)程中，壓力作為基本參數(shù)，其直接影響正壓防爆機(jī)器人的工作狀態(tài)以及安全性能，由此為保證正常運(yùn)行應(yīng)當(dāng)檢測(cè)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(yùn)行。增設(shè)壓力檢測(cè)裝置，將其置于密封腔內(nèi)，測(cè)量密封腔內(nèi)壓力，將其與外界壓力進(jìn)行比較，保證測(cè)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(cè)的對(duì)象是機(jī)器人和外界環(huán)境壓力所形成的腔內(nèi)壓力差，此種相對(duì)過(guò)壓為傳感器的重點(diǎn)控制要素?？刂凭€(xiàn)路板以及壓力器共同組成壓力檢測(cè)裝置，粉塵控制箱作為壓力傳感器的放置位置，通過(guò)與周?chē)h(huán)境相連接，高壓端與機(jī)器人密封聯(lián)通。實(shí)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(huì)加大，形成過(guò)壓壓力，傳感器收集到過(guò)壓信號(hào)，將其轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，傳送至控制線(xiàn)路板[6]。

2.3 正壓腔

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

防爆機(jī)器人有自主巡邏、一鍵到達(dá)以及手動(dòng)控制等多種工作模式，目前在倉(cāng)儲(chǔ)、危險(xiǎn)品生產(chǎn)、危險(xiǎn)工作場(chǎng)所場(chǎng)景廣泛應(yīng)用，尤其軍工生產(chǎn)中其借助智能識(shí)別算法和多種傳感器，在設(shè)定每日計(jì)劃后，執(zhí)行巡邏值守任務(wù)，準(zhǔn)時(shí)到達(dá)值守點(diǎn)。工作中，通過(guò)實(shí)時(shí)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(tái)系統(tǒng)。如存在異常情況，機(jī)器人管理后臺(tái)和用戶(hù)的移動(dòng)終端將接收?qǐng)?bào)警信息，自動(dòng)識(shí)別，提供預(yù)處理意見(jiàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，設(shè)計(jì)軍工生產(chǎn)中的正壓防爆機(jī)器人，需以實(shí)現(xiàn)正壓為最終作用控制目標(biāo)。通過(guò)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(gè)正壓系統(tǒng)在工作過(guò)程中，將對(duì)壓力的管控，作為運(yùn)行的關(guān)鍵控制要素，針對(duì)不同壓力采取對(duì)應(yīng)的自動(dòng)報(bào)警和故障排除操作，達(dá)到及時(shí)報(bào)警以及停止工作元件運(yùn)行的效果。為此，需要各專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員積極參與到正壓型防爆機(jī)器人設(shè)計(jì)制造和調(diào)試的研究工作當(dāng)中，提升機(jī)器人的防爆性能，保證我國(guó)軍工生產(chǎn)處于高質(zhì)高效的狀態(tài)。