摘 要：在噴涂機器人工作過程中，如果內部的電氣元件產生的火花或靜電接觸到油漆揮發(fā)的可燃性氣體，就會有爆炸風險。為了提高噴涂機器人的安全性，本文在現有機器人機械結構和防爆原理的基礎上，采用正壓型防爆方法，對噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)進行設計，具體包括正壓防爆氣路系統(tǒng)設計與控制系統(tǒng)設計。經過調試和性能試驗，驗證了該系統(tǒng)能夠有效達到噴涂機器人的正壓防爆效果，提高機器人的工作安全性。

關鍵詞：噴涂機器人；正壓防爆；系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP 242" " " " 文獻標志碼：A

隨著現代科技的不斷發(fā)展，工業(yè)自動化水平也日漸提升，工業(yè)機器人在各個領域得到廣泛應用，其中噴涂機器人主要應用于產品表面涂裝作業(yè)。由于噴涂機器人的工作環(huán)境通常是密閉的噴涂房間，因此在噴涂機器人工作過程中，若腔體內部的電氣元件產生的火花、靜電接觸到油漆揮發(fā)的可燃性氣體，將會引發(fā)爆炸[1]。因此，為了保障噴涂過程中的安全，噴涂機器人必須具有防爆性能。防爆設計有本安型、隔爆型和正壓型等形式[2]，與其他類型的防爆技術相比，正壓型防爆對機械強度要求低，且在相同體積下正壓外殼質量輕[3]，因此在噴涂機器人領域運用最廣泛且技術最成熟的防爆方法是正壓型防爆。此次研究設計了一種噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)，能夠有效提高噴涂機器人工作過程的安全性和可靠性。

1 正壓防爆噴涂機器人的結構特點

正壓防爆噴涂機器人結構示意圖如圖1所示，正壓防爆噴涂機器人本體主要由底座部分、轉座部分、大臂部分、小臂部分、手腕部分等部件組成。其進氣口設置在底座的側面，出氣口設置在小臂頂端電機座腔體的側面。機器人本體各關節(jié)由伺服電機驅動，伺服電機分別安裝在轉座腔體和小臂頂端的電機座腔體中，各關節(jié)相互配合以調整機器人末端在空間中的位置和姿態(tài)。

2 噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)設計

2.1 功能需求分析

根據噴涂機器人的結構特點及工作環(huán)境，工業(yè)機器人正壓防爆系統(tǒng)主要有以下功能。1）清掃換氣：在機器人本體啟動前，向正壓腔體內充入保護性氣體（純凈空氣），將正壓腔體內原有的爆炸性氣體排出，保證在較短的時間內，將爆炸性氣體的濃度降至安全值以下。2）正壓維持：機器人正壓腔體內的壓力應維持在一定范圍內，在機器人本體工作過程中，實時監(jiān)測正壓腔體內壓力大小。當檢測到壓力小于設定下限值時，向正壓腔體內充氣補壓，直至壓力達到設定上限值。3）安全泄壓：在機器人本體工作過程中，若正壓腔體內壓力過大，將腔體內的氣體釋放泄壓，保證內部壓力不會過高而導致正壓腔體內零件損壞。4）故障報警：在機器人本體工作過程中，如果機器人可能發(fā)生嚴重泄漏或者氣源供氣故障，正壓腔體內壓力小于安全值，就立即對機器人本體進行斷電并報警提示。

2.2 正壓防爆氣路系統(tǒng)設計

正壓防爆噴涂機器人的工作區(qū)域分為安全區(qū)域和危險區(qū)域，安全區(qū)域為放置防爆柜的非易燃易爆環(huán)境，危險區(qū)域為安裝有機器人本體的工作間。在機器人工作過程中，正壓防爆氣路系統(tǒng)供給純凈空氣，維持機器人腔體內的正壓狀態(tài)，并對腔體內的壓力進行監(jiān)測，系統(tǒng)主要包括氣源、調壓閥、供氣電磁閥、防爆電磁閥、安全閥、數顯壓力表等。正壓防爆噴涂機器人結構如圖2所示。

在工業(yè)機器人正壓防爆氣路系統(tǒng)中，氣源管路上安裝有空氣過濾器、油霧器和減壓閥，由空氣壓縮機提供氣源，空氣過濾器和油霧器用來過濾雜質和水分，提供純凈的壓縮空氣，延長正壓防爆系統(tǒng)中各零部件的使用壽命。采用減壓閥對輸入的氣體進行壓力調節(jié)，避免空氣壓縮機直接充入氣壓，提高供氣的可靠性。

在防爆柜內部安裝調壓閥、供氣電磁閥和數顯壓力表，調壓閥安裝在氣動三聯件的后面，用來調節(jié)進氣壓力的大小。供氣電磁閥的輸入端與調壓閥相連，通過氣動導管與機器人正壓腔體連通輸出端，用來向腔體內通入保護性氣體。通過氣動導管與機器人正壓腔體連通數顯壓力表，實時監(jiān)測腔體內的氣壓大小，為了保證壓力監(jiān)測的可靠性，數顯壓力表采用冗余設計。

在機器人本體內部安裝防爆電磁閥，防爆電磁閥的輸入端與腔體內相通，通過排氣管與腔體外連通輸出端。在排氣管上安裝流量計，用來檢測防爆系統(tǒng)對機器人腔體清掃換氣時的進氣量，為了提高流量檢測的可靠性，流量計采用冗余設計。在排氣管的末端，即出氣口處安裝消音器，用來消除排氣時產生的噪聲。在機器人腔體壁面上安裝安全閥，若腔體內的壓力過大，則觸發(fā)安全閥打開泄壓，避免內部壓力過大導致腔體內的零件損壞[4]。

2.3 正壓防爆控制系統(tǒng)設計

在正壓防爆氣路系統(tǒng)的基礎上，進行控制系統(tǒng)相關設計，其示意圖如圖3所示。正壓防爆控制系統(tǒng)由主電模塊、控電模塊、指示燈模塊和氣動元件模塊組成[5]。

主電模塊：包括電源及開關，主要為正壓防爆系統(tǒng)中的元器件提供電源。

控電模塊：包括安全PLC、安全繼電器和防爆隔離柵。將控電模塊作為正壓防爆系統(tǒng)的“大腦”，對各個模塊起到協調作用，控電模塊接收各個模塊反饋的信息并進行有效決策和處理，然后控制正壓防爆系統(tǒng)中元器件的工作狀態(tài)和電路通斷。

指示燈模塊：包括開關指示燈、啟動按鈕指示燈、恒壓指示燈和故障報警指示燈，主要用來顯示正壓防爆系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

氣動元件模塊：即正壓防爆氣路系統(tǒng)，用來實時監(jiān)測機器人腔體內的壓力大小以及進出氣狀態(tài)，并反饋到控電模塊進行控制調整。

2.4 正壓防爆系統(tǒng)的工作流程

基于前述的正壓防爆系統(tǒng)設計方案，該系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。在噴涂機器人工作期間，系統(tǒng)存在清掃換氣、正壓維持、安全閥泄壓和故障報警4種工作狀態(tài)。

清掃換氣：在機器人開始工作前，啟動防爆控制柜，打開供氣電磁閥和防爆電磁閥，向機器人正壓腔體內充入純凈空氣，將原有的爆炸性氣體排出。在清掃換氣過程中，氣體壓力要高于0.02MPa，氣體流量要大于140L/min，清掃換氣計時6min，關閉供氣電磁閥和防爆電磁閥，清掃換氣工作完成。

正壓維持：清掃換氣完成后，機器人本體通電，開始運動進行作業(yè)。在機器人工作的過程中，正壓腔體內壓力維持在0.02MPa～0.04MPa，當檢測到壓力小于0.02MPa時，打開供氣電磁閥，向機器人正壓腔體內進行補氣至0.04MPa。

安全閥泄壓：在機器人工作的過程中，若正壓腔體內壓力大于0.06MPa，則打開安全閥，泄壓至0.04MPa時停止。

故障報警：在機器人正常工作過程中，當正壓腔體內的壓力降至0.02MPa時，打開供氣電磁閥進行補氣，腔體內的壓力仍然持續(xù)下降，降至0.01MPa以下，此時機器人可能發(fā)生嚴重泄漏或者氣源供氣故障，應立即對機器人本體進行斷電并報警提示，停機檢查，排除故障后重新啟動正壓防爆系統(tǒng)。

3 試驗驗證

3.1 試驗平臺搭建

為了驗證正壓防爆系統(tǒng)的實用性，以某款正壓型防爆噴涂機器人為例，設計并搭建了試驗平臺，正壓防爆系統(tǒng)試驗平臺如圖5所示。試驗平臺主要包括控制柜、防爆柜、機器人本體、空氣壓縮機、氣動三聯件、氦氣瓶、氦氣濃度傳感器、氣管等。其中防爆柜中安裝調壓閥、供氣電磁閥和數顯壓力表。?16mm的氣管的一端與調壓閥和進氣電磁閥相連，另一端與機器人腔體相連，用來向機器人腔體內提供純凈空氣，?6mm的氣管的一端與與數顯壓力表相連，另一端與機器人腔體相連，用來檢測機器人腔體內的壓力。氦氣濃度傳感器探頭安裝在機器人出氣口處，用來檢測從出氣口排出氣流的氦氣濃度值。

3.2 清掃換氣試驗

根據國家標準，選用氦氣代替爆炸性氣體進行清掃換氣試驗，當試驗開始時，將氦氣濃度傳感器探頭安裝在機器人出氣口處，從機器人進氣口向腔體內充入氦氣，當氦氣濃度傳感器顯示濃度高于75%時，立即停止充入氦氣，使用空氣壓縮機提供純凈空氣進行清掃換氣試驗，當氦氣濃度傳感器顯示濃度低于1%時，試驗完成。在試驗過程中，須實時記錄從出氣口排出的氣流中氦氣濃度值的變化情況，如圖6所示，機器人正壓防爆系統(tǒng)完成清掃換氣工作第一次試驗用時102s，第二次試驗用時110s。

3.3 正壓維持試驗

清掃換氣工作完成，機器人本體開始通電，在機器人工作過程中，實時記錄正壓腔體內壓力隨時間的變化情況，如圖7所示。機器人正壓腔體內的壓力基本維持在0.02MPa～0.04MPa，腔體內壓力從0.04MPa降至0.02MPa兩次試驗均用時48.5s。當正壓腔體內壓力小于0.02MPa時，打開供氣電磁閥，向腔體內進行補氣至0.04MPa，補氣第一次試驗用時3.75s，第二次試驗用時3.5s。

3.4 安全閥泄壓試驗

調節(jié)調壓閥，以0.1MPa的壓力向機器人正壓腔體內充入氣體，當腔體內壓力大于0.06MPa時，觸發(fā)安全閥打開泄壓，將壓力降至0.04MPa時安全閥關閉，正壓腔體內壓力隨時間的變化情況如圖8所示，腔體內壓力從0.06MPa降至0.04MPa，用時約3.5s。

3.5 故障報警試驗

在機器人工作過程中，關閉氣源，空氣壓縮機停止向機器人腔體內供氣，腔體內壓力逐漸下降，當壓力降到0.01MPa時，機器人本體斷電，故障指示燈亮起報警。在試驗過程中，腔體內壓力隨時間的變化情況如圖9所示，腔體內壓力從0.02MPa降至0.01MPa，第一次試驗用時24.75s，第二次試驗用時25s。

4 結論

本文設計了一款結構簡單，安全性高，能夠根據機器人正壓腔體內的壓力變化而進行自動調節(jié)的噴涂機器人正壓防爆系統(tǒng)。此正壓防爆系統(tǒng)采用清掃換氣、正壓維持、安全閥泄壓和故障報警相結合的方法，保證了機器人密封腔內的正壓環(huán)境，防止爆炸性氣體接觸到腔體內的電氣設備。經過調試和試驗驗證，此正壓防爆系統(tǒng)能夠達到預期的效果，達到噴涂機器人正壓防爆的目的。

參考文獻

[1]聶勇剛.噴涂機器人防爆系統(tǒng)設計與動力學分析[D].南昌：南昌航空大學，2012.

[2]李世光，黃瑩，封昌盛.噴涂機器人防爆設計及檢驗方法研究[J].電氣防爆，2019（2）：41-45.

[3]郗艷梅，石巖，岳紅新.煤礦危險氣體探測機器人結構和防爆設計[J].煤炭技術，2016，35（9）：260-261.

[4]蔣立軍，翟瑩瑩，郝磊，等.一種正壓機器人防爆系統(tǒng)及其控制方法：CN107229250A[P].2017-10-03.

[5]曹仁俊，方鈺，高國棟，等.一種噴涂機器人防爆柜電控系統(tǒng)及其控制方法：CN111413920A[P].2020-07-14.