正压型喷涂机器人的正压保护系统设计*

李世光

(1广州特种机电设备检测研究院，广东广州 510663；2国家防爆设备质量监督检验中心，广东广州 510760)

0 引言

随着“中国制造2025”规划的提出和实施，工业机器人已经广泛应用于各个领域，其中喷涂机器人主要应用于表面涂装行业。不同于其他工业机器人，喷涂机器人主要的工作环境是全封闭或半封闭的喷涂房间，由于工艺中使用的油漆含有高浓度的易燃易爆气体混合物，比如苯、二甲苯等，所以根据GB 14444—2006的相关规定，喷涂房间属于爆炸性环境危险场所1区[1]。而喷涂机器人工作时，其内部电气部件可能产生的电气火花、电机运行产生的热表面、金属运动部件可能碰撞、摩擦产生的机械火花，非金属外壳或传动皮带携带的静电放电火花等都有可能成为潜在的点燃源，根据爆炸三角形理论，在喷涂机器人正常工作时，极有可能导致爆炸性油漆混合物的燃爆，从而造成财产损失和人员伤亡。因此，为确保喷涂过程中的安全，喷涂机器人应考虑相应的防爆要求。

目前，国内外取得防爆认证的喷涂机器人大多数都是基于正压“p”型防爆技术设计，技术最为成熟。但是，不同于结构简单的正压电气控制柜[2]，正压型喷涂机器人结构复杂，功能要求特殊，尤其是其正压保护系统的设计需要考虑更多性能上的要求，本文将对正压型喷涂机器人的正压保护系统设计进行介绍。

1 正压喷涂机器人的结构及特点

正压型喷涂机器人一般是一种多自由度的多关节机构，如图1所示，其本体由底座、腰关节、大臂、大臂关节和小臂组成，各关节驱动电机分别安装在腰关节腔体和大臂关节腔体中(小臂关节的其他自由度通过机械传动控制)，底座一般用于接线端子的安装以及正压进气内部管路的分配。

图1正压喷漆机器人结构简图

由于实际工业生产中，喷涂机器人需要长时间工作，电机和机械传动摩擦产生的热量较大，一般采用连续气流的工作方式来实现正压防爆，与此同时通过气体流动带走热量[3]，这就要求稳定的气源和长时间的正压保持。

另外，喷涂机器人为了保证准确定位，采用绝对式编码器进行位置反馈，绝对式编码器是不能断电的，一旦断电，位置信息丢失，即使再上电也不能准确定位，需要对机器人的原点进行重新校准，所以，保证喷涂机器人的位置反馈系统长期稳定供电是其最重要的技术要求之一。但是这一点与“正压不起作用时电气部件不得带电或受相应防爆型式保护”的要求相矛盾。

基于以上喷涂机器人的结构特点，正压型喷涂机器人的正压保护系统除了基本的正压保持之外，还需要考虑气源短暂波动以及正常失压状态下的压力补偿，尽可能的保证喷涂机器人长时间的正压保持及其位置反馈系统的长时间供电。

2 正压保护系统的硬件设计

对于一般的正压型设备，是在固定的流速下向正压外壳内充入保护气体，然后由正压保护系统维持正压外壳内部的压力来保证正压防爆，一旦压力下降至保护动作值，启动报警甚至立即断电停止工作。

由于喷涂机器人需要长时间工作，不能轻易断电，本文中的正压保护系统在正常的充气通路之外增加了一个补充充气通路，如图2所示。

图2正压喷涂机器人的正压保护系统示意图

该补充充气通路由一个电磁阀SV控制，正压保护系统通过喷涂机器人内部的正压检测装置反馈的内部正压的变化情况来控制电磁阀的通断，加大流量向其内部充入保护气体，该通路的流量参考实际使用情况设计，必要时，该通路的供气来自于另一个备用气源，尽可能地保证其内部正压恢复到正常工作范围内。

参照GB/T 3836.5—2017附录C[4]，正压喷涂机器人内部不同腔体甚至同一腔体不同位置的的压力是不一样的，因此，必须设置多个压力监测点，以保证整个正压喷涂机器人内部的正压都满足要求。一般来说，监测点应选择在外部气体可能侵入并且可能持续存在的位置，以及有潜在点燃能力设备的附近，比如不同关节轴承位置、底座靠近进气口位置、大臂关节腔体靠近排气口位置等。

由于机械式压力开关(以下简称“压力开关”)的结构简单，成本低廉，通常配合安全栅使用在一般的正压型设备(比如正压控制柜)中进行压力检测。

但是一个压力开关一般只能设置一个固定的压力动作值(当然也有一个压力开关可设置多个压力动作值，但是成本和体积上并不会有太大改善)，对于喷涂机器人，需要监测的位置多，每个位置还需要实时监测多个压力值，这就需要多个压力开关，这对喷涂机器人内部狭小的空间是个挑战。

而差压传感器，尤其是本安型，由于其体积小，精度、灵敏度高，更重要的是可以连续实时检测变化的压力值，因此仅需要一个本安型差压传感器就可以代替多个压力开关，大大节省安装空间。

另外使用差压传感器实时监测压力变化，在控制逻辑上能够区分压力上升和压力下降(比如微分计算)，可以避免一些误操作，更进一步的可以通过上升速率的计算实现一些更精密的正压控制逻辑。

因此，本文建议正压型喷涂机器人的正压保护系统采用本安型差压传感器检测其内部正压。

3 正压保护系统的控制逻辑

基于前述的正压控制系统的硬件设计方案，在正压型喷涂机器人整个工作期间，正压控制系统存在三种正常工作状态，并有可能出现三种异常故障状态，如图3所示。

图3正压喷涂机器人的正压控制逻辑示意图

在上述这些状态之间的控制逻辑如下。

状态一：正常换气状态S0。

保护气体源准备就绪，正压保护系统启动，为减少换气时间，开启电磁阀SV，打开补充充气通路，与正常充气通路一起，以最大流量向机器人内部充入保护气体，机器人内部正压迅速上升，当内部正压达到P2时，开始计时换气时间Ts，内部压力继续上升，最终保持P3稳定，在达到制造商规定的换气时间Ts之前，设备总电源开关KM断开。

在正常换气状态S0，如果正压一直低于P0或者在未达到换气时间Ts之前下降到P0(如图3所示异常状态S5)，则可能是气源不稳定或机器人存在严重泄漏，应关闭气源停机检查，并重置正压保护系统(换气时间计时清零)，设备总电源开关KM保持断开，待排除故障后重新开始。

状态二：正常工作状态S1。

在正常换气状态S0，达到换气时间Ts后，为节省气源，关闭电磁阀SV，以正常流量充入保护气体，内部正压下降到P2并维持稳定，与此同时，设备总电源开关KM闭合，机器人上电正常工作。

在此过程中，如果电磁阀SV失效，机器人内部维持P3正压(如图3所示异常状态S3)，此时应关闭气源停机检查，并重置正压保护系统(换气时间计时清零)，设备总电源开关KM断开，待排除故障后重新开始。

状态三：正常工作补气状态S2。

在正常工作状态S1，由于气源短暂不稳定或者检修窗口临时打开等原因，机器人内部的正压会出现波动，甚至会大幅下降，一旦正压下降到P1，及时打开电磁阀SV，加大充气流量，提高机器人内部正压，当正压上升至P2后，为了节省气源，再次关闭电磁阀SV，以正常流量充入空气，如此反复，直至气源稳定或检修结束，此时仍然维持机器人总电源开关KM闭合，机器人正常工作。

阶段四：运行异常状态S4。

当机器人处于正常工作状态S1或正常工作补气状态S2时，一旦正压下降至P1，即使打开电磁阀SV进行补气，正压虽有上升，但仍会继续下降，直至下降到P0及以下，此时机器人可能发生严重泄漏或保护气体源关闭，应及时断开机器人总电源开关KM，停机检查，并重置正压保护系统(换气时间计时清零)，待排除故障后重新开始。

4 P0～P3的设定

正压型喷涂机器人的正压保护系统的控制逻辑设置了四个正压值P0～P3。

P3称之为最大正压，即机器人在工作中内部可能承受的最大正压，标准中有要求，为了保证人员安全，该值不应超过2.5kPa[4]。必要时，机器人安装的泄压装置的设定值应不大于该值。

P2称之为正常工作正压，即仅开启正常充气通路，机器人正常工作时稳定的内部正压。

P1称之为补气动作正压，当机器人内部正压下降至该正压以下时，要及时开启补充充气通路，必要时，触发声光报警装置，提醒使用人员观察机器人内部压力变化情况。

P0称之为最小工作正压，当机器人内部正压下降至该正压以下时，应及时关闭机器人总电源开关KM。

一般情况下，对于用于1区的喷涂机器人，标准规定的内部正压不小于50Pa，但考虑到差压传感器灵敏度、精度以及内部正压变化的滞后性等因素，P0的值应远大于50Pa，建议设定为100Pa以上。

当然，这仅仅是针对一个压力监测位置的设定，对于其他压力监测位置，P0～P3的设定值要做相应调整，以适应不同位置的压力变化。

5 结语

本文主要对正压喷涂机器人的正压保护系统的硬件及其控制逻辑的设计进行介绍，通过实际使用，在可接受的范围内保证喷涂机器人长时间的正压保持及其位置反馈系统的长时间供电，达到预期效果，为正压喷涂机器人的制造商在其设计方面提供参考。