喷涂机器人正压防爆系统的设计_聂勇刚

正压流 量拾取 装置
▲图 1 喷涂机器人 通入一定压力的保护性气 体（稀释、通风、加压或换气
封玻璃球 6.L 型弯管 7.主体固定管 8.气动导管 9.压力检测压差开关组 10.流量检测压差开关组
▲图 2 正压流量拾取装置内部结构图
▲图 3 正压、流量拾取装置安装位置
用的空气或不燃性气体），使正压外壳内部的气压高于
［3］ 邹 益 仁 ，马 增 良.现 场 总 线 控 制 系 统 的 设 计 和 开 发 ［M］.北
京 ：国 防 工 业 出 版 社 ，2003.
［4］ 高晓丁，胥光申，王锦.电阻应变片贴装方位偏差对测量结
果 的 影 响 ［J］.西 安 石 油 学 院 学 报 （自 然 科 学 版 ），2001，16
入较小流量的保护性气体， 使正压外壳内气体的压力
源流量或压缩弹簧的弹簧刚度来确定。 正压值的大小
略高于外界，以避免可燃性气体再次进入而引起爆炸。
则通过压差开关组来检查， 压差开关高压端连接在密
为了有效地监控正压外壳内保护性气体的压力和换气
封玻璃球的右侧，低压端通过气动导管连接，布置在密
时气体的流量， 通常是使用一个隔爆压差变送器来检
1.1 爆炸发生的基本条件 尽管喷涂机器人布置在危险区域， 但危险区域中
的可燃性气体发生爆炸必须同时具备 3 个条件：（1）点 燃 源— ——电 火 花 、温 度 升 高 等 ；（2）爆 炸 性 物 质— ——可 燃 性 气 体 或 粉 尘 等 ；（3）助 燃 剂— — — 空 气 （氧 气 ）等 。
根据气体伯努利方程有：
P1+ρgh1+
1 2
ρV12=P2+ρgh2+
1 2
ρV22
（1）
式中： 各项分别表示单位体积的压力能 P、 重力势能
ρgh 和动能 1 ρV2。 2
根据能量守恒定理有：流体在沿流线运动过程中，
总 和 保 持 不 变 ，对 于 气 体 ，可 忽 略 重 力 势 能 ，故 式 （1） 可
保护性气体的流量和压力不低于设定范围， 通过处理
接收到的信号，控制防爆电磁阀的换向、故障报警和实
现对喷涂机器人控制系统通电与断电两种状态的切
换，保证喷涂机器人的正常运行。
2.2 实验过程
安全有效的正压防爆系统是以一定压力和流量的
保护性气体迅速地吹扫正压外壳， 将其内的爆炸性物
为了克服上述缺点， 本文利用差压式流量计中的 弯管流量计 ［8］原理设计出一种自制 L 型弯管和压 差开
风型［7］。 正压补偿型是指在各个排气口封闭时，对正压
关传感器组成的正压流量拾取装置， 将该装置安装在
外壳和管道内保护气体的泄露进行补偿， 使壳内保持
正压外壳的排气口端， 可以使正压外壳内气体的压力
当 3 个条件同时存在且爆炸性物质与空气的混合 浓度处于爆炸范围内时，将产生爆炸。 要有效防止爆炸 事故的发生，须设法避免 3 个条件同时存在。 本文选择 将正压外壳内的爆炸性物质清扫干净。 1.2 正压防爆形式的选择
防爆形式的选择有多种方式， 如正压型防爆、隔 爆、本安防爆等 ［2］，其中正压 型防爆指的 是通过电气 控 制系统，使喷涂机器人在启动和运行时，向正压外壳内
量值来控制电气设备的通电和断电。 这种方法虽然能
外界气压， 从而避免周围环境中爆炸性物质混入正压
较好地实现正压防爆，但存在安装调试困难、成本高和
外壳内部。 由于其具有结构形式简单、 操作方便的优
集成度低等缺点。
点，在喷涂机器人的防爆系统中得到广泛的应用 。 ［3-6］ 正压防爆形式分为两种， 即正压补偿型和正压通
正压的方法。 正压通风型指的是保护气体连续通过正
略高于外界，并能实现对气体流量和压力的实时检测，
压外壳，使外壳内保持正压的方法。两种方法的优缺点
有效地防止事故的发生。 正压流量拾取装置具体结构
为：前者只需间断的向外壳内部供气，运行成本较低，
如图 2 所示，该装置中有两组压差开关组，一组压差开
但制造和维护成本都较高， 且产生的热量无法及时散
封玻璃球的左侧。通过调节压差开关上的旋钮，即可确
测正压外壳内压力最低处的气压与外界气压的差值，
定压差开关闭合所需压差的大小。当压差开关闭合时，
在正压外壳的排气口安装一个流量计以检测气体的流
将信号反馈到机器人控制系统， 即表明机器人正压外
量， 正压防爆装置控制系统根据检测到的压差值和流
壳内处于正压状态。 当气源压力减小时， 压差开关断
V2=0，动能转化为静压能。此时 L 型弯管内代表的是静 压能和动能之和，称为全压［9］。 由于流量检测压差开关
组低压端气动导管的测压小孔与气体流动方向平行， 所 以 其 测 量 的 是 气 体 的 静 压 能 ，L 型 弯 管 迎 向 气 流 一
端检测的是气体的全压， 则流量检测压差开关反映出
的是气体的全压与静压能之差，即：
本文在调研国内外多家机器人制造公司喷涂机器 人防爆系统原理的基础上， 结合现有喷涂机器人的实 际应用情况，提出了一种喷涂机器人正压防爆系统，旨 在喷涂机器人应用中实现有效防爆。
* 国家重大科技专项（编号：2010ZX4008-041） 收稿日期：2012 年 10 月
1 正压防爆装置压力和流量检测设计
简化为：
P1+
1 2
ρV12=P2+
1 2
ρV22
（2）
在本装置中 ，V1 为 L 型弯管前 端一小段距 离气体
流 速 ，P1 为 该 点 处 的 压 力 ，V2 为 L 型 弯 管 截 面 处 气 体
流速，P2 为 该点处压力 。 当 L 型弯管内 充 满 被 测 气 体
时，则后续气体到达 L 型弯管截面时，速度降为零，即
机器人正压防爆系统，并给出了正压防爆原理、防爆气路流量和压力检测装置的详细设计过程和防爆工作过程。 通过实
际验证和调试，证明能有效防止喷涂机器人正压外壳内爆炸的发生，且结构简单，安装维护方便。
关键词：喷涂机器人 防爆原理 检测装置
中 图 分 类 号 ：TH123；TP242.2
文 献 标 识 码 ：A
专题报导
喷 涂 机 器 人 正 压 防 爆 系 统 的 设 计*
□ 聂勇刚 1 □ 许 瑛 1 □ 吴少兴 1 □ 潘雨卿 2
1. 南昌航空大学 航空制造工程学院 南昌 330063 2. 昆山华恒焊接股份有限公司 江苏昆山 215347
摘 要：以某公司自主研发的 6 自由度喷涂机器人为背景，在公司原有产品技术和设备的基础上，提出了一种喷涂
则难以从主体固定管进入机器人正压外壳内。 当向机
正压通风型的防爆装置是指在喷涂机器人通电启
器人正压外壳内通入保护性气体时， 若气源流量足够
动前，向正压外壳内通入足够的保护性气体，以清扫其
小，则产生的压力无法克服压缩弹簧弹力，使正压外壳
内部可能存在的可燃性气体。 换气结束后需要继续通
内始终保持一定的正压， 正压的大小可以通过调节气
（6）:41-43.
葺
（编辑 日 月）
机械制造 51 卷 第 582 期
葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺葺
专题报导
小臂 大臂
89
10
腰关节
腰关节
底座
底座
23 4 5 6 7 1 1.隔 板 2.孔 用 挡 圈 3.中 间 隔 套 4.压 缩 弹 簧 5.密
△P = P1 - P2 = V12
（3）
ρ ρρ 2
则气体流速：
由压差开关检测，通过设定压差开关
1
2 电源输入 PLC
安全区
gas
3
4 56
7 换气过程 维持正压过程
1.正压外壳 2.正压流量拾取装置 3.减压阀 4.气动导管 5.防爆
电磁阀 6 手动节流阀 7.可编程逻辑控制器
▲图 4 正压防爆装置系统结构图
闭合的压差值， 即可检测出气体流经正压外壳是否达 到所需流速值，从而确保流量的精确计量。
由 式 （4）可 知 ，当 机 器 人 正 压 外 壳 内 气 体 流 速 达 到 一定值时， 压差开关即闭合， 从而提示机器人控制系 统，根据流速大小可以确定机器人的换气时间。当机器 人正压外壳内气体的流速减小时，压差开关断开，机器 人控制系统断电， 从而保证机器人在工作时正压外壳 内保护性气体的流量始终不低于设定值。
2 喷涂机器人正压防爆气路的结构和工作过程
2.1 正压防爆气路系统结构
图 4 所示为喷涂机器人正压外壳内防爆气路系统
结构图，其由正压外壳、正压流量拾取装置、减压阀、气
动导管、防爆电磁阀、手动节流阀、可编程逻辑控制器
组成。 本文的可编程逻辑控制器的主要功能是采集正
压流量拾取装置中压差开关的信号， 保证正压外壳内
5 结束语
机器人自动贴片系统设计完成后， 经过安装与调
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试， 系统运行良好， 各项功能都达到了预先设计的指
标。 机器人自动贴片系统的重复定位精度为±0.02 mm，
定 位 精 度 达 到 了 预 先 设 计 的 指 标 ，即±0.1 mm，极 大 地
提高了应变片贴片的效率以及质量， 现已投入生产使
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专题报导
开，机器人控制系统立即断电，从而保证机器人在工作
时正压外壳内始终为正压状态。 （2） 流量检测。 如图 2 所示，将 L 型弯管一端垂直
安装在主体固定管中空管道上， 与流量检测压差开关
组连接，迎向气流流向。压差开关组另一端与气动导管
连接，布置在主体固定管中空管道的侧壁。
（1） 正压值检测。 将上述正压流量拾取装 置按图