防爆氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

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(中北大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 山西 太原　030051)

引言

藥芯是將可燃性粉末藥品混合，在螺壓機(jī)螺旋力下經(jīng)模具擠出成型的一種發(fā)射藥。根據(jù)生產(chǎn)要求，需定期更換模具來(lái)生產(chǎn)不同截面的藥芯。傳統(tǒng)更換模具是操作員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)操作，用手動(dòng)倒鏈勾住用鋼絲繩拴的模具，在生產(chǎn)車(chē)間和模具庫(kù)之間牽引搬運(yùn)。藥芯生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)散布著各種濃度的粉塵混合物，屬于爆炸性環(huán)境。操作員在搬運(yùn)時(shí)，隨時(shí)可能出現(xiàn)機(jī)械火花、熱表面、靜電等點(diǎn)燃源[1]將粉塵混合物點(diǎn)燃，甚至引燃模具或螺壓機(jī)內(nèi)的藥芯，對(duì)操作人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。

針對(duì)粉塵類(lèi)環(huán)境潛在的爆炸性危險(xiǎn)，研制了遠(yuǎn)程控制的防爆氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)，替代操作員現(xiàn)場(chǎng)搬運(yùn)模具。

1　系統(tǒng)的組成及其工作過(guò)程

將模具從生產(chǎn)車(chē)間的螺壓機(jī)抱閘口卸下搬運(yùn)到模具庫(kù)內(nèi)，需要按照“L”字軌跡行走繞過(guò)障礙物和防爆門(mén)。根據(jù)行程分析，氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)由氣動(dòng)絞車(chē)、三軸桁架機(jī)械手、輔助機(jī)構(gòu)等組成。

氣動(dòng)絞車(chē)是有軌牽引方式的搬運(yùn)小車(chē)。模具放置在絞車(chē)的托架上，在生產(chǎn)車(chē)間和模具庫(kù)之間長(zhǎng)距離運(yùn)輸。氣動(dòng)絞車(chē)由軌道、絞車(chē)、卷筒、雙向氣動(dòng)馬達(dá)、減速機(jī)、電磁制定器、鋼絲繩和行程開(kāi)關(guān)等組成。鋼絲繩纏繞在卷筒上，兩繩端都固定在絞車(chē)上。在氣動(dòng)馬達(dá)帶動(dòng)卷筒旋轉(zhuǎn)時(shí)，鋼絲繩從卷筒一邊放出，另一邊卷入，拖拽絞車(chē)在軌道上行駛，行程開(kāi)關(guān)和電磁制定器保證絞車(chē)在行程位置上的精確停止。

三軸桁架機(jī)械手是生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)搬運(yùn)模具，完成相關(guān)動(dòng)作來(lái)繞過(guò)障礙物的搬運(yùn)機(jī)械手。三軸桁架機(jī)械手由三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和夾緊機(jī)械手爪組成。2個(gè)機(jī)械手爪安裝在機(jī)械手臂的末端，通過(guò)夾緊氣缸伸縮實(shí)現(xiàn)手爪松開(kāi)和抱緊模具兩頸的動(dòng)作。三軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)都采用氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)齒輪與齒條相嚙合，滾輪在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的方式。機(jī)械手臂在升降箱內(nèi)升降運(yùn)動(dòng)，升降箱的滾輪在橫梁軌道上橫向運(yùn)動(dòng)。升降運(yùn)動(dòng)和橫向運(yùn)動(dòng)所有零部件，如“V”型滾輪、導(dǎo)軌，齒輪、齒條，雙向氣動(dòng)馬達(dá)，電磁制動(dòng)器，減速箱，潤(rùn)滑塊等都安裝在升降箱上。橫梁兩端的滾輪在兩根縱向的縱梁軌道上運(yùn)動(dòng)。兩縱梁一邊使用“V”型導(dǎo)軌，一邊是平導(dǎo)軌，使縱向運(yùn)動(dòng)準(zhǔn)確且沒(méi)有過(guò)大的阻力?？v向運(yùn)動(dòng)距離較小采用氣缸作為動(dòng)力元件。

輔助機(jī)構(gòu)包括藥芯切刀和抱閘松緊機(jī)構(gòu)。藥芯切刀在螺壓機(jī)將模具頂出后，切斷模具前后端的藥芯。由出料間內(nèi)控制的氣缸動(dòng)作執(zhí)行切斷運(yùn)動(dòng)。抱閘松緊機(jī)構(gòu)是將模具前端和螺壓機(jī)出料口抱緊的裝置，抱閘松緊機(jī)構(gòu)由原有機(jī)構(gòu)改造而來(lái)，將控制抱閘閉合的旋轉(zhuǎn)把手從生產(chǎn)車(chē)間改到出料間操作。

防爆氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)障礙物情況控制系統(tǒng)的相關(guān)動(dòng)作，完成卸下舊模具，安裝好新模具。其大體的工作過(guò)程為：三軸桁架機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到模具上方位置，手爪夾緊模具，松開(kāi)抱閘，模具在螺壓機(jī)擠出力下前進(jìn)使模具完全退出抱閘口，切刀切斷模具前后端藥芯，機(jī)械手運(yùn)動(dòng)到絞車(chē)?？课恢脤⒛＞叻诺浇g車(chē)托架上，絞車(chē)載著模具到模具庫(kù)，工人將模具從絞車(chē)上搬下并換上新模具，絞車(chē)回到生產(chǎn)車(chē)間?？奎c(diǎn)，機(jī)械手夾緊模具并重新安放到抱閘口位置，抱閘鎖緊模具完成整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程。

2　電氣氣動(dòng)控制

防爆氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)采用PLC邏輯控制，氣動(dòng)執(zhí)行的方式。

2.1　氣動(dòng)控制

氣動(dòng)元件具有使用安全可靠、壽命長(zhǎng)、使用維護(hù)方便，可在易燃、易爆、粉塵等惡劣的環(huán)境中安全工作[2]，特別適合作為本系統(tǒng)的動(dòng)力源件。搬運(yùn)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)行程動(dòng)作，選擇雙向氣動(dòng)馬達(dá)作為執(zhí)行元件。小行程的動(dòng)作選擇氣缸作為執(zhí)行元件。氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的氣動(dòng)原理如圖1所示。其中7是機(jī)械手的手爪夾緊氣缸，8是手爪鎖緊氣缸，10是絞車(chē)運(yùn)動(dòng)馬達(dá)，12是縱向運(yùn)動(dòng)氣缸，13是橫向運(yùn)動(dòng)馬達(dá)，14是升降運(yùn)動(dòng)馬達(dá)。各單向節(jié)流閥6控制各運(yùn)動(dòng)元件的運(yùn)動(dòng)速度。溢流閥控制各氣路的氣壓大小，確保執(zhí)行元件力的大小。常閉電磁閥11作用是在螺壓機(jī)將模具推出過(guò)程中，讓縱向運(yùn)動(dòng)氣缸內(nèi)沒(méi)有氣壓，方便螺壓機(jī)將模具頂出。氣動(dòng)制動(dòng)器15在氣源切斷的情況下將升降手臂制動(dòng)，可避免發(fā)生模具墜落事故。

1.氣源　2.儲(chǔ)氣罐　3.氣動(dòng)三聯(lián)件　4.溢流閥5.三位五通電磁閥　6.單向節(jié)流閥　7.夾緊氣缸　8.鎖緊氣缸9.絞車(chē)雙向馬達(dá)　10.兩位兩通電磁閥　11.常閉兩位兩通電磁閥12.縱向進(jìn)退氣缸　13.橫向左右雙向馬達(dá)14.升降雙向馬達(dá)　15.氣動(dòng)制動(dòng)器圖1　氣動(dòng)原理圖

2.2　PLC控制

氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)的控制要求控制是采用點(diǎn)動(dòng)、單步控制方式，并且現(xiàn)場(chǎng)和監(jiān)控室內(nèi)都能進(jìn)行操控。點(diǎn)動(dòng)方式即是在單步運(yùn)行時(shí)需要長(zhǎng)按按鈕，才能完成相應(yīng)動(dòng)作，這種方式主要是用于設(shè)備的調(diào)試和出現(xiàn)特殊情況排除故障。單步方式只需按一下按鈕，搬運(yùn)系統(tǒng)完成一次單步運(yùn)動(dòng)，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)或行程開(kāi)關(guān)，確定單步運(yùn)動(dòng)的停止，確保動(dòng)作位置的精確?，F(xiàn)場(chǎng)采用可移動(dòng)的組合防爆按鈕盒操控，不使用時(shí)放到現(xiàn)場(chǎng)防爆箱內(nèi)。監(jiān)控室采用控制臺(tái)的按鈕開(kāi)關(guān)操控。

控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。PLC輸入端由信號(hào)傳感器和控制按鈕等信號(hào)，PLC輸出端控制各種氣動(dòng)電磁閥、電磁制動(dòng)器和指示燈。PLC運(yùn)行時(shí)，循環(huán)掃描程序，提取由操作按鈕和傳感器發(fā)出的輸入映像區(qū)內(nèi)的輸入信號(hào)，經(jīng)過(guò)PLC內(nèi)部邏輯運(yùn)算后輸出到輸出映像區(qū)，對(duì)電磁閥和指示燈輸出，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣動(dòng)元件的控制和指示。通過(guò)軟件編程，方便實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的控制和操作，如2個(gè)機(jī)械手爪的夾緊和松開(kāi)動(dòng)即可以作同時(shí)動(dòng)作也可以分別動(dòng)作，現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程都能夠操作，且操作時(shí)互鎖。

圖2　控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2.3　控制過(guò)程

更換模具時(shí),需要將原有的模具從抱閘口卸下運(yùn)回到模具庫(kù)內(nèi)再?gòu)哪＞邘?kù)內(nèi)將新的模具給安裝到抱閘上，包含有缷模過(guò)程和裝模過(guò)程。其基本的動(dòng)作順序是:開(kāi)機(jī)自檢—初始狀態(tài)(絞車(chē)停在模具庫(kù)停靠點(diǎn)，機(jī)械手夾緊、機(jī)械手停在絞車(chē)生產(chǎn)車(chē)間停靠點(diǎn)上方，機(jī)械手臂處在最高點(diǎn))—絞車(chē)前進(jìn)10 m—手爪張開(kāi)—機(jī)械手橫向右移4 m—縱向后退0.5 m—手臂下降1.2 m—手爪夾住模具兩頸—縱向氣缸斷氣，處于自由狀態(tài)—出料間內(nèi)松開(kāi)抱閘—螺壓機(jī)頂出模具0.5 m—切斷前后端藥芯—橫向向左移4 m到絞車(chē)上，機(jī)械手臂下降1.2 m—手爪解鎖—松開(kāi)手爪，將模具放到托架上—機(jī)械手回到初始狀態(tài)—絞車(chē)后退10 m(穿過(guò)防爆門(mén)到達(dá)模具庫(kù)?？奎c(diǎn))—工人卸下模具，放新模具到絞車(chē)上—絞車(chē)前行10 m到生產(chǎn)車(chē)間停靠點(diǎn)—手爪張開(kāi)—手臂下降1.2 m夾緊模具兩頸并鎖緊—手臂上升1.2 m—橫向右移4 m到抱閘口位置—縱向后退將模具插入到模具抱閘口—閉合抱閘—松開(kāi)機(jī)械手爪—回到初始狀態(tài)，完成裝模過(guò)程。

3　危險(xiǎn)情況分析與防范措施

3.1　設(shè)備的防爆措施

防爆氣動(dòng)模具搬運(yùn)系統(tǒng)在可燃性粉塵環(huán)境中工作。粉塵混合物在空氣中的超過(guò)危險(xiǎn)濃度，出現(xiàn)點(diǎn)燃源就會(huì)出現(xiàn)燃燒甚至爆炸。防止粉塵混合物的燃燒或爆炸，除控制環(huán)境中粉塵的濃度外，避免出現(xiàn)點(diǎn)燃源是防止電氣火災(zāi)和爆炸事故發(fā)生必不可少的防范措施[7]。根據(jù)GB 25286-2010《爆炸性環(huán)境用非電氣設(shè)備》和GB 3836-2010《爆炸性環(huán)境用防爆電氣設(shè)備》系列標(biāo)準(zhǔn)，在設(shè)計(jì)、選件、制造、安裝、使用過(guò)程中采取有效防燃防爆措施，避免點(diǎn)燃源的出現(xiàn)。

在爆炸性環(huán)境中非電氣的設(shè)備或零部件等因相互摩擦、碰撞等產(chǎn)生電火花、熱表面或靜電荷等[1]，電氣設(shè)備正?；蚍钦Ｊ褂弥邪l(fā)熱量過(guò)大，活動(dòng)觸頭等運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電弧或電火花等[7]都能夠成為點(diǎn)燃源，將混合粉塵引燃。在設(shè)計(jì)階段考慮潛在點(diǎn)燃源，減少點(diǎn)燃源的出現(xiàn)。

(1) 降低系統(tǒng)的整體運(yùn)動(dòng)的速度。降低運(yùn)行速度，方便實(shí)現(xiàn)位置精確，也可以減少碰撞、摩擦和制動(dòng)時(shí)也產(chǎn)生機(jī)械火花、熱量和靜電量[4]，減少點(diǎn)燃源出現(xiàn)概率。

(2) 提高外殼防護(hù)等級(jí)[3]。能夠產(chǎn)生的電火花、電弧、熱表面等與粉塵有效隔離。高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械零部件進(jìn)行隔爆處理。在生產(chǎn)車(chē)間內(nèi)所使用的電氣設(shè)備和裝置采用密封的防爆電器。

(3) 在容易發(fā)生爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的電氣設(shè)備和非電氣設(shè)備的金屬外殼應(yīng)可靠接地，及時(shí)將靜電傳導(dǎo)到大地，減少靜電荷的積聚。

(4) 對(duì)暴露在粉塵環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)零部件使用防靜電的材質(zhì)。對(duì)摩擦和碰撞的零件使用銅合金制造或在表面鍍銅處理。

(5) 合理的電氣布局。將能夠產(chǎn)生火花、電弧和高溫危險(xiǎn)的電氣設(shè)備和裝置，如電氣柜等放置到其他場(chǎng)所。

3.2　搬運(yùn)系統(tǒng)安全防護(hù)措施[6]

氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)搬運(yùn)時(shí)，模具內(nèi)就含有余藥，本身具有危險(xiǎn)性，絕對(duì)不能出現(xiàn)模具和其他物體碰撞，機(jī)械手出現(xiàn)故障導(dǎo)致模具墜落等危險(xiǎn)情況發(fā)生。因此搬運(yùn)過(guò)程中系統(tǒng)運(yùn)行應(yīng)有很高可靠性和安全性要求，對(duì)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤操作、零部件失效、電源氣壓突然切斷等突發(fā)狀況應(yīng)具有相應(yīng)的防范和補(bǔ)救措施：

(1) 遠(yuǎn)程監(jiān)控通過(guò)借助原有的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)跟蹤和掌握搬運(yùn)現(xiàn)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)，通過(guò)操作有效規(guī)避障礙物和防范潛在危險(xiǎn)情況發(fā)生。

(2) 控制靈活防爆氣動(dòng)搬運(yùn)系統(tǒng)采用現(xiàn)場(chǎng)和遠(yuǎn)程、單步和點(diǎn)動(dòng)控制的方式，能有效處理搬運(yùn)過(guò)程中突發(fā)狀況，可供選擇的工具和手段更加的靈活多樣，也更方便處理突發(fā)情況。

(2) 制動(dòng)保護(hù)在氣源、電源失效狀況出現(xiàn)時(shí)，制動(dòng)器在彈簧力作用下處于制動(dòng)狀態(tài)，避免模具的墜落。

(3) 限位保護(hù)對(duì)設(shè)備運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的行程進(jìn)行機(jī)械限位，機(jī)械限位是錯(cuò)誤操作或行程開(kāi)關(guān)等失效時(shí)進(jìn)行限位，防止超過(guò)最大行程。

(4) 過(guò)載保護(hù)若搬運(yùn)時(shí)模具被阻擋、拖拽等情況而出現(xiàn)過(guò)載，過(guò)載保護(hù)能夠有效的防止出現(xiàn)硬拉拖拽情況。

(5) 夾持鎖緊保護(hù)在氣源切斷下，手爪仍能在鎖緊氣缸的機(jī)械限位下保持足夠的夾緊力夾緊模具，防止出現(xiàn)模具墜落等危險(xiǎn)情況出現(xiàn)。

4　結(jié)論

防爆氣動(dòng)模具搬運(yùn)系統(tǒng)是為了替代操作員現(xiàn)場(chǎng)工作而設(shè)計(jì)的。根據(jù)工廠(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)情況制定搬運(yùn)方案，采用氣動(dòng)執(zhí)行，PLC控制的方式。對(duì)系統(tǒng)中存在的危險(xiǎn)因素進(jìn)行有效的控制，對(duì)可能引起粉塵爆炸性環(huán)境爆炸的點(diǎn)燃源進(jìn)行分析并采取相應(yīng)的防爆措施，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行中設(shè)備故障情況采取防護(hù)措施。氣動(dòng)模具搬運(yùn)系統(tǒng)不僅提高了模具搬運(yùn)的自動(dòng)化效率，減輕了操作人員的工作強(qiáng)度，同時(shí)該系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)搬運(yùn)，減少了人為操作對(duì)模具搬運(yùn)過(guò)程的影響，整個(gè)搬運(yùn)過(guò)程更具有規(guī)范性、安全性和可靠性，對(duì)降低爆炸事故概率，保障生命安全和減少企業(yè)財(cái)產(chǎn)損失有重要的意義。

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