應(yīng)對油霧與粉塵環(huán)境的機(jī)器人電控柜防護(hù)罩研制

鄭西點(diǎn)

（庫卡機(jī)器人制造（上海）有限公司，上海201612）

1 概述

隨著工業(yè)機(jī)器人的日益普及，各種嚴(yán)苛的生產(chǎn)環(huán)境都開始由機(jī)器人取代人工完成工作。高溫高濕、油霧和粉塵彌漫的工作環(huán)境大面積存在于工業(yè)生產(chǎn)中，比如CNC 機(jī)床加工車間、打磨車間、焊接車間等。普通防護(hù)（IP20 級）的機(jī)器人電控柜難以滿足這種環(huán)境的使用要求。大量的粉塵和油霧會經(jīng)過電控柜的鈑金縫隙、開孔、風(fēng)扇散熱系統(tǒng)進(jìn)入到核心區(qū)域，比如主板、內(nèi)部散熱風(fēng)扇、磁盤等。時(shí)間一久，電控柜就會報(bào)警失效，使用壽命大打折扣。而對于防護(hù)性好的機(jī)器人電控柜（業(yè)界均為IP54 級），長期處在高溫高濕的環(huán)境中，散熱問題又凸顯出來。比如在夏季的華南地區(qū)，工廠CNC 車間出現(xiàn)的高溫高濕（42℃，95%）環(huán)境很容易引起機(jī)器人電控柜高溫報(bào)警，迫切需要一種高防護(hù)且耐高溫高濕環(huán)境的機(jī)器人電控柜。

本文基于庫卡IP20 級的KRC4 compact[1]與KRC5 micro[2]電控柜，詳細(xì)介紹耐高溫高濕環(huán)境的IP54 級電控柜防護(hù)罩的研制過程。

文章的第一部分將介紹IP54 級防護(hù)罩的設(shè)計(jì)難點(diǎn)和解決方案，兩款I(lǐng)P54 級電控柜防護(hù)罩的具體結(jié)構(gòu)將在第二部分中介紹，散熱策略的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證會在第三部分中介紹，對IP54 級防護(hù)罩的驗(yàn)證測試結(jié)果及討論會在第四部分中闡述，最后是對論文的總結(jié)。

2 設(shè)計(jì)難點(diǎn)和解決方案

2.1 基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)

電控柜防護(hù)罩的設(shè)計(jì)依賴于內(nèi)置IP20 級電控柜的已有特征和使用方式。IP20 等級電控柜的接線、上電、固定和散熱方式，將很大程度影響IP54 級防護(hù)罩的設(shè)計(jì)。除此之外，整體防護(hù)罩的安裝擺放、調(diào)試、維護(hù)、運(yùn)輸以及經(jīng)濟(jì)成本等方面的需求，也都是防護(hù)罩設(shè)計(jì)應(yīng)該考慮的因素。

以庫卡KRC4 compact IP20（圖1）為例，它的線纜接口和控制按鈕都集中在前面板，如電源、動力線纜、信號線纜和各種專用信號接口。而KRC5 micro IP20（圖2）的接線接口與控制按鈕則分開布置在前面板和后面板。內(nèi)置電控柜的尺寸、接線方式與線纜的折彎半徑很大程度決定了電控柜防護(hù)罩的尺寸。

首先，為放入并取出IP20 電控柜，IP54 防護(hù)罩需要1 扇可開閉并鎖緊的柜門，而為了維護(hù)或調(diào)試可能還需要增加1 扇柜門。其次，IP20 電控柜必須在防護(hù)罩內(nèi)部穩(wěn)固地鎖定，避免在運(yùn)輸或不當(dāng)使用中出現(xiàn)物理損傷。再次，需要有線纜引入的物理接口，保證IP20 電控柜所需線纜可由外部進(jìn)入防護(hù)罩內(nèi)。防護(hù)罩電控系統(tǒng)還需要集成主開關(guān)、接地柱和外部快速接口（如USB口）等。此外，電控柜防護(hù)罩的EMC 設(shè)計(jì)也需要在設(shè)計(jì)中考慮。針對防護(hù)罩的使用環(huán)境，還需考慮它的支撐或固定方式。另外，運(yùn)輸使用的接口設(shè)計(jì)也應(yīng)該考慮。最后，防護(hù)罩產(chǎn)品的3 維尺寸和總質(zhì)量，都是基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)需要考慮的。

表1 散熱部件及優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖1 KRC4 Compact IP20

圖2 KRC5 Micro IP20

2.2 高防護(hù)設(shè)計(jì)

如前面所述，為基礎(chǔ)功能設(shè)計(jì)的柜門、線纜引入口、快速接口等特征，以及散熱需要的進(jìn)風(fēng)口，都要對柜體鈑金開孔，這對防護(hù)罩的密封設(shè)計(jì)帶來問題。

柜門閉合后的密封設(shè)計(jì)，可以歸納為柜門鈑金與柜體之間的無縫對接，必須借助外部元件完成，如柜門鎖、鉸鏈、橡膠壓條等。另外，柜門的厚度也影響柜門的密封性，薄鈑金容易變形，產(chǎn)生縫隙。而對油霧彌漫的客戶現(xiàn)場而言，密封壓條防油性也在設(shè)計(jì)考慮之中。

用于散熱的進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口，同樣也是油霧粉塵進(jìn)入的通道。一般解決方法都是選擇合適的阻擋物布置在進(jìn)風(fēng)口處，比如常見的過濾棉或過濾網(wǎng)（圖4）。除此之外，可以從防護(hù)罩中隔離出一塊密閉空間，暫存進(jìn)入的水霧和粉塵，防止其進(jìn)入IP20的電控柜，后續(xù)在維護(hù)時(shí)清除掉積水和積灰。

關(guān)于線纜引入防護(hù)罩的防護(hù)問題，業(yè)界已有很成熟的密封解決方案，比如采用線纜引入板和對應(yīng)每種線纜外徑的堵頭，通過堵頭與線纜的過盈配合實(shí)現(xiàn)密封。

外部快速接口需選型IP54 等級的標(biāo)準(zhǔn)件，比如自帶密封蓋的IP54 級RJ45 快速接口。

2.3 強(qiáng)散熱設(shè)計(jì)

對防護(hù)罩進(jìn)行散熱設(shè)計(jì)，必須結(jié)合IP20 電控柜的散熱方式以及散熱效率，以及應(yīng)用環(huán)境特點(diǎn)。KRC4 compact IP20 的散熱方式是左右側(cè)設(shè)計(jì)通風(fēng)口與冷卻風(fēng)扇，吸入環(huán)境冷風(fēng)，吹過主板上的熱管與翅片，再從出風(fēng)口導(dǎo)出熱風(fēng)。而更小巧的KRC5 micro IP20 則是前后側(cè)設(shè)計(jì)了風(fēng)道，通過內(nèi)部風(fēng)扇驅(qū)動氣流，完成內(nèi)部熱量的導(dǎo)出。應(yīng)用環(huán)境的要求是，在夏季高溫高濕（42℃與95%濕度）下，IP54 級電控柜正常工作，內(nèi)置CPU 溫度不能超過80℃，同時(shí)應(yīng)用現(xiàn)場不提供冷卻水或壓縮空氣。

針對以上特點(diǎn)，散熱部件的選型需滿足以下目標(biāo)：

a.散熱效率滿足內(nèi)部IP20 電控柜使用要求；

b.結(jié)構(gòu)小巧簡單，尺寸符合防護(hù)罩空間要求，安裝方便；

c.可外部供電，功率小，不使用外部壓縮空氣或冷卻水；

d. 自身兼具IP54 設(shè)計(jì)，可防止外部粉塵或油霧進(jìn)入內(nèi)部IP20 電控柜；

e.耐油耐腐蝕，噪聲低，維護(hù)簡單；

f.成本符合經(jīng)濟(jì)性要求。

限于尺寸和成本，防護(hù)罩不考慮主動制冷部件（如外掛空調(diào)和半導(dǎo)體制冷器）。表1 列出了工業(yè)電控柜常用的散熱部件及優(yōu)缺點(diǎn)，可供設(shè)計(jì)選型使用。

3 電控柜防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在明確設(shè)計(jì)需求的前提下，權(quán)衡比較第2 部分所述的解決方案，庫卡中國開發(fā)了2 款I(lǐng)P54 級的電控柜防護(hù)罩，這里分別介紹它們的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

3.1 KRC4 compact IP54 防護(hù)罩

KRC4 compact IP54 防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下(見圖3) ：

3.1.1 采用內(nèi)外雙層設(shè)計(jì)，放置IP20 電柜的內(nèi)層完全封閉，而外層連通外部環(huán)境，內(nèi)外層之間布置散熱設(shè)備；

3.1.2 雙開門設(shè)計(jì)，前柜門用于取放IP20 電控柜，而頂柜門用于快速調(diào)試和維護(hù)；

3.1.3 背部布置進(jìn)風(fēng)口，進(jìn)風(fēng)口前配置防油過濾器，底部為出風(fēng)口，外部空氣僅在外層流動；

3.1.4 左側(cè)布置電纜引入板，右側(cè)布置快速接口面板；

3.1.5 底部有底座抬高防護(hù)罩，便于導(dǎo)出熱空氣，并作為運(yùn)輸接口。

圖3 KRC4 compact IP54 防護(hù)罩結(jié)構(gòu)

3.2 KRC5 micro IP54 防護(hù)罩

KRC5 micro IP54 防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如下（見圖4）：

3.2.1 罩殼采用全封閉結(jié)構(gòu)，IP20 電柜、散熱設(shè)備和電控元件放置其中；

3.2.2 單柜門設(shè)計(jì)，前柜門是IP20 電柜取放、調(diào)試與維修的唯一入口；

3.2.3 散熱設(shè)備的進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口都布置在防護(hù)罩頂面，頂部有散熱器的保養(yǎng)維修板；

3.2.4 柜體左右側(cè)都布置了IP54 的電纜引入板；

3.2.5 底部有4 個(gè)小支撐腳，頂部開有4 個(gè)吊裝運(yùn)輸孔。

圖4 KRC5 micro IP54 防護(hù)罩結(jié)構(gòu)

4 散熱策略的介紹

4.1 KRC4 compact IP54 的散熱策略

根據(jù)KRC4 Compact IP20 的散熱方式與散熱效率選用調(diào)速直流風(fēng)扇與折彎式熱管散熱器組合的散熱策略。結(jié)合3.1 節(jié)所述的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，如圖5 所示，冷風(fēng)由直流風(fēng)扇從防護(hù)罩背部抽入，只在內(nèi)外層之間流動，通過折彎式熱管散熱器的銅管和翅片，帶走內(nèi)層傳遞來的熱量，最后從底部出風(fēng)口流出。6 組折彎式熱管散熱器分布在內(nèi)外層之間，一半熱管吸熱，一半熱管散熱?？烧{(diào)速直流風(fēng)扇由內(nèi)部IP20 電控柜控制，當(dāng)主板溫度達(dá)到一定閾值后，風(fēng)速開始隨溫升提速，并驅(qū)動冷卻空氣流動，帶走散熱器翅片上的熱量。

圖5 KRC4 compact IP54 的散熱策略

4.2 KRC5 micro IP54 的散熱策略

根據(jù)KRC5 micro IP20 的散熱方式與散熱效率，選用氣氣熱交換器與軸流式風(fēng)扇散熱。散熱策略（見圖6）如下：

表2 溫箱溫濕度變化與CPU 溫度變化

a.防護(hù)罩頂部安裝氣氣熱交換器，外循環(huán)朝外，由軸流式風(fēng)扇從吸風(fēng)口導(dǎo)入冷風(fēng)，經(jīng)鋁芯后再從頂部出風(fēng)口排出；

b.熱交換器內(nèi)循環(huán)朝內(nèi)，由軸流式風(fēng)扇從KRC5 micro IP20背部吸收熱風(fēng)，經(jīng)鋁芯冷卻后在由出風(fēng)口排出冷風(fēng)到前柜門處；

c. 布置在柜門內(nèi)側(cè)的2 組軸流式風(fēng)扇面對著KRC5 micro IP20 前面板，將熱交換器導(dǎo)出的冷卻空氣再導(dǎo)入其中，帶走內(nèi)部運(yùn)行產(chǎn)生的熱量。

圖6 KRC5 micro IP54 的散熱策略

4.3 散熱部件的參數(shù)確定

以上兩款防護(hù)罩的散熱部件設(shè)計(jì)或選型都涉及散熱參數(shù)的計(jì)算和驗(yàn)證，最典型的是冷卻風(fēng)扇的風(fēng)量計(jì)算（氣熱散熱器內(nèi)部也包含多組冷卻風(fēng)扇）。

已知IP20 電控柜的散熱功率，要求控制柜內(nèi)溫度80 度以下，而外界空氣溫度最高為42℃（極限情況）。1m3空氣可帶走的熱量為：

其中C 為空氣比熱，ρ 為空氣密度，△T 為內(nèi)外溫差。風(fēng)量需求為：

Q=W*t/ (qair * ?) ，

其中? 為散熱效率，W 為發(fā)熱功率，t 為時(shí)間。空氣比熱約為1400J/(Kg℃) ，空氣密度為1.293Kg/m3。比如控制柜發(fā)熱功率為0.4KW，散熱效率?=0.2，則可得到每小時(shí)產(chǎn)生熱量為W=1440 KJ，Q=105 m3/h，選擇相應(yīng)流量的冷卻風(fēng)扇即可。

使用ANSYS ICEPAK 軟件對防護(hù)罩內(nèi)部進(jìn)行了熱仿真。軟件熱仿真顯示，IP20 電控柜內(nèi)部的溫度不超過80 攝氏度。

4.4 散熱策略的溫箱試驗(yàn)驗(yàn)證

模擬高溫高濕環(huán)境的溫箱試驗(yàn)可以有效驗(yàn)證防護(hù)罩的散熱策略。以KRC5 micro IP54 防護(hù)罩為例，將試制的樣品放入可編程的溫箱中，設(shè)置溫箱內(nèi)部環(huán)境運(yùn)行到42℃高溫和95%的濕度，并保持至少4 小時(shí)，同時(shí)電控柜驅(qū)動機(jī)器人本體做持續(xù)工作。由于電控柜內(nèi)含測溫傳感器，故可以從機(jī)器人的示教器上讀取電控柜內(nèi)部的主板與CPU 溫度。表2 顯示了溫箱的溫濕度變化與機(jī)器人電控柜內(nèi)CPU 溫度隨時(shí)間變化的情況，在溫箱環(huán)境穩(wěn)定后，電控柜內(nèi)CPU 溫度逐步也趨于穩(wěn)定，保持在70 攝氏度以下，符合防護(hù)罩散熱設(shè)計(jì)需求。

圖7 IPX4 防水試驗(yàn)

圖8 現(xiàn)場測試后KRC5 micro IP54 外觀

5 產(chǎn)品驗(yàn)證測試與結(jié)果討論

為了在防護(hù)性和散熱性上雙重驗(yàn)證防護(hù)罩產(chǎn)品，多種產(chǎn)品驗(yàn)證測試需要完成，其中最重要的是防水與防塵（IP54 等級）試驗(yàn)、在油霧和粉塵車間的現(xiàn)場測試。

5.1 防塵與防水測試

以KRC5 micro IP54 防護(hù)罩為例，防塵與防水測試的布置和通過標(biāo)準(zhǔn)必須符合標(biāo)準(zhǔn)IEC60529:2013 中IP5X 與IPX4 等級的描述(詳見文獻(xiàn)[3])。被試樣品必須置于試驗(yàn)箱中，使用2 kg/m3的滑石粉從各角度噴射，試驗(yàn)時(shí)間8 小時(shí)。試驗(yàn)結(jié)束后開啟柜門，樣品內(nèi)不進(jìn)粉塵，即為通過IP5X 的標(biāo)準(zhǔn)。

防水試驗(yàn)IPX4 是使用圖7 所示的擺管試驗(yàn)，其中擺管是對著平臺上的被試樣品360°旋轉(zhuǎn)，擺管上共62 個(gè)孔，水流量是4.3L/min,試驗(yàn)時(shí)間為10 分鐘。試驗(yàn)結(jié)束后，打開樣品并上電開機(jī)，防護(hù)罩柜內(nèi)角落的少量進(jìn)水沒有影響設(shè)備的正常操作與安全性時(shí)，判定產(chǎn)品通過IPX4 的標(biāo)準(zhǔn)。

5.2 油霧粉塵車間的現(xiàn)場測試

本論文涉及的2 款電控柜防護(hù)罩都在機(jī)器人工作的油霧粉塵車間進(jìn)行了1 個(gè)月的現(xiàn)場測試，限于客戶保密要求，無法拍攝測試過程圖片。圖8 展示了從油霧粉塵車間結(jié)束測試后的KRC5 micro IP54 樣品。油霧粉塵車間對樣品外觀造成嚴(yán)重的污染，其中頂部的進(jìn)風(fēng)口的過濾棉已變黑。開啟柜門后發(fā)現(xiàn)，防護(hù)罩內(nèi)側(cè)沒有油污與粉塵進(jìn)入，散熱器、冷卻風(fēng)扇、電氣開關(guān)等部件都沒有被油霧或粉塵污染。防護(hù)罩內(nèi)的IP20 電控柜經(jīng)測試后證明仍正常運(yùn)行。

5.3 測試結(jié)果及討論

IP54 防護(hù)罩產(chǎn)品還通過了2000 小時(shí)的耐久測試、EMC 測試、噪音測試等嚴(yán)格的驗(yàn)證測試，限于篇幅不再贅述。目前防護(hù)罩產(chǎn)品已經(jīng)批量布置到客戶現(xiàn)場使用。

產(chǎn)品驗(yàn)證測試結(jié)果和實(shí)際客戶使用情況證明，兩款防護(hù)罩都實(shí)現(xiàn)了高防護(hù)和耐高溫高濕的設(shè)計(jì)需求，并成功應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中。

6 結(jié)論

本文從IP54 防護(hù)罩的設(shè)計(jì)需求來源、設(shè)計(jì)難點(diǎn)與解決方案、防護(hù)罩的結(jié)構(gòu)組成與散熱策略選擇、驗(yàn)證測試與測試結(jié)果等方面，完整地介紹了2 款I(lǐng)P54 防護(hù)罩產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)流程。防護(hù)罩產(chǎn)品可滿足整體IP54 等級要求, 并能承受42℃高溫和95%高濕度的應(yīng)用環(huán)境，成功的解決了高防護(hù)與強(qiáng)散熱的矛盾。本文對后續(xù)類似需求產(chǎn)品的開發(fā)也具有很好的參考意義。