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《制造业中的机器人、自动化和系统集成》—— 3.8 安全与防护

简介: 安全系统的基本任务是保证操作人员不会在操作、使用或维护自动化系统时伤害自己。有许多提供安全操作环境的标准可以遵循。国家标准与用户提供的标准可能同样适用。这些标准经常是指导方针而不是确切的陈述,还需要自动化系统供应商做风险评估,包括与操作人员、编程人员、维护人员和第三方的可能存在的接口。
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本节书摘来自华章出版社《制造业中的机器人、自动化和系统集成》一书中的第3章,第3.8节,作者[英] 麦克·威尔逊(Mike Wilson),更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。

3.8 安全与防护

安全系统的基本任务是保证操作人员不会在操作、使用或维护自动化系统时伤害自己。有许多提供安全操作环境的标准可以遵循。国家标准与用户提供的标准可能同样适用。这些标准经常是指导方针而不是确切的陈述,还需要自动化系统供应商做风险评估,包括与操作人员、编程人员、维护人员和第三方的可能存在的接口。这些评估应该考虑所有可能的潜在风险,并通过应用安全与防护系统将它们合理地最小化甚至消除。在某些情况下,这些评估任务将十分繁重。比如,在激光应用中,其设备将会带来较大的风险。
主要的防护措施是在系统周围安装固定式防护装置。防护栏通常高2米,并在底部留有一个小空间。防护装置主要由立柱组成,立柱固定在地板上,在立柱之间填充面板。这些面板可以是金属薄片、电焊网、有机玻璃或者其他形式的塑料板。
材料的选择经常依赖于应用和用户的喜好。对于电弧焊应用,保护人员不被电弧的强光灼伤是必要的;因此可以使用固体面板或带焊接防护材料的电焊网。塑料板在洁净环境中使用效果更好,因为它们可以为系统提供更干净的表面,但也更容易被损坏。电焊网造价最低,经常用于比较恶劣的环境中。在这种环境中,塑料板会快速老化。
激光应用往往需要一个不透光的箱子来确保激光束不会传播到系统外面。最新的高能激光应用为激光防护带来了更严峻的挑战,如果激光射在箱子的内壁上,即使是非常短的时间,激光都可以穿透内壁传播到箱子外面。为了解决这个问题,盒子的内壁必须全部被感光板包裹,它们可以感知激光的影响,在很短的时间内关闭激光,以便保证系统的安全。
在自动化系统周围加上防护装置后,下一步就是提供通道。最简单的通道形式是维护和编程。69维修和编程的频率不是很高,往往由一个或多个通道门来实现。这些门与控制系统是互锁的,所以自动化系统不能在通道门开启的情况下运行。往往需要在通道门打开时为机器提供动力,使编程人员和维护人员可以进行他们的工作。有很多不同的解决方案,其中最常见的是密钥交换系统。进入系统的人将一把机械钥匙插入通道门上的一个盒子中,然后取下第二把钥匙,使门保持打开。然后他可以将第二把钥匙放到系统内的第二个盒子中,使系统中的设备可以在系统内操作,而不是系统外。因此,就可以实现自动化系统由系统内的人控制。直到钥匙顺序反转,密钥归位,系统才可以被外界操作。不过这类方法在更大的多台机器人系统中应用时要特别注意,因为这需要多个通道门,多名人员也会同时在防护系统之内。重要的一点是,当还有人在系统内时,系统不能被锁上。为了强调这点,许多公司用挂锁来实现,将每把钥匙分发给每个工作人员,确保在系统关闭且返回自动化操作时所有人员都已经处在系统之外。
需要设置通道的另一个地方是在系统的工件装载和卸载位置。其对防护系统的需求在于操作人员与设备的什么位置接触。典型的防护设备有门、光栅、地板垫、区域扫描防护等。
防护门可以自动或手动滑动、升起或落下。防护门通常安装在防护装置内,当防护门关闭时,在操作者和系统之间提供物理阻拦。如果防护门自动到达安全范围的边缘,会有一个橡胶条提供阻拦,保证防护门不会困住操作者。当防护门打开时,系统的设计必须保证操作者不能进入系统,也不能接触任何危险的设备。防护门经常用在操作者给夹具或变位机加载工件的场合。变位机或转台在操作者和系统的功能部件分之间设置了阻拦。
光栅防护经常用在需要更大通道的场合或者防护门不方便使用的区域。光栅防护包括两个立柱,一个包括多个光发射器,另一个包括多个配套的接收器。对于装载区域,区域的每一侧都70安装了发射和接收立柱,如果任何光束被阻挡,光线就不会到达接收器,那么光栅防护就会停止系统的运行。系统输出将在合适的时间降为0,此时进入该区域就是安全的。
还有两点也是很重要的。决定机器的停止距离是很有必要的。这也决定了光栅防护的位置,也就是设备与光栅之间的距离有多远。这可以保证如果任何人员穿过了光栅,设备就会在人碰到运动的设备之前停止运行。
另一个重要点是工作人员不可以站在光栅防护区域内,同时机器持续运行。这可以通过两种方式实现。第一种是在系统内设置物理阻拦,防止人员穿过光栅防护区域进入加载和卸载的工作区域甚至走到更里面去。第二种是将光栅倾斜45°安装使其覆盖整个区域,或者设置水平和垂直光栅来保证全覆盖。用地板垫同样可行,系统可以感知是否有人踏上地板垫。然而,由于地板垫很容易损坏,所以这种方法不太可靠。
另一种供选择的方法是使用区域扫描防护。这些防护装置发射激光束,对传感器前的区域进行扫描。然后它们在传感器感知的范围内接收物体反射回来的光束。这些传感器可以通过编程来定义在正常情况下光束的信号波形,也就是安全的加载或卸载区域。因此,它们可以检测变化,如果有人进入该区域则停止系统运行。
可以与机器人内部的软件配合,在传感器的视野内定义特定的区域。这些区域在有人进入时会使机器人产生特定的动作。特定的机器人软件,例如ABB的Safemove,可以满足安全标准需求,实现这些安全功能。举个例子,我们定义传感器视野内的两个区域,它们是机器人工作范围内的区域和工作范围外的区域。如果操作者进入第一个区域,机器人就开始降速;如果进入第二个区域,机器人就可能在安全模式下停止运行,但这并不是紧急停止。一旦操作者71离开该区域,机器人就返回之前的工作模式,也就是操作者在第一区域时的慢速状态和离开第一区域时的全速状态。这种方法在操作者与机器人在运行期间需要交互的应用环境中十分有效。例如,在机器人装载工件时,传统的安全防护方法就会拖延时间,不切实际。
另一种常见的防护需求是允许工件自动出入系统,同时防止人员进入该工作区域。比如,自动码垛系统,纸箱需要通过输送机进入系统,同时空的或满的托盘需要传送出来。纸箱通道的防护可以通过固定的隧道来实现。这个隧道设置在输送机的周围,足够纸箱进出同时不足以让人进入。同时它足够长,可以保证外面的人与里面的系统无法接触。
托盘进出的安全系统就有些复杂了。传统的托盘通过滚筒式输送机实现进出。两组光栅设立在出入点,为托盘的出入提供一里一外的安全防护。这些光栅会在合适的时间连接或断开。例如,当托盘从系统中向外输送时,内部的光栅先断开直到托盘通过,然后在外面的光栅断开时,内部的光栅迅速启动连接,最后直到托盘完全离开系统时,外部的光栅再次启动。因此,系统在任何时间都可以被内外光栅之一保护。
对于机器人系统来说,安全和防护系统是至关重要。如果不认真对待,设备就会处于危险之中,就会存在对人员的潜在危害。对于不同类型的工作人员,都需要做合理的培训,保证他们可以正确地操作设备,了解其中的安全问题。安全防护培训对于维护人员和编程人员尤其重要,因为他们在安全系统内工作,所以发生安全威胁的风险更大。

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