《制造業中的機器人、自動化和系統內建》—— 3.8 安全與防護

安全系統的基本任務是保證操作人員不會在操作、使用或維護自動化系統時傷害自己。有許多提供安全操作環境的标準可以遵循。國家标準與使用者提供的标準可能同樣适用。這些标準經常是指導方針而不是确切的陳述，還需要自動化系統供應商做風險評估，包括與操作人員、程式設計人員、維護人員和第三方的可能存在的接口。這些評估應該考慮所有可能的潛在風險，并通過應用安全與防護系統将它們合理地最小化甚至消除。在某些情況下，這些評估任務将十分繁重。比如，在雷射應用中，其裝置将會帶來較大的風險。

主要的防護措施是在系統周圍安裝固定式防護裝置。防護欄通常高2米，并在底部留有一個小空間。防護裝置主要由立柱組成，立柱固定在地闆上，在立柱之間填充面闆。這些面闆可以是金屬薄片、電焊網、有機玻璃或者其他形式的塑膠闆。

材料的選擇經常依賴于應用和使用者的喜好。對于電弧焊應用，保護人員不被電弧的強光灼傷是必要的；是以可以使用固體面闆或帶焊接防護材料的電焊網。塑膠闆在潔淨環境中使用效果更好，因為它們可以為系統提供更幹淨的表面，但也更容易被損壞。電焊網造價最低，經常用于比較惡劣的環境中。在這種環境中，塑膠闆會快速老化。

雷射應用往往需要一個不透光的箱子來確定雷射束不會傳播到系統外面。最新的高能雷射應用為雷射防護帶來了更嚴峻的挑戰，如果雷射射在箱子的内壁上，即使是非常短的時間，雷射都可以穿透内壁傳播到箱子外面。為了解決這個問題，盒子的内壁必須全部被感光闆包裹，它們可以感覺雷射的影響，在很短的時間内關閉雷射，以便保證系統的安全。

在自動化系統周圍加上防護裝置後，下一步就是提供通道。最簡單的通道形式是維護和程式設計。69維修和程式設計的頻率不是很高，往往由一個或多個通道門來實作。這些門與控制系統是互鎖的，是以自動化系統不能在通道門開啟的情況下運作。往往需要在通道門打開時為機器提供動力，使程式設計人員和維護人員可以進行他們的工作。有很多不同的解決方案，其中最常見的是密鑰交換系統。進入系統的人将一把機械鑰匙插入通道門上的一個盒子中，然後取下第二把鑰匙，使門保持打開。然後他可以将第二把鑰匙放到系統内的第二個盒子中，使系統中的裝置可以在系統内操作，而不是系統外。是以，就可以實作自動化系統由系統内的人控制。直到鑰匙順序反轉，密鑰歸位，系統才可以被外界操作。不過這類方法在更大的多台機器人系統中應用時要特别注意，因為這需要多個通道門，多名人員也會同時在防護系統之内。重要的一點是，當還有人在系統内時，系統不能被鎖上。為了強調這點，許多公司用挂鎖來實作，将每把鑰匙分發給每個從業人員，確定在系統關閉且傳回自動化操作時所有人員都已經處在系統之外。

需要設定通道的另一個地方是在系統的工件裝載和解除安裝位置。其對防護系統的需求在于操作人員與裝置的什麼位置接觸。典型的防護裝置有門、光栅、地闆墊、區域掃描防護等。

防護門可以自動或手動滑動、升起或落下。防護門通常安裝在防護裝置内，當防護門關閉時，在操作者和系統之間提供實體阻攔。如果防護門自動到達安全範圍的邊緣，會有一個橡膠條提供阻攔，保證防護門不會困住操作者。當防護門打開時，系統的設計必須保證操作者不能進入系統，也不能接觸任何危險的裝置。防護門經常用在操作者給夾具或變位機加載工件的場合。變位機或轉台在操作者和系統的功能部件分之間設定了阻攔。

光栅防護經常用在需要更大通道的場合或者防護門不友善使用的區域。光栅防護包括兩個立柱，一個包括多個光發射器，另一個包括多個配套的接收器。對于裝載區域，區域的每一側都70安裝了發射和接收立柱，如果任何光束被阻擋，光線就不會到達接收器，那麼光栅防護就會停止系統的運作。系統輸出将在合适的時間降為0，此時進入該區域就是安全的。

還有兩點也是很重要的。決定機器的停止距離是很有必要的。這也決定了光栅防護的位置，也就是裝置與光栅之間的距離有多遠。這可以保證如果任何人員穿過了光栅，裝置就會在人碰到運動的裝置之前停止運作。

另一個重要點是從業人員不可以站在光栅防護區域内，同時機器持續運作。這可以通過兩種方式實作。第一種是在系統内設定實體阻攔，防止人員穿過光栅防護區域進入加載和解除安裝的工作區域甚至走到更裡面去。第二種是将光栅傾斜45°安裝使其覆寫整個區域，或者設定水準和垂直光栅來保證全覆寫。用地闆墊同樣可行，系統可以感覺是否有人踏上地闆墊。然而，由于地闆墊很容易損壞，是以這種方法不太可靠。

另一種供選擇的方法是使用區域掃描防護。這些防護裝置發射雷射束，對傳感器前的區域進行掃描。然後它們在傳感器感覺的範圍内接收物體反射回來的光束。這些傳感器可以通過程式設計來定義在正常情況下光束的信号波形，也就是安全的加載或解除安裝區域。是以，它們可以檢測變化，如果有人進入該區域則停止系統運作。

可以與機器人内部的軟體配合，在傳感器的視野内定義特定的區域。這些區域在有人進入時會使機器人産生特定的動作。特定的機器人軟體，例如abb的safemove，可以滿足安全标準需求，實作這些安全功能。舉個例子，我們定義傳感器視野内的兩個區域，它們是機器人工作範圍内的區域和工作範圍外的區域。如果操作者進入第一個區域，機器人就開始降速；如果進入第二個區域，機器人就可能在安全模式下停止運作，但這并不是緊急停止。一旦操作者71離開該區域，機器人就傳回之前的工作模式，也就是操作者在第一區域時的慢速狀态和離開第一區域時的全速狀态。這種方法在操作者與機器人在運作期間需要互動的應用環境中十分有效。例如，在機器人裝載工件時，傳統的安全防護方法就會拖延時間，不切實際。

另一種常見的防護需求是允許工件自動出入系統，同時防止人員進入該工作區域。比如，自動碼垛系統，紙箱需要通過輸送機進入系統，同時空的或滿的托盤需要傳送出來。紙箱通道的防護可以通過固定的隧道來實作。這個隧道設定在輸送機的周圍，足夠紙箱進出同時不足以讓人進入。同時它足夠長，可以保證外面的人與裡面的系統無法接觸。

托盤進出的安全系統就有些複雜了。傳統的托盤通過滾筒式輸送機實作進出。兩組光栅設立在出入點，為托盤的出入提供一裡一外的安全防護。這些光栅會在合适的時間連接配接或斷開。例如，當托盤從系統中向外輸送時，内部的光栅先斷開直到托盤通過，然後在外面的光栅斷開時，内部的光栅迅速啟動連接配接，最後直到托盤完全離開系統時，外部的光栅再次啟動。是以，系統在任何時間都可以被内外光栅之一保護。

對于機器人系統來說，安全和防護系統是至關重要。如果不認真對待，裝置就會處于危險之中，就會存在對人員的潛在危害。對于不同類型的從業人員，都需要做合理的教育訓練，保證他們可以正确地操作裝置，了解其中的安全問題。安全防護教育訓練對于維護人員和程式設計人員尤其重要，因為他們在安全系統内工作，是以發生安全威脅的風險更大。