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光幕规格及采购

作者:Lisa Eitel

投稿人:Digi-Key 北美编辑

光幕是一种安全装置,用于守护危险的机器轴,以防操作人员及其他工厂人员在机器附近操作或使用机器时受伤。光幕采用条形发射器产生光电光束,并由接收器检测光束(图 1)。若任何光束发生中断,都会向机械控制器发出信号,通知有人进入工作空间,危险操作应停止或减慢至不会对人类操作员构成危险的速度。安全光幕的使用正在日益增加,因为相比围栏边界,它们不那么突兀,而且可配置性要高得多。

如今的光幕为机械带来前所未有的安全性图片图 1:如今的光幕为机械带来前所未有的安全性。许多光幕都是为了简单基于区域传感器的安全系统的更换过程。(图片来源:Design World

本文概要性介绍了指定和安装光幕时应注意的事项。由于这是一项对安全至关重要的预防措施,因此在尝试安装之前,必须参考所有相关的国家和国际标准。最好由熟悉这些标准并拥有相关工作经验的专业安装人员来安装。本文旨在为相关标准提供一些介绍和指导,并介绍一些背景知识,以帮助与专业安全系统安装人员讨论设计要求。

确定危害和风险

在指定任何安全系统之前,应对作为防护对象的危险机械进行全面的风险评估。这将确定机械的危险区域和潜在的进入点。危险所带来的风险程度将构成适当保护措施规格的重要组成部分。

传感器的最小物体检测能力

传感器的最小物体检测能力是可触发光幕的最小物体尺寸。不同的光幕具有以不同间距排列的光束。如果光束之间的距离是 5 mm 直径,则在光幕的任何位置,手指都会导致发出停止指令。不过,最小 150 mm 的传感器检测能力将使工厂人员能够将整个手臂伸入有光幕的区域,而不会提示机器停止。光幕所能检测到的物体大小将决定与危险机械部件的距离。

最小距离

与防护装置不同的是,光幕并不能从物理上阻止人进入危险区域,而是对危险操作发出停止或降低至安全速度的指令。这意味着光幕的位置必须离危险点足够远,以便在人到达之前为机械提供充足的停止时间(图 2)。该距离取决于三个参数:系统整体停止性能、入侵距离和接近速度。

合适的光幕规格示意图图 2:合适的光幕规格需要精确计算光幕的感应区域与危险机械区域之间的安全距离,然后保持不小于该值的距离。现有的标准可以帮助定义此距离,事实上,EN ISO 13855 安全距离标准已经被缩短,以便利用功能越来越强大的光幕,同时使生产机械更加紧凑。(图片来源:Panasonic Industrial Automation Sales

系统总体停止性能是指从人通过光幕到机器实际停止的总时间。该时间包括电气控制系统的延迟,以及决定运动机械能多快停止的惯性效应。总体系统停止性能由变量 T 表示。

入侵距离是指在光幕激活之前,手指或手等小部分身体可以穿过光幕向危险区域移动的距离。当传感器最小物体检测能力很大时,这一点最为重要,这可能意味着只有人的身体才会触发停止指令。在这种情况下,一个人可以伸手穿过光幕,其手臂不会使机器停止。

根据 EN ISO 13855 安全距离标准(由国际标准化组织制定并在全球使用),到危险区域的最小距离 S 使用以下公式计算(单位 mm):

公式 1

其中 K 是人(手臂或身体)的最大接近速度(单位 mm/s),T 是以秒为单位的总体停止性能,而 C 是入侵距离(单位 mm)。关于 K,EN ISO 13855 将 K 定义为人类手臂的最快移动速度 2,000 mm/s 和人体的最快移动速度 1,600 mm/s。

例如,假设一个工作单元的光幕能够检测直径小至 40 mm 的物体。最小距离应首先使用 K = 2,000 mm/s 来计算。如果计算得到的距离小于 100 mm(如 EN ISO 13855 所定义),则应忽略此较低的结果值,并使用 100 mm 值。如果结果值超过 500 mm(如 EN ISO 13855 所定义),则应再次使用 K = 1,600 mm/sec 计算距离(以防止进入危险区域的人员受伤);并可使用新的较低距离;前提是不小于 500 mm。ISO 13855 中也给出了其他传感器检测能力的值。

在计算与机器人的最小距离时,必须考虑机器人的最大触及范围。这样做时,不应依赖机器人程序将机器人限制在其完整工作容积的一个子集中。但是,可以在机器人的轴上使用限位开关,作为互锁系统的一部分,以安全地限制机器人的触及范围。

光幕是否合适?

在指定安全系统规格的初始阶段,确定光幕是否合适很重要。在这方面,国际电工委员会 (IEC) 和 ISO 的标准分类不可或缺。这些安全标准分为基本 A 类安全标准、通用 B 类安全标准和机器专用 C 类安全标准。

首先要考虑的是有关机器操作是否存在 C 类标准,以及其对该特定应用的准确防护类型要求。事实上,C 类标准通常针对现有的机器类型和行业,可以由 NFPA、BN、ANSI、RIA 或其他监管机构定义,这些机构多年来一直采用根据 A-B-C 系统对标准分类的 EN ISO 系统。如果 C 类标准适用于相关机器操作,则必须遵循该标准中的准则(包括有关光幕的准则)。这是因为 C 类标准清楚地量化了现有机器功能的所有危害和所需的风险缓解措施,并取代了所有不太具体的标准。如果没有适用于现有机器功能的 C 类标准,而光幕似乎是一个不错的选择,则应计算最小距离。如果最小距离是实用的,则设计工程师就可以继续指定光幕规格。但是,如果空间有限或机器需要相当长的时间才能停止,则应考虑另一种形式的防护(如物理防护)。

光幕类型

国际通用的 IEC 61496 标准将光幕分为 2 型或 4 型。2 型光幕成本较低,电子器件的速度较慢且可靠性较低。如果 2 型光幕的安全电路发生故障,在检测到故障之前可能会有一段不提供保护的时间。相比之下,4 型光幕持续自动交叉检查故障和错误。如果发生错误,它会立即发出停止信号,这意味着可提供持续的安全保护。

操作点控制 (POC) 光幕设计安装在危险点附近,操作员经常与机器互动处。因此,它们设计用于手指、手和手臂检测。通常在机器的侧面使用物理防护装置,在正面安装 POC 光幕。

周边访问控制 (PAC) 光幕在不需要操作员靠近的机器周围创建一个安全的外围。它们通常只提供全身检测。

此外,区域访问控制 (AAC) 也可用于执行此功能。PAC 通常使用镜子来减少创建完整外围所需的光幕硬件。

与光幕安装有关的国际标准

目前有很多关于正确安装光幕的标准。如果工厂为安全关键型应用安装光幕,则必须直接参照这些标准。ISO 13857 涉及建立安全距离,防止人的肢体进入危险区域。安全距离取决于风险评估。例如,在向上伸手时,人不能进入危险的 700 mm 范围内,如果伤害风险低,则不能进入 500 mm 范围内。ISO 12100 是关于确定伤害严重性和可能性的标准。低级别伤害是可逆性损伤,如瘀伤或指甲断裂,或未达到灼伤阈值的温度和接触时间。ISO 13732 给出了灼伤阈值,ISO 14121 提供了风险评估的更多相信信息。

如上所述,ISO 13855 描述了将人体不同部位接近速度考虑在内的防护装置定位。对于光幕来说,这通常比 ISO 13857 更有意义,因为光幕并不阻止人进入危险区,而是停止危险作业。因此,考虑从光幕发出停止信号到机器实际停止这段时间内,人可能走多远很重要。系统整体停止性能和人类最大可能接近速度,共同决定了光幕防护装置与危险过程之间的最小安全距离。

ISO 14119 涵盖了与物理防护有关的互锁装置的规格和设计。虽然该标准没有明确提到光幕,但很多原则是相通的,比如设计要尽量减少失效的可能性。

ISO 14120 涵盖了物理防护装置自身的规格和设计,因此与光幕装置关系不大。但是,光幕往往与物理防护装置结合使用。例如,可以使用物理防护装置来防止从侧面进入危险区域;而在区域正面使用光幕。因此,也可能需要参考 ISO 14120。

总结

光幕可以大幅提高运行中机械的便利性。它们允许清楚地看到机器的工作范围,并使操作人员无需费力打开防护装置就能进入内部拆卸零件和安装工具。

但是,光幕并不总是能够提供同等级别的保护,尤其在防止从机器作业中弹射出的物体方面。

此外,务必要记住,由于需要考虑整体停止性能,光幕的安装位置通常要比物理防护装置离危险区更远。在选择适当的防护措施时,这些都是重要的考虑因素。

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关于此作者

Lisa Eitel

Lisa Eitel 自 2001 年以来一直专注于运动技术。她关注的领域包括电机、驱动器、运动控制、电力传输、线性运动以及检测和反馈技术。她拥有机械工程学学士学位,是 Tau Beta Pi 工程荣誉学会的新成员、女工程师协会会员以及 FIRST Robotics Buckeye Regionals 的裁判。除了对 motioncontroltips.com 所做的贡献外,Lisa 还领导了《设计世界》季度运动问题的制作。

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