安全防護(hù)系統(tǒng)在沖壓設(shè)備中的應(yīng)用

文／孔猛·山東萊恩光電科技有限公司

安全防護(hù)系統(tǒng)在沖壓設(shè)備中的應(yīng)用

文／孔猛·山東萊恩光電科技有限公司

隨著自動(dòng)化技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對(duì)于機(jī)械保護(hù)方面的要求也在不斷提高，目前我國(guó)的沖壓技術(shù)由于受到投資和產(chǎn)能的限制，大部分仍然采用手工作業(yè)，手工取放工件，工人通過操作腳踏開關(guān)或按鈕來使壓力機(jī)動(dòng)作，有時(shí)按鈕發(fā)生故障或操作工人為了加快取放工件速度而把雙手按鈕進(jìn)行短接改造成一個(gè)按鈕，這些都給安全生產(chǎn)帶來了重大隱患。通常，一些企業(yè)認(rèn)為安裝安全保護(hù)系統(tǒng)是件很煩瑣的事情，會(huì)降低生產(chǎn)效率或認(rèn)為這是一種“不必要的投資”，而忽略了隱形的事故成本和社會(huì)負(fù)擔(dān)。在生產(chǎn)過程中，一旦出現(xiàn)事故，不僅會(huì)對(duì)操作工人的人身造成巨大傷害，企業(yè)也將會(huì)面臨高額賠償、設(shè)備或產(chǎn)品損壞甚至停產(chǎn)等，所以無論是從操作工人人身安全還是企業(yè)生產(chǎn)成本降低的角度考慮，企業(yè)管理者和機(jī)械制造商都應(yīng)意識(shí)到安全生產(chǎn)的重要性。

產(chǎn)生危險(xiǎn)的主要原因

⑴誤操作：工序單一，操作頻繁，容易使操作工人產(chǎn)生精神疲勞，特別是手動(dòng)上下料使用腳踏開關(guān)的情況，操作工人動(dòng)作失調(diào)，極易產(chǎn)生危險(xiǎn)事故，使人身或設(shè)備受到傷害。

⑵違規(guī)操作：企業(yè)體制使得工人盲目追求高產(chǎn)量，為了加快取放工件速度而把雙手按鈕進(jìn)行短接改造，單手操作，給人身安全帶來隱患。

⑶設(shè)備故障：離合器失靈，腳踏開關(guān)、急停按鈕或雙手按鈕失控。

在沖壓機(jī)械正常工作過程中，沖壓機(jī)械滑塊垂直下沖速度極快，以一般100t液壓沖床為例，滑塊每分鐘往復(fù)次數(shù)為75次，即單程一次只需要0.4s，假設(shè)采用100mm的行程進(jìn)行拉深作業(yè)，若手在模具內(nèi)，沖床滑塊下沖傷指的時(shí)間約為0.1s，而當(dāng)操作者發(fā)現(xiàn)或感覺到滑塊下沖時(shí)，反應(yīng)到大腦，再由大腦指揮手縮回的時(shí)間約為0.2～0.3s，顯然手是來不及收回的，這時(shí)就會(huì)造成人身事故。但如果安裝了安全光柵，在檢測(cè)到手或其他部位未離開危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，安全光柵會(huì)立即發(fā)出動(dòng)作使沖床停車；或使用安全繼電器，在開車之前強(qiáng)制工人使用雙手操作，也可避免此類事故的發(fā)生，達(dá)到安全的目的。由上可見，安全光柵和安全繼電器能有效防止事故的發(fā)生。

安全防護(hù)系統(tǒng)在沖壓設(shè)備中的應(yīng)用

一個(gè)典型的安全防護(hù)系統(tǒng)由以下幾部分組成：

⑴安全輸入設(shè)備——急停按鈕、安全門、安全光柵、雙手按鈕。

⑵安全控制設(shè)備——安全繼電器、安全PLC。

⑶安全輸出設(shè)備——接觸器、電磁閥、AC驅(qū)動(dòng)器。

從上面的舉例中我們已經(jīng)得知，安全光柵和安全繼電器可以有效防止事故的發(fā)生，下面就以這兩種裝置為例來介紹一下安全防護(hù)系統(tǒng)在沖壓設(shè)備中的應(yīng)用。

安全光柵

安全光柵（光電安全保護(hù)裝置）通過發(fā)射紅外線，產(chǎn)生保護(hù)光幕，當(dāng)光幕被遮擋時(shí)，裝置發(fā)出遮光信號(hào)，控制具有潛在危險(xiǎn)的機(jī)械設(shè)備停止工作，避免發(fā)生安全事故。安裝光電安全保護(hù)裝置，可以有效地防止安全事故的發(fā)生，避免操作工人及第三方的危險(xiǎn)，減少事故的綜合成本。不過在使用時(shí)需要注意：對(duì)于滑塊能在行程的任意位置制動(dòng)停止的壓力機(jī)，光電安全保護(hù)裝置可實(shí)現(xiàn)全程保護(hù)，或與凸輪開關(guān)配合實(shí)現(xiàn)30°～180°之間行程的保護(hù)；對(duì)于滑塊不能在行程的任意位置制動(dòng)停止的壓力機(jī)，光電安全保護(hù)裝置只能在單次工作時(shí)實(shí)現(xiàn)上死點(diǎn)保護(hù)，即上一行程結(jié)束后，下一行程尚未啟動(dòng)，如果光電安全保護(hù)裝置處于遮光狀態(tài)，那么下一行程就無法啟動(dòng)（必須保證足夠的安全距離）。

⑴組成。

發(fā)光器：由若干發(fā)光器件組成，發(fā)射紅外光線。

受光器：由若干受光器件組成，接受紅外光線，與發(fā)光器的發(fā)光器件一一對(duì)應(yīng)，形成保護(hù)光幕，產(chǎn)生通光、遮光信號(hào)，同時(shí)通過信號(hào)電纜將信號(hào)傳輸給控制器對(duì)外部設(shè)備進(jìn)行控制。

控制器：為發(fā)光器、受光器供電，并接受受光器傳送的通光、遮光信號(hào)，輸出控制信號(hào)，控制機(jī)床的制動(dòng)控制回路或其他設(shè)備的報(bào)警裝置，以使機(jī)床停止運(yùn)行或發(fā)出安全報(bào)警?？刂破饔袃?nèi)置式控制器和外置式控制器兩種類型，內(nèi)置式控制器結(jié)構(gòu)小巧、緊湊，可安裝在設(shè)備的控制箱內(nèi)；外置式控制器結(jié)構(gòu)美觀、牢固，可直接安裝在設(shè)備上，方便操作及光幕通光、遮光狀態(tài)的觀察。

信號(hào)電纜：用來傳輸控制器和發(fā)光器、受光器之間的信號(hào)。

控制電纜：用來連接控制器和機(jī)床等設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床或其他設(shè)備的安全控制。

安裝支架：把發(fā)光器與受光器固定在機(jī)臺(tái)上。

⑵工作原理。

如圖1所示，發(fā)光器發(fā)出的光直射到受光器，形成保護(hù)光幕，當(dāng)光幕被遮擋時(shí)，受光器產(chǎn)生一遮光信號(hào)，通過信號(hào)電纜傳輸?shù)娇刂破鳎刂破鲗⒋诵盘?hào)進(jìn)行處理，產(chǎn)生一控制輸出信號(hào)，控制機(jī)床的制動(dòng)控制回路或其他設(shè)備的報(bào)警裝置，以使機(jī)床停止運(yùn)行或發(fā)出安全報(bào)警。

圖1 光電安全保護(hù)裝置保護(hù)原理

⑶安全距離的計(jì)算。

如圖2所示，安裝光電安全保護(hù)裝置時(shí)，與危險(xiǎn)區(qū)域之間的距離必須保證要達(dá)到安全距離（Ds）。安全距離是指為了保證安全，光電安全保護(hù)裝置的光幕與危險(xiǎn)點(diǎn)之間所允許的最小距離。為確保操作者的人身安全，光電安全保護(hù)裝置的安裝位置必須符合安全距離的規(guī)定要求，否則，仍存在發(fā)生事故的可能。

圖2 光電安全保護(hù)裝置應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)

安全距離Ds的計(jì)算公式如下：

Ds＝KT＋C

式中 Ds——安全距離（mm）；

K——人的身體或某部分靠近危險(xiǎn)區(qū)域的速度（mm/s）；

T——系統(tǒng)的總制動(dòng)時(shí)間（s）；

C——附加距離（mm）。

1）K值的確定。

①當(dāng)光電安全保護(hù)裝置的光幕被水平安裝時(shí)，應(yīng)使用1600mm/s。

②當(dāng)光電安全保護(hù)裝置的光幕被垂直安裝時(shí)，若安全距離不大于500mm，則使用2000mm/s；若安全距離大于500mm，則使用1600mm/s。

2）T值的確定。

①系統(tǒng)的總制動(dòng)時(shí)間T包括光電安全保護(hù)裝置的響應(yīng)時(shí)間和壓力機(jī)的制動(dòng)時(shí)間兩部分。

②光電安全保護(hù)裝置的響應(yīng)時(shí)間由光電安全保護(hù)裝置的供應(yīng)商給出。

③壓力機(jī)的制動(dòng)時(shí)間需要進(jìn)行實(shí)際測(cè)量。

3）C值的確定。

①附加距離C以人手進(jìn)入光電安全保護(hù)裝置的光幕即感應(yīng)區(qū)后，而未能達(dá)到引起光電安全保護(hù)裝置感應(yīng)時(shí)的進(jìn)入長(zhǎng)度為依據(jù)來確定。

②當(dāng)不使用光電安全保護(hù)裝置的自鎖（啟動(dòng)—重啟動(dòng)聯(lián)鎖）功能時(shí)，根據(jù)其檢測(cè)精度，在計(jì)算安全距離時(shí)，至少應(yīng)使用表1的規(guī)定；當(dāng)使用光電安全保護(hù)裝置的自鎖（啟動(dòng)—重啟動(dòng)聯(lián)鎖）功能時(shí)，可取C＝0。

⑷安裝位置的確定。

安裝位置是指光電安全保護(hù)裝置的光幕相對(duì)于機(jī)床上下?？诘奈恢?，即在保證安全距離的前提下，光幕的最下一束光必須低于下模口的下邊緣，最上一束光必須高于上?？诘纳线吘?。這就涉及到光電安全保護(hù)裝置保護(hù)高度的選擇，其原則如下：

保護(hù)高度＞機(jī)床滑塊行程＋調(diào)節(jié)量下面看幾種正確和錯(cuò)誤的安裝方法，如圖3、圖4所示。

表1 根據(jù)檢測(cè)精度確定的C值

圖3 正確的安裝位置示意圖

圖4 錯(cuò)誤的安裝位置示意圖

⑸注意事項(xiàng)。

使用過程中如果更換模具，那么必須要按照安全距離和安裝位置的要求重新調(diào)整光幕的位置。若機(jī)床有滑車現(xiàn)象發(fā)生，則必須及時(shí)檢修調(diào)整好機(jī)床，否則，即使光幕安裝位置正確也無法確保安全。另外，安全距離超過400mm時(shí)，也有必要采取其他輔助防護(hù)措施。

如圖5所示，如果光幕裝置周圍的物體具有光滑反射面，如金屬板、地板、天花板、加工件、覆蓋物、隔板、玻璃板等，那么光幕的安裝位置距反射面應(yīng)大于允許安裝距離A。A的數(shù)值可由表2中的公式計(jì)算得出，或由圖6所示的坐標(biāo)圖查到。

圖5 防止反射物對(duì)光幕產(chǎn)生影響的安裝位置示意圖

圖6 允許安裝距離A與保護(hù)長(zhǎng)度L關(guān)系圖

表2 允許安裝距離A值的確定

周圍反射物的光滑反射面，會(huì)對(duì)光幕產(chǎn)生影響，使光電安全保護(hù)裝置失去正常功能，無法起到保護(hù)作用。安裝光電安全保護(hù)裝置時(shí)，請(qǐng)盡量遠(yuǎn)離反射物，或?qū)⒎瓷湮锔采w、遮擋，消除干擾，以確保安全。

安全繼電器

根據(jù)EN574有關(guān)雙手設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于雙手按鈕設(shè)備應(yīng)用于危險(xiǎn)機(jī)器的規(guī)定，在危險(xiǎn)場(chǎng)合，特別是手工送料的機(jī)器，如沖壓設(shè)備、帶切割刀具的機(jī)器等，只有在雙手按鈕同時(shí)按下并且時(shí)間差不大于0.5s時(shí)，所做的操作才是有效操作；如果時(shí)間差超過0.5s，那么必須要等到兩個(gè)手都松開按鈕后，才可以再次使用雙手按鈕設(shè)備。只有這樣，才能確保使操作人員的雙手離開危險(xiǎn)區(qū)域，免受傷害，也只有符合標(biāo)準(zhǔn)要求的雙手按鈕設(shè)備才可以在市場(chǎng)上流通使用。

圖7 安全繼電器SR4P2A1B24S

在這里，兩個(gè)按鈕不能當(dāng)作雙手按鈕安全裝置來使用。雙手按鈕不僅具有特殊的殼體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，而且雙手按鈕作為一種安全裝置，必須配套采用安全監(jiān)控模塊（又稱安全繼電器，如圖7所示），組成一個(gè)安全的雙手控制系統(tǒng)。其工作原理如圖8所示：雙手按鈕的2個(gè)常開觸點(diǎn)、2個(gè)常閉觸點(diǎn)總共4個(gè)信號(hào)觸點(diǎn)連接到安全繼電器，由安全繼電器對(duì)雙手按鈕的狀態(tài)進(jìn)行判斷，當(dāng)且僅當(dāng)兩個(gè)按鈕在0.5s內(nèi)同時(shí)按下時(shí)，安全繼電器才會(huì)有輸出，該系統(tǒng)才能夠啟動(dòng)機(jī)器動(dòng)作；任何一個(gè)觸點(diǎn)的故障，均可以被監(jiān)控判斷；任何一只手離開按鈕，安全繼電器都會(huì)立刻停止輸出，切斷動(dòng)力源，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)操作工人人身安全的目的。任何一只按鈕的提前或推遲工作，都不會(huì)出現(xiàn)危險(xiǎn)。

圖8 SR4P2A1B24S接線圖

圖9 普通的雙手控制盒電路

圖10 安全級(jí)別較高的雙手監(jiān)控電路

然而有些企業(yè)貪圖省錢，在雙手控制系統(tǒng)中不購(gòu)買、安裝安全繼電器，只是將按鈕盒上的兩只按鈕的2個(gè)常開觸點(diǎn)串聯(lián)起來（如圖9所示），接到機(jī)器控制回路上，表面上看好像是雙手控制，實(shí)際上是兩個(gè)按鈕簡(jiǎn)單的串聯(lián)，這樣很容易就能夠被操作人員采用簡(jiǎn)單的方法“短接”，變成單手操作。另外，一個(gè)觸點(diǎn)的熔接故障，也同樣容易使設(shè)備單手操作成為可能；如果2個(gè)觸點(diǎn)都出現(xiàn)故障，甚至還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備出現(xiàn)意外動(dòng)作，從而傷害到操作人員。因此，串接起來的兩個(gè)按鈕是不安全的，是不可能實(shí)現(xiàn)雙手按鈕設(shè)備的安全功能的，這樣做是不允許的，也是非常危險(xiǎn)的。

切斷危險(xiǎn)的源頭，避免任何誤操作可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)，是項(xiàng)目技術(shù)管理的重要原則。雙手按鈕的這種操作理念同樣也適用在寸動(dòng)、微調(diào)等運(yùn)行模式上：同時(shí)按下按鈕，壓機(jī)動(dòng)作；同時(shí)釋放，壓機(jī)停止；若一只手突然釋放，壓機(jī)急停。

普通的雙手控制盒電路如果配合SR4P2A1B24S安全繼電器來使用，那么其安全級(jí)別便可得到有效地提高，并能有效防止操作工人違規(guī)操作，而且還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)按鈕的檢測(cè)，其原理如圖10所示。

結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械安全不僅有利于生產(chǎn)工人的安全生產(chǎn)，也有利于企業(yè)的持續(xù)發(fā)展，提高企業(yè)的整體競(jìng)爭(zhēng)力，隨著國(guó)家一系列安全生產(chǎn)強(qiáng)制性文件的實(shí)施，機(jī)械安全必將會(huì)受到越來越多的企業(yè)的重視。

孔猛，主要從事工業(yè)安全控制類產(chǎn)品的開發(fā)和研究。