汽車柔性自動化生產(chǎn)線安全分析

池培培

關鍵詞：柔性自動化;生產(chǎn)線;安全分析

0 引言

近年來，柔性自動化系統(tǒng)在汽車生產(chǎn)四大工藝生產(chǎn)線中廣泛應用，尤其在焊裝生產(chǎn)線中的應用，大幅度提高了汽車生產(chǎn)效率。但在生產(chǎn)線運行過程中，各類轉(zhuǎn)臺、滑臺、人工操作臺及機器人等協(xié)調(diào)配合不斷運轉(zhuǎn)，對工作人員的安全存在一定的隱患，也會降低生產(chǎn)效率。為避免生產(chǎn)線運轉(zhuǎn)過程中的安全問題，在生產(chǎn)線前期規(guī)劃設計階段進行系統(tǒng)專業(yè)的安全分析，可以有效避免安全事故的發(fā)生，以及設備報警停車造成的生產(chǎn)效率降低。生產(chǎn)線前期規(guī)劃設計中，安全分析一般包含安全計算、安全設備應用等方面內(nèi)容。

1 安全計算分析

安全分析是指對焊裝線項目規(guī)劃設計中各類安全問題的考量，通過分析來發(fā)現(xiàn)潛在的危害或發(fā)生人為差錯的可能性。汽車生產(chǎn)線上的人工安全分析需要關注通用性安全標準及不同主機廠的新增安全標準;在區(qū)域選擇方面一般重點關注人工操作區(qū)域和人工維修區(qū)域等工人長時間或頻繁到達的區(qū)域[1]。

安全計算一般是分析人與設備之間最小的安全距離，是指工人闖入危險區(qū)域后，設備從收發(fā)信息到停止時工人運動的最小距離，即安全保護裝置與危險點之間的距離。影響最小安全距離的因素一般包括：工人的接近速度、安全裝置的靈敏度、安全設備的型號及保護方式，最小安全距離計算，通常使用公式（1）表示。

S=K×T+CRO （ 1）

式中 S——最小安全距離

K——人員接近速度

T——機器停機時間

CRO——附加距離

對人員闖入危險區(qū)域時身體某個部位的速度，需注意在特定環(huán)境下，處于移動的安全系統(tǒng)中， 要將闖入部位的速度和移動設備的速度加起來。設備停機時間一般包括觸發(fā)被檢測區(qū)域時間和危險狀態(tài)解除時間兩個分部時間，3 個節(jié)點分別為：起始時的觸發(fā)安全保護裝置;2 個時間節(jié)點的安全保護裝置輸出到機器;結束時的危險消除。附加距離是考慮闖入?yún)^(qū)域未被檢測到的情況，通常使用國際標準ISO 13855《機械安全· 保護設備相對于人體部位接近速度的定位》中表查詢所得。

在汽車焊裝生產(chǎn)線體上，通常使用的安全防護設備包含安全門、光柵和掃描儀;控制系統(tǒng)PLC ;應用設備有機器人、轉(zhuǎn)臺、轉(zhuǎn)轂和滑臺等。每個設備都有其不同的停機響應時間，每種設備的型號不同，其停機響應時間也不同[2]。該類信息通常在設備操作指引文件中可以查詢，如PLC 的停機響應時間為0.040 s ;光柵為0.011 ～ 0.022 s ;掃描儀為0.060 ～ 0.120 s。每類設備急停時間理論參考數(shù)據(jù)是比較全面的，但在實際應用中要注意現(xiàn)場情形要求。

急停時間是在理論情況下，速度和負載最大值的條件下產(chǎn)生的，而現(xiàn)場實際情況較理論情況要復雜。因此，想得到精確的數(shù)據(jù)，需要對現(xiàn)場實際闖安全設備的時間進行測量和檢測，以便得到實際數(shù)據(jù)應用在編程中，從而高效控制安全設備，實現(xiàn)安全計算的效果。安全計算準確性與設備檢測性能密切相關，檢測性能是由傳感器功能性物理參數(shù)決定的。發(fā)射端/ 接收端系統(tǒng)（如安全光幕）的分辨率為，計算公式如下：

d=a+ （ 2）

式中 a——光斑間距

——光斑直徑

根據(jù)分辨率的不同，考慮到極值情況，由人體四肢闖入內(nèi)未被檢測到的程度可以以附加值來表示。

CRO=8×（d-14） （ 3）

這是常規(guī)的附加值計算方法（安全設備豎直安裝）。除此以外，常規(guī)的安全設備安裝方式還有水平安裝和傾斜安裝，水平安裝方式情況下附加值計算如下：

CRO=1200-0.4×H （ 4）

式中 H——安全設備水平安裝的掃描光束相對地面的高度，通常值要求不大于300 mm

傾斜安裝方式下附加值的計算公式選擇，需要根據(jù)光柵與設備水平面夾角大小來決定。當夾角大于30°時，安全距離參照豎直安裝方式考慮;當夾角小于30°時，安全距離參照水平安裝方式考慮，但是最高點距地面的距離需≤ 1 000 mm。

2 安全分析應用

安全分析是生產(chǎn)線規(guī)劃設計階段中重要的內(nèi)容，也是近年來汽車主機廠對新增、改擴建生產(chǎn)線技術要求的要點，實際應用過程中，會遇到各類問題。安全分析的核心是對人與設備之間距離的有效計算，確保人員安全與設備設施正常運轉(zhuǎn)不耽誤生產(chǎn)，通常會對設備急停進行設置并結合安全設備使用。因在柔性自動化生產(chǎn)線中作為專項進行規(guī)劃分析起步晚，相關實踐經(jīng)驗不足，導致分類分析存在難度，但大致可以從距離計算和設備使用兩個方面對實踐中的經(jīng)驗進行分類分析，以期在普遍問題解決中起到啟示意義[3]。

2.1 安全距離方面

2.1.1 轉(zhuǎn)臺的安全距離

在某生產(chǎn)線項目中，計算出轉(zhuǎn)臺的最小安全距離Smin=a。通常會將最小安全距離Smin 錯誤理解為，即從第3 條（最下方）線體的夾具邊緣為危險點開始測量的長度（圖1）。但在現(xiàn)場實際情況中，轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的圓才是危險點的最外側(cè)，因此安全距離還需要考慮黑線到藍線之間的距離c，即在轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)的外圓與夾具之間有一個空白區(qū)c 的安全盲區(qū)。為了保證安全，掃描區(qū)域的長度應該為b，即：

b=a+c=Smin （ 5）

在此安全計算結果下綜合分析，建議使用2 個掃描儀加1 對光柵，可以有效保證人員安全與設備正常運轉(zhuǎn)不受干擾。

2.1.2 滑臺的安全距離

在某生產(chǎn)線項目中，計算出滑臺的最小安全距離Smin，并在此基礎上分析的安全措施，會被錯誤的理解為，在正面的安全防護中使用2 對L 形光柵。導致這一慣性思維的是，工人從兩側(cè)上件時，僅考慮到了與正面上件的情況是一致，而忽略了側(cè)面也需要足夠的安全距離。因此需要考慮來自3 個方向（兩處A 區(qū)域和中間區(qū)域B 部位）的風險。在圖2 所示項目中，需要使用2 個掃描儀加3 對L 形的光柵，或直接使用6 對光柵的形式。

2.1.3 人工操作臺的安全距離

在人工上下件的區(qū)域，當夾具出現(xiàn)有傾斜角度時，常常會忽視機器人的姿態(tài)對安全分析的影響。如圖3 所示，常規(guī)計算出的最小安全距離Smin=a，但是當機器人處在夾具取放件姿態(tài)時，機器人攜帶雙面抓手的外延點超出了夾具原定的危險點位置，這段距離為。因此這里Smin 的起始點位置則需要重新考慮，即：

Smin=a+c=b （ 6）

綜合分析建議使用L 形光柵或光柵和掃描器的組合，可以有效保證人工操作臺中人員安全與設備正常運轉(zhuǎn)不受干擾。

2.1.4 安全分區(qū)間的安全距離

安全區(qū)域的劃分是為了減少設備故障率集中發(fā)生的一種有效措施。當一個區(qū)域停止工作時，相鄰的安全區(qū)域還是可以繼續(xù)生產(chǎn)。工人在當前停止工作的區(qū)域作業(yè)時，為了保證其在靠近相鄰區(qū)域甚至觸碰相鄰區(qū)域都依然不會受到傷害，則需要對可能存在的風險進行分析并安裝防護設備。

滾床形式主線的相鄰兩個安全區(qū)域，風險來自滑撬水平的高速傳輸及滾床的上下升降兩個方面，因此對安全距離的考慮需要關注以上的兩個方面因素。垂直方向風險計量，需通過滾床的急停時間來計算安全距離并確定風險處置方式;水平方向風險計量，需考慮滑撬的速度在急停情況下對急停距離的影響。從而，增加附加圍欄拉大人工與安全設備之間的距離。

2.2 安全設備應用方面

2.2.1 人工上件口位置的安全

傳輸式的人工上件到APC 上的形式，常規(guī)情況在APC 上件口需考慮安全光柵。光柵在人工上完工件，按下按鈕后激活，下一個輸送設備到位并允許工人上件時被屏蔽，從而保護工人安全。但在實際情況中，按照工人闖入光柵APC 急停情況計算的安全距離比較長，需要的空間比較大;而APC 傳輸速度較慢，其對風險評估認定較小。若人工長時間多次上件，容易造成闖光柵多次停機，使得生產(chǎn)線中該環(huán)節(jié)運行時間被耽擱較久。因此，在旋轉(zhuǎn)部分增加安全保護罩，上件口增加較低的固定圍欄，使用APC 小車釋放按鈕，同時不建議使用安全光柵。

2.2.2 機器人跨區(qū)域工作安全

在機器人跨區(qū)域工作中，通常在夾具底部安裝光柵。但實際情況中，需要關注機器人跨過中間的安全光柵區(qū)域取件時須被檢測到，并在機器人跨越安全區(qū)過程中信號丟失再復位的特殊情況下，也須做到先檢測安全后再確認機器人是否能夠啟動?；诖祟惽闆r，建議中間使用固定圍欄，光柵的長度需保證機器人在跨過圍欄時，開始到離開的全過程均被檢測。

2.2.3 安全分區(qū)位置的安全

在安全分區(qū)位置處通常會安裝1 對光柵，這是因為一個安全分區(qū)在維護的同時，另一個安全分區(qū)仍然在工作。此時需要考慮對工人的防護，防止工人觸碰到機器人引發(fā)安全事故，同時也是防止機器人手臂伸到另一側(cè)安全區(qū)碰到工作人員。中間用固定圍欄可以防止工人穿越，工人穿過的最大距離為工人手臂長度與探入身軀長度之和，圍欄高度則至少大于防跨越所需的高度。

2.2.4 開放式定位料箱的安全

如圖4 所示，該項目中在機器人與料箱之間的地面安裝了一對光柵。實際情況中，在定位料箱放到位后，機器人從料箱中取件與上件臺工藝一致，外圍也需要安全防護，因此需要使用L 形光柵，或者讓料箱到位后與圍欄形成一個封閉的圍欄。料箱移出后機器人仍可正常工作，因此料箱放置位置要根據(jù)安全情況考慮，確認工人是否站在料箱存儲區(qū)的位置，在此情況下需要使用1 對光柵或者安全掃描儀以保證工作人員的安全。此方式要求圍欄做成固定圍欄且與料箱形成封閉的上件口，并在料箱停放的三面使用圍欄，或在料箱與機器人之間豎1 對光柵（在料箱停放位放1對光柵或1 個掃描儀）。

2.2.5 安全式定位料箱的安全

如圖5 所示，該項目中顯示的是安全式定位料箱的光柵應用。與開放式定位料箱的光柵應用相似，在機器人與料箱之間的地面也安裝了一對光柵。當工人打開安全門后，機器人不允許到達料箱上方空間，則需要對機器人進行限制，此時可以使用一對光柵，也可以使用安全機器人。從工人角度分析，其也可能到料箱的存放空間，此時需要使用圍欄限制工人到達相關焊接區(qū)域。此類方式建議安全門使用安全鎖，同時在料箱停放的三面使用圍欄，并使用安全機器人或在料箱與機器人之間豎一對光柵，組合使用“1對光柵+1 套安全鎖或安全機器人+1 套安全鎖”。

2.3 安全盲區(qū)分析

安全距離計算和安全設備應用可以較好地解決相關安全問題，但此類多為單元因素分析，安全分析中我們還應對安全區(qū)域整體進行分析來發(fā)現(xiàn)盲區(qū)，做到不遺漏。設備停在某特殊位置會形成一個開口，存在工作人員身體闖入自動工位的安全風險。規(guī)避此類安全風險的措施，一般需要安裝光柵，以避免工作人員身體闖入引起的安全事故和設備急停。

3 結束語

安全分析是近年來在汽車柔性自動化生產(chǎn)線規(guī)劃設計中要求越來嚴格的系統(tǒng)工作。對規(guī)劃設計人員而言既要有扎實的理論基礎知識，還要有豐富的實踐經(jīng)驗。最重要的在于，對實際情況的細致分析后，驗證理論情況是否可用于項目規(guī)劃設計中，并對可能存在的安全隱患進行摸排。實踐證明，前期的安全分析可以有效防止設備對現(xiàn)場工作人員意外傷害，自然避免出現(xiàn)設備急停情況帶來的生產(chǎn)停頓，較好地保證生產(chǎn)順暢與隱性成本控制[4]。