安全設(shè)備在焊裝線(xiàn)人機(jī)交互過(guò)程研究應(yīng)用

魏國(guó)興 王亭力 林增宇 李海南 馬立新 楊立群

（一汽模具制造有限公司，長(zhǎng)春 130013）

1 前言

隨著自動(dòng)化進(jìn)程的推進(jìn)，人與機(jī)器相互協(xié)作的情況越來(lái)越多。一些具有潛在危險(xiǎn)的機(jī)械設(shè)備如沖壓設(shè)備、剪切設(shè)備比較容易對(duì)人員的人身造成傷害。焊裝工藝在汽車(chē)制造工藝中占有重要的地位，行業(yè)內(nèi)經(jīng)常把焊裝稱(chēng)為“機(jī)械裁縫”，主要負(fù)責(zé)把沖壓完成的工件焊接到一起，包括點(diǎn)焊、弧焊、鉚接、螺柱焊等，將汽車(chē)白車(chē)身主體零件進(jìn)行集成。由于涉及較多的機(jī)器人作業(yè)，且人工上件頻繁，機(jī)械傷害的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，因此對(duì)于人機(jī)交互工位的安全防護(hù)格外重要。國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)制造商歷來(lái)重視汽車(chē)制造過(guò)程中的安全與保護(hù)，既要能夠保證安全、可靠性，又要保證靈活、易維護(hù)性，對(duì)安全設(shè)備進(jìn)行正確、合理的選擇和使用提出了要求[1]。

2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和安全標(biāo)準(zhǔn)

汽車(chē)制造行業(yè)需要運(yùn)用各種各樣的設(shè)備和技術(shù)，包括有沖壓設(shè)備、機(jī)器人、傳送和傳輸裝置等。這些設(shè)備根據(jù)不同的應(yīng)用和其本身的風(fēng)險(xiǎn)程度，有著不同的安全要求。而標(biāo)準(zhǔn)是不同部門(mén)之間的協(xié)議，描述了制定時(shí)的最新發(fā)展水平，選擇設(shè)備時(shí)，需要滿(mǎn)足國(guó)際上最新的機(jī)械安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中包含了機(jī)器人系統(tǒng)集成、控制系統(tǒng)安全以及相關(guān)電氣設(shè)備的通用準(zhǔn)則和安全要求。

這些標(biāo)準(zhǔn)中，比較常用的為ISO 13849-1:2023 Safety of machinery — Safety-related parts of control systems — Part 1: General principles for design，圖1 為標(biāo)準(zhǔn)附錄中的風(fēng)險(xiǎn)圖。EN ISO 13849中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為a、b、c、d、e，風(fēng)險(xiǎn)由低到高。S代表傷害的嚴(yán)重程度，S1 表示輕傷，即正常情況下能夠恢復(fù)的損傷，S2 表示重傷，即一些不可恢復(fù)的傷害包括死亡；F 代表面臨危險(xiǎn)的頻率和時(shí)間；F1表示從很少到不經(jīng)常，并且持續(xù)時(shí)間很短，F(xiàn)2 表示從經(jīng)常到一直，并且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)；P 代表避免危險(xiǎn)的可能性，P1 表示在特定的情況下可能，P2 表示幾乎不可能。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)圖

以焊裝車(chē)間最常見(jiàn)的料口焊接工位為例，操作者將車(chē)身零件放到夾具上，夾具閉合，機(jī)器人對(duì)車(chē)身零件進(jìn)行焊接，完成后夾具打開(kāi)，操作者取件。在沒(méi)有任何安全設(shè)備的前提下，機(jī)器人和焊鉗會(huì)對(duì)操作者造成重傷和死亡，所以選擇S2。車(chē)間通常單班或者雙班生產(chǎn)，每班時(shí)間為10 h，操作者需要經(jīng)常面對(duì)危險(xiǎn)且持續(xù)時(shí)間很長(zhǎng)，所以選擇F2。機(jī)器人滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)動(dòng)速度很快，當(dāng)發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)，操作者幾乎無(wú)法躲避其帶來(lái)的傷害，所以選擇P2。按照上圖流程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估后，料口焊接工位的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為e，是最高風(fēng)險(xiǎn)，所以對(duì)于此工位，添加必要的安全防護(hù)才能最大限度的保護(hù)操作者的生命安全。

為了盡可能地保護(hù)操作者免受機(jī)器操作過(guò)程中可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)，防護(hù)裝置是必要的。選擇適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)裝置必須做到既不會(huì)增加風(fēng)險(xiǎn)又不會(huì)妨礙機(jī)器工作。

3 焊裝線(xiàn)常用安全設(shè)備

隨著焊裝行業(yè)的自動(dòng)化水平的不斷提升，機(jī)器人的普及率也越來(lái)越高。越來(lái)越多的場(chǎng)合開(kāi)始實(shí)行了自動(dòng)化生產(chǎn)，通過(guò)使用半自動(dòng)化、自動(dòng)化設(shè)備來(lái)替代以往煩雜的工序，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)也帶來(lái)了安全隱患。操作人員長(zhǎng)時(shí)間處于快速而簡(jiǎn)單的重復(fù)作業(yè)時(shí)，容易產(chǎn)生疲勞和松懈，出現(xiàn)注意力不集中，動(dòng)作失調(diào)等狀況。也有一部分操作人員因?yàn)椴皇煜げ僮髁鞒?，受到機(jī)器傷害。為了避免人為失誤，保護(hù)操作者人身安全，從根本上解決人機(jī)交互過(guò)程中的安全問(wèn)題，本文通過(guò)確定工位的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，增加必要的防護(hù)措施來(lái)消除對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)。

安全光幕和安全激光掃描儀是焊裝車(chē)間常用的安全設(shè)備。

3.1 安全光幕

安全光幕本質(zhì)上是一種基于紅外線(xiàn)傳感器的高品質(zhì)自動(dòng)控制產(chǎn)品，其運(yùn)用了紅外線(xiàn)掃描探測(cè)技術(shù)。在現(xiàn)代化工廠中，人與機(jī)器需要協(xié)同工作，但在一些具有潛在危險(xiǎn)的機(jī)械設(shè)備上，容易造成操作人員的人身安全問(wèn)題。而安全光幕的作用就是當(dāng)操作人員操作失誤進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域時(shí)，使機(jī)器迅速停下，達(dá)到保護(hù)人與機(jī)器正常工作的目的[2]。

如圖2 所示，安全光幕由發(fā)射端和接收端組成。發(fā)射器和接收器間的保護(hù)區(qū)域存在平行的紅外光束，用于對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行安全防護(hù)。一旦一條或多條光線(xiàn)完全被截?cái)?，安全光幕將通過(guò)輸出信號(hào)切換信號(hào)發(fā)出信息：光線(xiàn)已被截?cái)?。設(shè)備控制器對(duì)信號(hào)做出安全評(píng)估并停止運(yùn)行。相較于安全防護(hù)門(mén)，安全光幕降低了操作人員的工作量，提高了生產(chǎn)效率。在操作人員送取料時(shí)，只要有身體的任何一部分遮擋了光線(xiàn)，就會(huì)導(dǎo)致機(jī)器進(jìn)入安全狀態(tài)而不會(huì)給操作人員帶來(lái)傷害。

安全光幕的主要參數(shù)包括：分辨率、保護(hù)區(qū)域高度、保護(hù)范圍等。如圖3 所示，光幕的分辨率指?jìng)鞲衅鞲袘?yīng)功能之間的間隙，分辨率表示安全光幕在保護(hù)區(qū)域內(nèi)始終能檢測(cè)到的最小物體的大小。根據(jù)保護(hù)對(duì)象的不同，可以選擇不同分辨率的產(chǎn)品。由于各個(gè)廠家的產(chǎn)品不同，通常14 mm分辨率用于保護(hù)手指，14～20 mm 用于保護(hù)手掌，20～30 mm 用于保護(hù)手臂，超過(guò)30 mm 用于保護(hù)人體。保護(hù)區(qū)域高度指的是安全光幕所帶的測(cè)試棒能有效識(shí)別出來(lái)的區(qū)域；保護(hù)范圍指的是發(fā)射器和接收器間的光路長(zhǎng)度。而保護(hù)區(qū)寬度的最大值受設(shè)備防護(hù)范圍的限制。

圖3 安全光幕參數(shù)

在需要頻繁介入的場(chǎng)合，充分考慮到物料飛濺、火花、粉塵等發(fā)散式風(fēng)險(xiǎn)后，幾乎都會(huì)選擇使用安全光幕作為解決方案。使用安全光幕的好處在于：電敏保護(hù)裝置技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈成熟，產(chǎn)品分類(lèi)明確，各類(lèi)分辨率及安全性能等級(jí)均能滿(mǎn)足要求；安全技術(shù)發(fā)展快，各個(gè)方面的改進(jìn)技術(shù)不斷突破瓶頸并形成規(guī)范，未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化道路清晰；安全光幕作為主動(dòng)防御的技術(shù)，在多數(shù)情況下允許自動(dòng)復(fù)位，這能夠有效解決生產(chǎn)制造過(guò)程中的落地問(wèn)題，大大降低操作復(fù)雜程度，提高生產(chǎn)效率。

3.2 安全激光掃描儀

安全激光掃描儀是一種電敏保護(hù)裝置，其利用紅外激光光束對(duì)周?chē)M(jìn)行二維掃描。安全激光掃描儀通過(guò)不可見(jiàn)的激光光束建立保護(hù)區(qū)域，用于保護(hù)危險(xiǎn)區(qū)域，并實(shí)現(xiàn)作業(yè)危險(xiǎn)點(diǎn)保護(hù)、通道保護(hù)和料架危險(xiǎn)區(qū)域保護(hù)。一旦有物體位于保護(hù)區(qū)域內(nèi)，安全激光掃描儀將通過(guò)安全輸出端的信號(hào)發(fā)送報(bào)告檢測(cè)情況。機(jī)器控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)做出安全分析并停止運(yùn)行。

安全激光掃描儀和雷達(dá)在工作原理上有相識(shí)之處。雷達(dá)設(shè)備的發(fā)射機(jī)通過(guò)天線(xiàn)把電磁波射向空間某一方向，處在此方向上的物體反射碰到的電磁波，之后雷達(dá)天線(xiàn)接收此反射波，送至接收設(shè)備進(jìn)行處理，進(jìn)而提取有關(guān)該物體的某些信息（目標(biāo)物體至雷達(dá)的距離、方位、高度等）。由于電磁波都是以光速運(yùn)行，因此只需要知道從發(fā)射到接受的時(shí)間，即可得到目標(biāo)與雷達(dá)的距離。這個(gè)就是飛行時(shí)間測(cè)量原理。而安全激光掃描儀集發(fā)射器和接收器于一體，在掃描儀內(nèi)部其實(shí)已集成了發(fā)射和接受裝置。和雷達(dá)一樣，也是使用飛行時(shí)間測(cè)量原理，從發(fā)射激光開(kāi)始計(jì)時(shí)，到接收到返回激光的所用時(shí)間來(lái)計(jì)算物體的距離。

如圖4 所示，安全激光掃描儀中有一個(gè)旋轉(zhuǎn)鏡，光脈沖不停的轉(zhuǎn)向，從而可掃描一個(gè)扇形區(qū)域。安全激光掃描儀的2 個(gè)主要參數(shù)分別為分辨率和最大保護(hù)距離。棱鏡旋轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間為掃描周期時(shí)間。每單位時(shí)間的光脈沖數(shù)量是恒定的。從掃描周期時(shí)間和每單位時(shí)間的光脈沖數(shù)可得出角度分辨率。在已設(shè)置物體分辨率的情況下，掃描范圍取決于角度分辨率。物體分辨率表明，為實(shí)現(xiàn)可靠檢測(cè)，物體應(yīng)至少為多大，圖4 中①表示角度分辨率，是2 個(gè)相鄰激光束之間的夾角。

圖4 光脈沖掃描一個(gè)區(qū)域

掃描儀的保護(hù)距離其實(shí)是一個(gè)范圍，影響這個(gè)范圍大小的2 個(gè)因素是所需物體的最小尺寸和最小反射率。如圖5 所示，掃描范圍的大小由物體的最小尺寸決定。激光掃描儀激光的發(fā)射點(diǎn)集中在一處，所以各個(gè)光束之間的距離隨著距離的增加而變大，這也就是掃描范圍與被測(cè)物體的尺寸直接關(guān)聯(lián)的本質(zhì)原因。圖6 為最小反射率和掃描范圍的關(guān)系曲線(xiàn)；2 個(gè)因素共同決定了掃描范圍大小，可以將所需物體最小尺寸和所需的最小反射率統(tǒng)稱(chēng)為物體分辨率。一般來(lái)說(shuō)，物體的分辨率越大，保護(hù)區(qū)域范圍越大。

圖5 掃描范圍和物體尺寸

圖6 掃描范圍和所需反射率

以上是針對(duì)具有固定角度分辨率的安全激光掃描儀，如果掃描儀的角度分辨率可調(diào)，這個(gè)時(shí)候的掃描范圍還取決于角度分辨率。而掃描儀的角度分辨率與掃描周期時(shí)間相關(guān)。棱鏡旋轉(zhuǎn)一圈所需的時(shí)間為掃描周期時(shí)間，每單位時(shí)間的光脈沖數(shù)量是恒定的，如果掃描時(shí)間變短，則棱鏡發(fā)出的光脈沖數(shù)就少，分布在扇形區(qū)域上的光脈沖就稀疏，如圖7 所示。對(duì)于同一物體來(lái)說(shuō)，原來(lái)在3 m的范圍內(nèi)檢測(cè)到，當(dāng)掃描時(shí)間變短后，其掃描范圍變小，3 m 的范圍就無(wú)法檢測(cè)到。

圖7 掃描周期時(shí)間和光脈沖數(shù)的關(guān)系

使用安全激光掃描儀，可以通過(guò)水平和垂直安裝來(lái)實(shí)現(xiàn)安全檢測(cè)功能。同時(shí)，安全激光掃描儀功能豐富，對(duì)檢測(cè)區(qū)域可進(jìn)行編輯，能夠有效避免遺漏檢測(cè)死角，廣泛應(yīng)用在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)高，環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

3.3 其它安全設(shè)備

安全光幕、安全激光掃描儀都是使用不可見(jiàn)光作為光源，如果將其比作“虛擬防護(hù)”，那么卷簾門(mén)、安全地毯則為“實(shí)體防護(hù)”。

圖8 為卷簾門(mén)。卷簾門(mén)堅(jiān)固可靠，具有很好的耐久性。焊裝車(chē)間機(jī)器人日常工作的時(shí)候，會(huì)產(chǎn)生焊渣、火花、弧光和噪音，對(duì)外界工作人員有直接傷害。在焊裝車(chē)間焊接機(jī)器人設(shè)備安裝卷簾門(mén)后，其門(mén)簾具有防弧光、防電焊作用，只容許可見(jiàn)光透過(guò)，能夠有效過(guò)濾紫外線(xiàn)，并防止火花、焊渣的飛揚(yáng)，保護(hù)了操作人員，防止了火災(zāi)的發(fā)生。不僅如此，卷簾門(mén)的密封隔離性能降低了因機(jī)器焊接工作帶來(lái)的噪音。

圖8 卷簾門(mén)

安全地毯是一種壓敏式安全保護(hù)裝置，當(dāng)施加超過(guò)最小設(shè)定壓力值時(shí)開(kāi)關(guān)將關(guān)閉，控制器隨即發(fā)送一個(gè)停止信號(hào)給受保護(hù)的機(jī)器使其停止運(yùn)動(dòng)。可靠地保護(hù)操作者免受各種潛在危險(xiǎn)的傷害。安全地毯采用特殊的重載PVC 塑料，具有單片壓鑄抗沖擊結(jié)構(gòu)，不會(huì)發(fā)生剝離，具有將強(qiáng)的耐腐蝕性。

如圖9 所示，安全地毯是一種兼顧作業(yè)區(qū)域適用性的安全解決方案，通過(guò)在其他傳感器無(wú)法估計(jì)的區(qū)域準(zhǔn)確設(shè)置安全地毯，現(xiàn)場(chǎng)安全性能將大幅提升。

圖9 安全地毯

盡管卷簾門(mén)和安全地毯有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是和“無(wú)形防護(hù)”相比，卷簾門(mén)成本較高，且需要定期維護(hù)；而安全地毯的形狀固定，對(duì)于特殊形狀的區(qū)域無(wú)法使用；所以在焊裝車(chē)間，安全光幕和安全掃描儀的應(yīng)用場(chǎng)合更多，組合形式也更多。

4 安全設(shè)備的應(yīng)用形式

安全設(shè)備的初衷是對(duì)操作者的安全保護(hù)并提高生產(chǎn)效率。在焊裝線(xiàn)內(nèi)，人機(jī)交互最頻繁的位置就是“起點(diǎn)”和“終點(diǎn)”，“起點(diǎn)”是上料口，“終點(diǎn)”是返修工位。

4.1 上料口

上料口是焊裝車(chē)間最典型的人機(jī)交互工位。如圖10 所示，通常焊裝上料口需要人員上料之后機(jī)器人進(jìn)入上料區(qū)域取料，料口最外側(cè)的豎直光柵可以檢測(cè)是否有人員突然闖入；安全掃描儀通過(guò)水平安裝，可以有效的監(jiān)控人員是否滯留在機(jī)器人抓取區(qū)域；同時(shí)安全掃描儀通過(guò)垂直安裝，可以有效的隔離機(jī)器人區(qū)域和上料區(qū)域，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)到上料區(qū)域之前進(jìn)行識(shí)別和停止。

圖10 上料口

對(duì)于光幕的安裝和使用，從方便生產(chǎn)操作的角度考慮，肯定是距離設(shè)備越近越好。因?yàn)榫嚯x越近，操作人員的工作量越小，但從安全角度考慮，則距離設(shè)備越遠(yuǎn)越好，距離越遠(yuǎn)，操作人員受到傷害的可能性越小，從觸發(fā)光柵到接近危險(xiǎn)源這段時(shí)間內(nèi)，設(shè)備已經(jīng)完全停止。因此需要有一個(gè)最近距離，也就是安全距離。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)ISO 13855: 2010 Safety of machinery — Positioning of safeguards with respect to the approach speeds of parts of the human body，人體在垂直侵入光幕的檢測(cè)區(qū)域時(shí)，安全距離為：

式中，S為安全距離；K為身體或部分身體進(jìn)入檢測(cè)區(qū)的接近速度，步行時(shí)為1 600 mm/s，手部速度為2 000 mm/s；T為整個(gè)系統(tǒng)的停止時(shí)間，一般由3 部分組成，防護(hù)裝置自身的響應(yīng)時(shí)間、信號(hào)的傳輸時(shí)間和機(jī)器人的停止時(shí)間；C為附加距離，用于對(duì)人體上肢的保護(hù)，其計(jì)算公式如下：

式中，d為光幕的分辨率。

對(duì)于焊裝車(chē)間常見(jiàn)的上料口，K選取1 600 mm/s，防護(hù)裝置的響應(yīng)時(shí)間為0.023 s，信號(hào)傳輸時(shí)間為0.2 s，機(jī)器人的停止時(shí)間為0.4 s，光幕的分辨率為30 mm，經(jīng)計(jì)算，安全距離S=1 125 mm。

如圖11、圖12 所示，上料口的光幕垂直安裝，光幕最低點(diǎn)距離地面300 mm，光幕的保護(hù)高度不低于1 800 mm。根據(jù)料口處的上料臺(tái)的形式，合理確定水平掃描儀的數(shù)量，原則是檢測(cè)覆蓋操作者所有能到達(dá)的位置，不允許存在盲區(qū)。掃描儀平面一般距離地面300 mm。圖13 中的黑色圍欄高度至少為2 200 mm，如果上料臺(tái)不能完全將人阻擋在料口處，則需要增加綠色圍欄，高度不低于1 400 mm。監(jiān)控機(jī)器人的掃描儀至少保留500 mm的安全距離，同時(shí)工人進(jìn)入工位后，機(jī)器人不應(yīng)向工位移動(dòng)。如圖13 所示，檢測(cè)機(jī)器人的掃描高度應(yīng)高于機(jī)器人，建議不低于3 000 mm。而對(duì)于底座較高的機(jī)器人掃描高度要相應(yīng)提高。機(jī)器人進(jìn)入工位的整個(gè)過(guò)程中，保證掃描儀全程檢測(cè)到機(jī)器人。不推薦使用光幕檢測(cè)機(jī)器人，因?yàn)闄C(jī)器人容易從光幕上方越過(guò)。

圖11 上料口1個(gè)水平掃描儀

圖12 上料口2個(gè)水平掃描儀

圖13 上料口側(cè)視圖

4.2 返修工位

在焊接生產(chǎn)中，返修是避免不了的，一般在焊裝總成的終點(diǎn)設(shè)置返修工位，如圖14 所示。通過(guò)對(duì)待返修產(chǎn)品進(jìn)行規(guī)范化管理，可以降低因作業(yè)問(wèn)題或設(shè)備問(wèn)題造成的產(chǎn)品損壞。

圖14 返修工位

外觀缺陷為外觀產(chǎn)品的凹坑或者凸包；零件缺陷為不合格零件的使用，零件安裝不到位產(chǎn)生的錯(cuò)裝；過(guò)程缺陷一般指焊點(diǎn)毛刺，焊點(diǎn)開(kāi)焊或漏焊，膠量過(guò)多造成的溢膠。

返修工位的安全距離計(jì)算和上料口稍有不同，上料口的夾具高度較高，附加距離C用來(lái)保護(hù)操作人員的上肢，而返修工位的滾床和翻修平臺(tái)是齊平的，車(chē)身在滾床上運(yùn)動(dòng)，危險(xiǎn)點(diǎn)在下肢，因此計(jì)算如下：

式中，H為掃描儀高度。

圖15 為返修工位示意，K取1 600 mm/s，防護(hù)裝置的響應(yīng)時(shí)間為0.068 s，信號(hào)傳輸時(shí)間為0.2 s，機(jī)器人的停止時(shí)間為0.4 s，掃描儀的高度H=120 mm，經(jīng)計(jì)算，安全距離S=2 149 mm。

圖15 返修工位安全距離

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)復(fù)雜程度越來(lái)越高，同時(shí)人機(jī)安全越來(lái)越受到重視。本文描述了安全設(shè)備在焊裝線(xiàn)人機(jī)交互過(guò)程的研究應(yīng)用，從安全標(biāo)準(zhǔn)的解讀到安全設(shè)備工作原理的介紹，最后通過(guò)理論公式計(jì)算安全距離，滿(mǎn)足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，為焊裝線(xiàn)體供應(yīng)商及汽車(chē)生產(chǎn)主機(jī)廠關(guān)于焊裝線(xiàn)人機(jī)安全建設(shè)提供了很好的參考。