魏國興 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，長春 130013）

1 前言

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

2 風(fēng)險評估和安全標(biāo)準(zhǔn)

汽車制造行業(yè)需要運用各種各樣的設(shè)備和技術(shù)，包括有沖壓設(shè)備、機器人、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)險程度，有著不同的安全要求。而標(biāo)準(zhǔn)是不同部門之間的協(xié)議，描述了制定時的最新發(fā)展水平，選擇設(shè)備時，需要滿足國際上最新的機械安全相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)中包含了機器人系統(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)險圖。EN ISO 13849中的風(fēng)險等級分為a、b、c、d、e，風(fēng)險由低到高。S代表傷害的嚴重程度，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 代表面臨危險的頻率和時間；F1表示從很少到不經(jīng)常，并且持續(xù)時間很短，F(xiàn)2 表示從經(jīng)常到一直，并且持續(xù)時間很長；P 代表避免危險的可能性，P1 表示在特定的情況下可能，P2 表示幾乎不可能。

圖1 風(fēng)險圖

以焊裝車間最常見的料口焊接工位為例，操作者將車身零件放到夾具上，夾具閉合，機器人對車身零件進行焊接，完成后夾具打開，操作者取件。在沒有任何安全設(shè)備的前提下，機器人和焊鉗會對操作者造成重傷和死亡，所以選擇S2。車間通常單班或者雙班生產(chǎn)，每班時間為10 h，操作者需要經(jīng)常面對危險且持續(xù)時間很長，所以選擇F2。機器人滿負荷運動速度很快，當(dāng)發(fā)生危險時，操作者幾乎無法躲避其帶來的傷害，所以選擇P2。按照上圖流程進行風(fēng)險評估后，料口焊接工位的風(fēng)險等級為e，是最高風(fēng)險，所以對于此工位，添加必要的安全防護才能最大限度的保護操作者的生命安全。

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

3 焊裝線常用安全設(shè)備

隨著焊裝行業(yè)的自動化水平的不斷提升，機器人的普及率也越來越高。越來越多的場合開始實行了自動化生產(chǎn)，通過使用半自動化、自動化設(shè)備來替代以往煩雜的工序，在提高生產(chǎn)效率的同時也帶來了安全隱患。操作人員長時間處于快速而簡單的重復(fù)作業(yè)時，容易產(chǎn)生疲勞和松懈，出現(xiàn)注意力不集中，動作失調(diào)等狀況。也有一部分操作人員因為不熟悉操作流程，受到機器傷害。為了避免人為失誤，保護操作者人身安全，從根本上解決人機交互過程中的安全問題，本文通過確定工位的風(fēng)險等級，增加必要的防護措施來消除對應(yīng)的風(fēng)險。

安全光幕和安全激光掃描儀是焊裝車間常用的安全設(shè)備。

3.1 安全光幕

安全光幕本質(zhì)上是一種基于紅外線傳感器的高品質(zhì)自動控制產(chǎn)品，其運用了紅外線掃描探測技術(shù)。在現(xiàn)代化工廠中，人與機器需要協(xié)同工作，但在一些具有潛在危險的機械設(shè)備上，容易造成操作人員的人身安全問題。而安全光幕的作用就是當(dāng)操作人員操作失誤進入危險區(qū)域時，使機器迅速停下，達到保護人與機器正常工作的目的[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區(qū)域存在平行的紅外光束，用于對危險區(qū)域進行安全防護。一旦一條或多條光線完全被截斷，安全光幕將通過輸出信號切換信號發(fā)出信息：光線已被截斷。設(shè)備控制器對信號做出安全評估并停止運行。相較于安全防護門，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，只要有身體的任何一部分遮擋了光線，就會導(dǎo)致機器進入安全狀態(tài)而不會給操作人員帶來傷害。

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

圖3 安全光幕參數(shù)

在需要頻繁介入的場合，充分考慮到物料飛濺、火花、粉塵等發(fā)散式風(fēng)險后，幾乎都會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：電敏保護裝置技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈成熟，產(chǎn)品分類明確，各類分辨率及安全性能等級均能滿足要求；安全技術(shù)發(fā)展快，各個方面的改進技術(shù)不斷突破瓶頸并形成規(guī)范，未來標(biāo)準(zhǔn)化道路清晰；安全光幕作為主動防御的技術(shù)，在多數(shù)情況下允許自動復(fù)位，這能夠有效解決生產(chǎn)制造過程中的落地問題，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裝置，其利用紅外激光光束對周圍進行二維掃描。安全激光掃描儀通過不可見的激光光束建立保護區(qū)域，用于保護危險區(qū)域，并實現(xiàn)作業(yè)危險點保護、通道保護和料架危險區(qū)域保護。一旦有物體位于保護區(qū)域內(nèi)，安全激光掃描儀將通過安全輸出端的信號發(fā)送報告檢測情況。機器控制系統(tǒng)對信號做出安全分析并停止運行。

安全激光掃描儀和雷達在工作原理上有相識之處。雷達設(shè)備的發(fā)射機通過天線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，之后雷達天線接收此反射波，送至接收設(shè)備進行處理，進而提取有關(guān)該物體的某些信息（目標(biāo)物體至雷達的距離、方位、高度等）。由于電磁波都是以光速運行，因此只需要知道從發(fā)射到接受的時間，即可得到目標(biāo)與雷達的距離。這個就是飛行時間測量原理。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)部其實已集成了發(fā)射和接受裝置。和雷達一樣，也是使用飛行時間測量原理，從發(fā)射激光開始計時，到接收到返回激光的所用時間來計算物體的距離。

如圖4 所示，安全激光掃描儀中有一個旋轉(zhuǎn)鏡，光脈沖不停的轉(zhuǎn)向，從而可掃描一個扇形區(qū)域。安全激光掃描儀的2 個主要參數(shù)分別為分辨率和最大保護距離。棱鏡旋轉(zhuǎn)一圈所需的時間為掃描周期時間。每單位時間的光脈沖數(shù)量是恒定的。從掃描周期時間和每單位時間的光脈沖數(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，為實現(xiàn)可靠檢測，物體應(yīng)至少為多大，圖4 中①表示角度分辨率，是2 個相鄰激光束之間的夾角。

圖4 光脈沖掃描一個區(qū)域

掃描儀的保護距離其實是一個范圍，影響這個范圍大小的2 個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)射點集中在一處，所以各個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；2 個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)稱為物體分辨率。一般來說，物體的分辨率越大，保護區(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)，這個時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間相關(guān)。棱鏡旋轉(zhuǎn)一圈所需的時間為掃描周期時間，每單位時間的光脈沖數(shù)量是恒定的，如果掃描時間變短，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。對于同一物體來說，原來在3 m的范圍內(nèi)檢測到，當(dāng)掃描時間變短后，其掃描范圍變小，3 m 的范圍就無法檢測到。

圖7 掃描周期時間和光脈沖數(shù)的關(guān)系

使用安全激光掃描儀，可以通過水平和垂直安裝來實現(xiàn)安全檢測功能。同時，安全激光掃描儀功能豐富，對檢測區(qū)域可進行編輯，能夠有效避免遺漏檢測死角，廣泛應(yīng)用在風(fēng)險等級高，環(huán)境復(fù)雜的工業(yè)現(xiàn)場。

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光作為光源，如果將其比作“虛擬防護”，那么卷簾門、安全地毯則為“實體防護”。

圖8 為卷簾門。卷簾門堅固可靠，具有很好的耐久性。焊裝車間機器人日常工作的時候，會產(chǎn)生焊渣、火花、弧光和噪音，對外界工作人員有直接傷害。在焊裝車間焊接機器人設(shè)備安裝卷簾門后，其門簾具有防弧光、防電焊作用，只容許可見光透過，能夠有效過濾紫外線，并防止火花、焊渣的飛揚，保護了操作人員，防止了火災(zāi)的發(fā)生。不僅如此，卷簾門的密封隔離性能降低了因機器焊接工作帶來的噪音。

圖8 卷簾門

安全地毯是一種壓敏式安全保護裝置，當(dāng)施加超過最小設(shè)定壓力值時開關(guān)將關(guān)閉，控制器隨即發(fā)送一個停止信號給受保護的機器使其停止運動?？煽康乇Ｗo操作者免受各種潛在危險的傷害。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)，不會發(fā)生剝離，具有將強的耐腐蝕性。

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，通過在其他傳感器無法估計的區(qū)域準(zhǔn)確設(shè)置安全地毯，現(xiàn)場安全性能將大幅提升。

圖9 安全地毯

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

4 安全設(shè)備的應(yīng)用形式

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

4.1 上料口

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

圖10 上料口

對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。因為距離越近，操作人員的工作量越小，但從安全角度考慮，則距離設(shè)備越遠越好，距離越遠，操作人員受到傷害的可能性越小，從觸發(fā)光柵到接近危險源這段時間內(nèi)，設(shè)備已經(jīng)完全停止。因此需要有一個最近距離，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區(qū)域時，安全距離為：

式中，S為安全距離；K為身體或部分身體進入檢測區(qū)的接近速度，步行時為1 600 mm/s，手部速度為2 000 mm/s；T為整個系統(tǒng)的停止時間，一般由3 部分組成，防護裝置自身的響應(yīng)時間、信號的傳輸時間和機器人的停止時間；C為附加距離，用于對人體上肢的保護，其計算公式如下：

式中，d為光幕的分辨率。

對于焊裝車間常見的上料口，K選取1 600 mm/s，防護裝置的響應(yīng)時間為0.023 s，信號傳輸時間為0.2 s，機器人的停止時間為0.4 s，光幕的分辨率為30 mm，經(jīng)計算，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，光幕最低點距離地面300 mm，光幕的保護高度不低于1 800 mm。根據(jù)料口處的上料臺的形式，合理確定水平掃描儀的數(shù)量，原則是檢測覆蓋操作者所有能到達的位置，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)控機器人的掃描儀至少保留500 mm的安全距離，同時工人進入工位后，機器人不應(yīng)向工位移動。如圖13 所示，檢測機器人的掃描高度應(yīng)高于機器人，建議不低于3 000 mm。而對于底座較高的機器人掃描高度要相應(yīng)提高。機器人進入工位的整個過程中，保證掃描儀全程檢測到機器人。不推薦使用光幕檢測機器人，因為機器人容易從光幕上方越過。

圖11 上料口1個水平掃描儀

圖12 上料口2個水平掃描儀

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設(shè)置返修工位，如圖14 所示。通過對待返修產(chǎn)品進行規(guī)范化管理，可以降低因作業(yè)問題或設(shè)備問題造成的產(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)生的錯裝；過程缺陷一般指焊點毛刺，焊點開焊或漏焊，膠量過多造成的溢膠。

返修工位的安全距離計算和上料口稍有不同，上料口的夾具高度較高，附加距離C用來保護操作人員的上肢，而返修工位的滾床和翻修平臺是齊平的，車身在滾床上運動，危險點在下肢，因此計算如下：

式中，H為掃描儀高度。

圖15 為返修工位示意，K取1 600 mm/s，防護裝置的響應(yīng)時間為0.068 s，信號傳輸時間為0.2 s，機器人的停止時間為0.4 s，掃描儀的高度H=120 mm，經(jīng)計算，安全距離S=2 149 mm。

圖15 返修工位安全距離

5 結(jié)束語

隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，自動化生產(chǎn)線復(fù)雜程度越來越高，同時人機安全越來越受到重視。本文描述了安全設(shè)備在焊裝線人機交互過程的研究應(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，最后通過理論公式計算安全距離，滿足相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，為焊裝線體供應(yīng)商及汽車生產(chǎn)主機廠關(guān)于焊裝線人機安全建設(shè)提供了很好的參考。