在性风险机械手安全设计与风险分析

2023-06-15 历史故事版权反馈

【摘要】：图3.152和图3.153显示了仅由重力和惯性力产生的力。安全调整机械手尺寸的目的是防止各种危险。图3.152抓去时的静止状态，抓取力必须补偿重力图3.153动态情况，必须补偿因平移而产生的惯性力在这里，第一要务是防止当工件从机械手完全掉落时对人类造成的危险。风险分析将应用于整个系统，而不仅仅是针对抓取和搬运过程所带来的风险。图3.158工件对紧急停止的反应根据搬运系统的不同，应考虑由系统故障引起的潜

当一个咖啡杯从我们手中滑落，或者当一罐泡菜掉在地上时，损害是有限的。当移动工件时，一个错误可能会导致一些关键和成本上的后果。如第4章所述，机械手移动和加速对抓取工件的影响可能对人和机器造成风险。

图3.152和图3.153显示了仅由重力和惯性力产生的力。安全调整机械手尺寸的目的是防止各种危险。通过将系统化程序纳入设计中，并与相关标准相结合，确保安全。

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图3.152　抓去时的静止状态，抓取力必须补偿重力

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图3.153　动态情况，必须补偿因平移而产生的惯性力

在这里，第一要务是防止当工件从机械手完全掉落时对人类造成的危险。根据工件质量和运动的动力学，可能会发生潜在的致命伤害。一个机器人抓取的工件，其加工半径约为3 m，并以全速旋转，如果丢失，可能会成为抛射体，这种情形可能发生在负载能力为500 kg或以上的机器人身上。这些危险需要完全消除。在协作机器人应用程序中，员工与机器人紧密合作，没有任何防护栅栏将它们隔开。在这种情况下，通常建议以较低的速度工作，以避免在工件丢失时人员受伤。

但即使没有工件，机械手也必须符合一定程度的安全要求，符合专业协会颁布的新标准和验收条件。

机器安全是指在工件掉落或工件在机械手中位置移动时对机器造成的潜在危险。重新启动机器时，工件可能会掉入加工设备并导致机械故障。保护工件本身不受损坏也很重要，尤其是在使用昂贵部件时。

使用故障模式与影响分析（FMEA）可以很容易地评估工件损失的风险，这已成为系统化项目开发的标准部分。风险评估是一种着眼于未来的方法，它调查潜在危险和这些危险情况的发生概率。这种方法从单纯的故障排除转向更为直观的机械手安全设计方法。

风险分析是作为一种团队方法开发的。这是对可能的危险和风险进行实际评估和系统地避免潜在错误的唯一方法。风险分析旨在避免错误，而不像故障排除那样是寻求修复现有的错误（图3.154）。

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图3.154　从纠错到预防预测性错误的转变（来源：Robomotion）

各种风险，例如气动机械手的压力损失，可在0～10的危险等级上指定。在下一步中，专家可以根据该量表中的评分来评估危险发生的可能性。此外，还可以评估危险发生的概率。如果用风险评估乘以发生概率和检测概率，将得出测量风险的风险指标。

在表3.26所列的示例中，评估了由于气动机械手中的工件丢失或移动而造成的风险。如果压力下降到2bar，机械手的抓取力会显著降低。标准压力为6bar。检查时，应检查整个系统，包括与其他组件的接口，而不仅仅是机械手。在同一个系统中，工件损失的评估更为关键（如自动系统损坏的风险或受伤的风险）。由于工件在机械手中的位置不正确而造成的危险被归类为有限危险。

表3.26　风险分析（来源： Robomotion）

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例如，对于定心夹爪，工件只能在Z方向移动，滑移发生的概率高于工件的掉落。工件在松动前必须在Z向滑移完整个手指长度的距离。由于自动化系统配备了压力监测器，因此检测到压力下降到2bar的概率相对较高。这意味着如果出现压力下降，将通知工厂运营商。然而，仍有可能忽略此通知，导致评估等级为4。

表3.26清楚地表明，只有当知道机械手操作对于整个系统的风险时，风险分析才是可行的。工件滑移会对自动化解决方案和搬运系统的外围设备产生严重影响。当工件放置在小公差工件安装架上时，机械手与已移动工件的碰撞概率特别高。准确地应用机械、电气知识和软件专家团队对于实现合理的客观评估很重要。

风险分析将应用于整个系统，而不仅仅是针对抓取和搬运过程所带来的风险。

对于所描述的压力损失情况，部件制造商提供了集成机械手夹持力保持的可能性。此功能的目的是在没有能量供应的情况下保持工件的固定。

气动机械手有两种实现方式。其中一个选项包括用气缸腔中的弹簧沿一个方向按压活塞，弹簧可以在手指闭合的方向或反向打开的方向工作（图3.155）。在一个方向上，弹簧支持正常操作期间的夹持力。在相反的方向上，活塞必须消耗能量来拉伸弹簧，从而导致机械手在该方向上的力损失。当打开机械手时，这种力损失可以忽略不计，因为机械手手指必须分开移动。然而，弹簧需要较长的开启时间，这对于时间敏感的应用来说可能存在问题。当然，弹簧和机械手可达到的保持力并不能完全补偿压力损失。一般来说，目标是在不使用压缩空气和不进行移动的情况下将工件固定在机械手中。换言之，使运动产生的力不需要用弹簧力来补偿。例如，当自动化系统关闭时，不必为工件提供扩展空间。

此外，在某些特殊情况下，防止夹持在机械手中的工件掉落并可能产生未定义的系统状态非常重要。

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图3.155　用带角夹的弹簧支架保持抓取力（来源：SCHUNK）

还有第二种防止气动机械手压力损失的方法，即与机械手供应管中的压力一起工作。在这种情况下，使用保压阀或双止回阀。这些阀尽可能靠近机械手，如图3.156所示。

如果供应管A中的压力损失，阻塞活塞将通过P2被机械手排出的废气置换，从而防止空气从机械手中溢出。单向阀的工作原理与液压系统相同，止回阀的优点是保持力相对较高，不影响抓取时间（图3.157）。其成本也相对较低，而且结构非常紧凑。但是，随着时间的推移，效果会降低，尤其是在使用压缩空气时，不可避免的泄漏最终会导致压力损失。在阀门转换过程中，气管中的压力也会损失，特别是压缩空气。这就是为什么安装要尽可能靠近机械手的原因。

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图3.156　在机械手模块附近安装保压阀及其功能原理（来源：Seegräber）

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图3.157　不同机械手类型止回阀的安装接线图（来源：Seegräber）

所有这些保持抓取力的各种方法，只有在机械手手指不完全基于摩擦原理的情况下，才会真正降低风险。为了避免在压力下降或停机较长时间时工件掉落，使用形锁抓取更为有利。

在紧急停止的情况下，搬运系统运动突然减速。紧急停止旨在防止对人和机器造成伤害，但它们也会对机械手和工件产生极端的力（图3.158）。这种情况尤其具有挑战性，因为无法事先确定沿移动路径发生紧急停止的点。因此，有必要考虑最坏的情况。必须不惜一切代价避免工件掉落。

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图3.158　工件对紧急停止的反应

根据搬运系统的不同，应考虑由系统故障引起的潜在碰撞。这意味着一旦按下紧急“停止”按钮，机器人就与能源供应分离（图3.159）。轴的刹车试图停止运动，但机器人手臂、抓手和工件重量的全部动能在毫秒时间内无法停止。在停机的情况下，需要为系统提供一定的移动时间。尽管电源中断，现代机器人仍在继续监测制动运动，以防止任何不受控制的运动。

这种风险分析方法最终也被用作相关安全标准的基础。DIN EN ISO 12100《机器安全》是基本标准，提供一般设计指南和术语定义。

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图3.159　紧急停止情况下机器人不同的行为方式（来源：Robomotion）

该标准还概述了风险评估的详细程序。机器的安全性是指在机器的相关寿命或使用阶段降低所述危险的风险。当然，这取决于机器用于其预期功能的条件。该标准表明，安全保证是机器结构的一项迭代任务。根据DIN EN ISO 13849进行的分析只能在确定机器概念后进行。DIN EN ISO 13849标准是专门针对安全的，涉及控制单元的安全相关部分。它分为两部分：第一部分介绍了总体设计指南；第二部分定义了安全技术的验证和检验。EN ISO 13849是符合EN ISO 12100-1的B1类通用安全标准，这意味着它是一套规定安全方面的标准（来源：Deutsche Institut for Normung E.V.）。

该标准适用于所有类型的机器，不考虑所使用的技术（如电动、液压、机械）。它可用于非隔离保护设备、非接触保护设备（如光栅）、控制单元组件和电源开关元件（如继电器）。它既适用于简单的机器，也适用于复杂的生产设施。

如果在自动匹配系统的控制技术的规划活动中遇到概念性问题，而这些问题不能单独通过控制单元的安全相关功能来解决，那么控制和设计之间的迭代过程就开始了。对此需要进行深入的风险评估。

如果机器的控制单元或自动化系统不能确保其自身的安全操作，则有必要采用机械措施降低风险。这通常具有重大影响，甚至可能导致系统布局发生变化。例如，必须改变机器人与防护围栏之间的距离。

标准的最新更新包括所谓的性能级别（PL）。该术语涉及控制系统安全相关部件实现其各自安全功能的能力的度量。风险评估的过程与前述EN-954-1标准中描述的过程相似，只是分析会导致一个类别和一个性能级别。PLS分为两个级别，从A（对风险最小化的贡献较低）到E（对风险降低的贡献较高）。

这里的一个新的方面是有几种可能的实现目标的方法。机器制造商可以通过不同的方式或使用不同的措施实现高水平的安全。技术和经济条件都有利于具体的解决方案。新标准仍需遵守规定的安全结构。系统中使用的每个组件都显示自己的PL值。每小时发生危险故障的概率（PFHD）越低，性能水平越好。因此，损益表表明了各个组件可以在哪个环境中使用，因为损益表必须至少与所涉及应用程序所在地的风险值相同。

如果某个机器组件的风险值为C，则功能也必须至少达到C或更高的性能水平（如D或E），见表3.27。

表3.27　性能等级和SIL值定义表（来源： ifm electronic）

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在这些新的标准和区分自动化系统操作中不同风险情况的新可能性中，电动机械手正在出现。其中，集成商和机器制造商有可能设计全新的安全系统。与气动和液压驱动的机械手模块不同，电动机械手可实现不同的操作（图3.160）。

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图3.160　安全电动机械手（来源：SCHUNK）

根据电动机械手的设计，传动装置通常具有足够的夹持力保持能力。

除了高性能D级额定值或安全完整性等级（SIL）为三级外，SCHUNK公司还通过机械手的控制单元提供额外的驱动安全选项。在这种情况下，安全模块集成到机械手的控制单元中，这使得在不同的安全模式下操作机械手成为可能。可以不同的方式定义和固定各种保护区（如使用安全垫、光幕、三维摄像机、门开关等）。当工人进入保护区时，可以得到不同的结果。在这种情况下，越来越多的选项不断可用，从停机到以较低的搬运速度继续运行。对于机械手，这意味着，当操作员在附近时，减小夹持力，否则会增加抓取的危险。检测机械手上的手指位置也提供了详细的设置选项。

根据EN IEC 61800-5-2《驱动装置的安全功能》，可以定义三种不同类型的操作：SLS（安全限制速度），其中不得超过规定的最大速度；安全操作停止（SOS），其中驱动器监控某个位置是否已经丢失，监视驱动器是否在定义的位置范围内；安全扭矩关闭（STO）时电源立即关闭，这导致能源供应部件被分离。这个安全系统也可以改装为适于现有的抓取范围。因此，可以使电动机械手成为协作机器人应用的智能形式。

机器人用于生产和装配的趋势越来越趋向于人机的协作（图3.161），这需要机器人与操作员之间特别安全的交互作用。团队合作的类型由存在的工作区和与人有关的类型定义，区分为单独的和共享的加工区域、分离的和共同的工作过程以及不同级别的接触。人类和机器人共同工作的环境越差，系统必须表现出的安全要求就越高（图3.162）。

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