استانداردهای ایمنی برای سلول های پالت سازی رباتیک در کارخانه های بسته بندی: پرده های سبک، نرده ها و ارزیابی ریسک

خلاصه اجرایی:تضمین ایمنی عملیاتی در کارخانه‌های بسته‌بندی خودکار نیازمند رویکردی دقیق و چندلایه برای کنترل خطر است. پیاده سازی یک ربات پالت سازی صنعتی یا سیستم کوبات مستلزم رعایت دقیق استانداردهای جهانی از جمله ISO 12100، ISO است.10218-1/2، ISO/TS 15066 و ISO 13849-1. یک معماری حفاظتی کامل، نرده‌های محیطی به هم پیوسته فیزیکی، فناوری‌های حسگر نوری مانند پرده‌های نور ایمنی و اسکنرهای لیزری و منطق کنترل پیشرفته Safety PLC را ترکیب می‌کند. با اجرای صحیح ارزیابی‌های ریسک، محاسبه فواصل ایمنی، و پیکربندی عملکردهای خاموش و بی‌صدا کردن هوشمند، امکانات بسته‌بندی می‌تواند در عین دستیابی به محیط‌های کاری بدون آسیب و انطباق کامل با CE و OSHA، توان عملیاتی خط بالایی را حفظ کند.

قبل از نصب پالت‌ساز روباتیک، تیم‌های مهندسی باید یک ارزیابی کامل ریسک را مطابق با ISO 12100 انجام دهند که ایمنی ماشین‌آلات را از طریق اصول کلی طراحی، ارزیابی ریسک و کاهش ریسک کنترل می‌کند. ارزیابی ریسک یک فرآیند تکراری است که در طول طراحی، یکپارچه سازی و راه اندازی اعمال می شود.

مراحل ارزیابی ریسک کلیدی

• شناسایی خطر:شناسایی خطرات مکانیکی، الکتریکی و عملیاتی بالقوه در تمام حالت‌های عملیاتی، از جمله عملیات خودکار، آموزش دستی، تعمیر و نگهداری و رفع جم.

• برآورد ریسک:ارزیابی شدت آسیب احتمالی، دفعات یا مدت قرار گرفتن در معرض، و احتمال اجتناب از آسیب.

• کاهش ریسک (روش سه مرحله‌ای):اعمال تدابیر طراحی ذاتا ایمن برای حذف لبه های تیز یا محدود کردن سرعت ربات، ادغام اقدامات حفاظتی مانند نرده های فیزیکی و پرده های نور، و ارائه علائم هشدار دهنده واضح و پروتکل های آموزشی اپراتور.

بررسی اجمالی استانداردهای جهانی

ISO 12100:تمرکز بر روش ارزیابی ریسک عمومی و اصول کاهش ریسک برای ماشین آلات، که از طریق یک ماتریس برآورد ریسک ارزیابی می شود.

ISO 10218-1/2:الزامات ایمنی اجباری و معیارهای طراحی سلول را برای روبات های صنعتی، سیستم های ربات و یکپارچه سازی تنظیم می کند.

ISO/TS 15066:راهنمایی خاصی برای عملکرد ربات مشترک و محدود کردن نیرو و نیرو بر اساس آستانه فشار بیومکانیکی ارائه می دهد.

ISO 13849-1:بخش‌های مربوط به ایمنی{0}}طراحی و اعتبارسنجی سیستم‌های کنترل را تشریح می‌کند و سطوح عملکردی مانند PLd یا PLe را تعریف می‌کند.

IEC 62061:ایمنی عملکردی سیستم‌های کنترل ایمنی الکتریکی و الکترونیکی{0} مربوط به ماشین‌آلات را تنظیم می‌کند که توسط سطوح یکپارچگی ایمنی SIL2 یا SIL3 تعریف شده است.

حصار محیطی فیزیکی مانع سخت اولیه را فراهم می کند که از ورود غیرمجاز انسان به پاکت حرکت خطرناک بازوی ربات پالت سازی صنعتی جلوگیری می کند.

الزامات طراحی حصار محیطی

• مقررات حداقل قد:مطابق با استاندارد ISO 13857، نرده های محافظ سخت باید در ارتفاع حداقل 2000 میلی متری از کف قرار گیرند تا از ورود اپراتورها به منطقه خطر جلوگیری شود.

• ترخیص زمین:قاب توری زیرین باید فاصله 150 تا 200 میلی متری از زمین را حفظ کند تا از خزیدن پرسنل در زیر آن جلوگیری کند و در عین حال امکان شستشو و تمیز کردن آسان کف را فراهم کند.

• اندازه دیافراگم مش:منافذ توری باید از رسیدن انگشتان یا دست ها به خطرات ساختاری جلوگیری کند. مش سیم استاندارد 50 در 50 میلی متر به حداقل فاصله ایمنی 200 میلی متر از هر قطعه مکانیکی متحرک نیاز دارد.

دسترسی به سلول و توالی اینترلاک

در طول عملکرد استاندارد، سلول ربات کاملا قفل می شود. هنگامی که یک اپراتور از طریق کنسول HMI درخواست ورود می کند، سیستم کنترل کاهش سرعت کنترل شده را آغاز می کند. هنگامی که سیستم حالت Safe Torque Off را راه‌اندازی می‌کند و حرکت صفر را تأیید می‌کند، کلید{2}}گیردار یا قفل برقی دروازه دسترسی را آزاد می‌کند و اجازه ورود دستی ایمن به سلول را می‌دهد.

همه درهای دسترسی که در حصارهای محیطی فیزیکی تعبیه شده اند باید دارای سوئیچ های قفل ایمنی دو کاناله{0} با قفل محافظ باشند. سوئیچ های ایمنی قفل کننده برقی{2}}درهای دسترسی را تا زمانی که ربات به حالت سکون کامل نرسد قفل نگه می دارد. سیستم‌های قفل‌دار{4}}کلیدی به دام افتاده، اپراتورها را ملزم می‌کنند تا قبل از باز کردن در، یک کلید ایمنی فیزیکی را از کنسول دروازه خارج کنند و حمل این کلید به داخل سلول از بستن درب و راه‌اندازی مجدد حالت خودکار- توسط اشخاص ثالث در زمانی که پرسنل در داخل هستند، جلوگیری می‌کند.

وقتی موانع فیزیکی خطوط انتقال ورودی یا خروجی پالت را محدود می‌کند، دستگاه‌های حسگر حضور نوری، تجهیزات حفاظتی حساس به الکترو{1} فعال را ارائه می‌کنند.

پرده های نور ایمنی (نوع 4، PL e)

پرده های نور ایمنی مجموعه ای از پرتوهای مادون قرمز را در سراسر دهانه های دسترسی پخش می کنند. قطع شدن هر پرتو یک سیگنال توقف فوری به Safety PLC ارسال می کند. محافظ انگشت از وضوح 14-میلی متری استفاده می کند و در نزدیکی نقاط گیره خطرناک مانند دستگیره های ابزار انتهایی-بازو نصب می شود. محافظ دست از وضوح 30 میلی متری به عنوان پیکربندی استاندارد در اطراف نوار نقاله استفاده می کند. شبکه‌های تشخیص بدن و کنترل دسترسی از یک راه‌اندازی چند پرتوی با وضوح ۳۰۰ تا ۵۰۰ میلی‌متر برای محافظت از ورودی محیطی استفاده می‌کنند.

اسکنرهای لیزری ایمنی (حفاظت از ناحیه)

اسکنرهای لیزری ایمنی از بازتاب لیزری زمان-از-پرواز برای نظارت بر نواحی کف دوبعدی اطراف سیستم ربات پالت‌سازی استفاده می‌کنند. آنها اجازه سوئیچینگ منطقه پویا را می دهند. هنگامی که اپراتور به منطقه هشدار نزدیک می شود، اسکنر یک زنگ هشدار صوتی را ایجاد می کند و به کنترل کننده ربات سیگنال می دهد که سرعت خود را به سرعت کاهش یافته ایمن کاهش دهد. اگر اپراتور به منطقه حفاظت داخلی نزدیک‌تر شود، اسکنر یک توقف امن دسته 0 یا دسته 1 را اجرا می‌کند.

قرار دادن پرده نور ایمنی خیلی نزدیک به بازوی ربات پالت سازی صنعتی، خطر ایمنی شدیدی ایجاد می کند، زیرا اپراتور می تواند قبل از توقف کامل بازوی ربات، به منطقه حرکت خطرناک برسد.

حداقل فاصله ایمنی طبق استاندارد ISO 13855 با استفاده از فرمول استاندارد محاسبه می شود. فاصله مورد نیاز برابر است با سرعت نزدیک شدن انسان ضربدر کل زمان توقف سیستم، به علاوه یک فاصله نفوذ اضافی بر اساس وضوح سنسور. سرعت نزدیک شدن انسان معمولاً 1600 میلی متر در ثانیه برای دسترسی بدن یا 2000 میلی متر در ثانیه برای حرکات دست تنظیم می شود. کل زمان عملکرد توقف سیستم، زمان پاسخ سنسور نوری، پردازش منطقی Safety PLC و مکانیسم توقف محرک کنترلر ربات را ترکیب می کند. فاصله نفوذ اضافی نشان می دهد که یک دست یا قسمتی از بدن تا چه حد می تواند از پرتوهای نور قبل از تشخیص رخ دهد.

در یک سناریوی کاربردی عملی، اگر سرعت نزدیک شدن انسان 1600 میلی‌متر در ثانیه باشد، کل زمان پاسخ توقف سیستم ترکیبی 0.35 ثانیه است، و مجاز عمق نفوذ برای شبکه تشخیص بدن 850 میلی‌متر است، محاسبه 1600 در 0.3560 میلی‌متر ضرب می‌شود و به سال می‌رسد. افزودن میزان نفوذ 850 میلی‌متری منجر به حداقل فاصله ایمنی مورد نیاز 1410 میلی‌متر می‌شود. بنابراین، پرده نور باید حداقل 1410 میلی متر دورتر از نزدیکترین خط خطر جارو روبات نصب شود.

خطوط بسته‌بندی خودکار باید به پشته‌های پالت تمام شده یا پالت‌های خالی اجازه دهند که از دهانه‌های محیطی بدون ایجاد توقف اضطراری کاذب عبور کنند و در عین حال ورود انسان را شناسایی کنند.

تابع نادیده گرفتن (گذر موقت)

نادیده گرفتن یک روش بای پس موقت است که به طور موقت پرده نور را در هنگام ورود یا خروج مواد با استفاده از منطق چشمی{0}عکس غیرفعال می کند. این سیستم بر حسگرهای فوتوالکتریک متقاطع-الگوی (X-Muting) یا موازی (L-Muting) برای تشخیص شکل و سرعت خاص یک پالت خروجی متکی است. مزیت اصلی نادیده گرفتن امکان انتقال بدون وقفه بارهای کامل پالت به خارج از سلول است، اما محدودیت اصلی آن نیاز به یک توالی زمان بندی دقیق برای جلوگیری از عقب افتادن انسان از پشت پالت است.

تابع خالی کردن (ناتوانی فضایی)

خالی کردن یک روش غیرفعال فضایی است که در آن پرتوهای خاصی از پرده نور در جایی که اجسام ثابت از میدان نوری عبور می کنند غیرفعال می شوند. خالی کردن ثابت به طور مداوم از تکیه گاه های سازه ای ثابت یا قاب های تخت غلتکی چشم پوشی می کند. خالی کردن شناور اجسام متحرک با اندازه مشخص را نادیده می گیرد و در عین حال محافظت پرتو در بالا و پایین جسم را حفظ می کند. محدودیت کلیدی خالی کردن این است که وضوح سنسور موثر کاهش می یابد و نیاز به محاسبه مجدد حداقل فاصله های ایمنی دارد.

اتصال دستگاه‌های ایمنی به PLC‌های استاندارد و غیرایمن-یک نقض شدید انطباق است. سیستم‌های ربات پالت‌سازی مدرن، معماری‌های کنترل ایمنی عملکردی را الزامی می‌کنند که تحت گواهینامه قرار دارندISO 13849-1.

سطح عملکرد مورد نیاز با ارزیابی شدت آسیب، دفعات قرار گرفتن در معرض و امکان اجتناب از آسیب تعیین می شود. به دلیل بارهای بالای 20 تا بیش از 300 کیلوگرم و سرعت بالای حرکت بازو، سلول‌های پالت‌سازی رباتیک تقریباً به طور جهانی PLd یا PLe را تحت معماری‌های رده 3 یا رده 4 الزامی می‌کنند.

در یک ساختار کنترل ایمنی رده 3 یا رده 4، سیگنال های ورودی دو کاناله{2} از پرده های نور، قفل های دروازه و دکمه های توقف اضطراری مستقیماً به یک PLC ایمنی یا کنترل کننده ایمنی اختصاصی وارد می شوند. کنترل کننده ایمنی، پایش متقاطع{4}}ایمن و پردازش منطقی اضافی را انجام می دهد. سپس سیگنال‌های خروجی دو کاناله{6} را به محرک‌های ایمنی، مانند کنتاکتورهای اصلی دوگانه یا ورودی Safe Torque Off کنترلر ربات، ارسال می‌کند.

توابع کلیدی ایمنی در کنترلرهای ربات

• گشتاور ایمن خاموش (STO):برق موتورهای ربات را بدون خاموش کردن الکترونیک کنترلر قطع می کند و از راه اندازی مجدد مکانیکی غیرمنتظره جلوگیری می کند.

• توقف عملیاتی ایمن (SOS):رمزگذارهای مشترک ربات را نظارت می کند تا اطمینان حاصل شود که بازو کاملاً ثابت می ماند و در عین حال گشتاور نگهدارنده کامل موتور را حفظ می کند.

• ایمن-سرعت محدود (SLS):حداکثر سرعت Tool Center Point را در طول حالت آموزش یا کاهش سرعت{0} دستی، معمولاً به 250 میلی‌متر در ثانیه یا کمتر محدود می‌کند.

انتخاب بین پالت ساز ربات مشترک و بازوی صنعتی پرسرعت سنتی-به طور اساسی الزامات ایمنی سلول را تغییر می دهد.

پالت ساز مشترک (Cobot)

• مکانیسم ایمنی اولیه:محدود کردن نیرو و نیرو (PFL) از طریق سنسورهای گشتاور مشترک.

• تمرکز استانداردها:اساساً توسط ISO/TS 15066 و ISO 10218-1 اداره می شود.

• نقطه پینچ و ایمنی EOAT:از -گیره‌های بالشتک‌دار نرم و توقف‌های محدودکننده نیرو-استفاده می‌کند.

• سرعت و ردپای عملیاتی:محدود به سرعت های پایین زیر 1.0 متر در ثانیه در طول حالت مشارکتی، ردپایی فوق العاده فشرده- که اغلب به حداقل یا بدون محافظ نیاز دارد.

• ظرفیت باربری:به طور معمول بین 8 تا 25 کیلوگرم متغیر است.

سلول رباتیک صنعتی

• مکانیسم ایمنی اولیه:نرده های محیطی در هم تنیده فیزیکی و پرده های نور فعال.

• تمرکز استانداردها:تحت نظارت ISO 10218-1/2 و ISO 13849-1.

• نقطه پینچ و ایمنی EOAT:از گیره های محافظ مکانیکی با نیروی گیره بالا استفاده می کند.

• سرعت و ردپای عملیاتی:با سرعت کامل نامحدود بیش از 2.5 متر در ثانیه کار می کند که نیاز به ردپای بزرگ برای پاکت کامل حصاردار دارد.

• ظرفیت باربری:از 50 کیلوگرم تا بیش از 800 کیلوگرم متغیر است.

یک کوبات فقط به اندازه ابزار و محموله آن ایمن است. اگر یک کوبات یک سینی موجدار با لبه تیز- یا پالت چوبی سنگین نگه داشته باشد، ضربه در معرض آن همچنان می‌تواند باعث آسیب شدید شود. ارزیابی ریسک کامل ISO 12100 حتی برای سلول‌های کوبوت کمتر حصاری اجباری است.

حتی با وجود سخت افزار ایمنی تایید شده، نصب نامناسب یا ناهماهنگی سنسور منجر به سفرهای سلولی و خرابی ناخواسته می شود.

تشخیص سیستم ایمنی رایج

• خاموش شدن پرده نور متناوب:اغلب به دلیل ارتعاش از نوار نقاله های مجاور ایجاد می شود که باعث تغییر تراز نوری می شود. برای حل این مشکل، پایه‌های نصب را با صفحات ضد لرزش تقویت کنید و با استفاده از ابزار لیزر، محور نوری را دوباره-تراز کنید.

• خطای نادیده گرفتن هنگام خروج پالت:زمانی رخ می‌دهد که حسگرهای بی‌صدا به‌طور نامنظم یا به‌دلیل شکل پالت‌های نامنظم فعال می‌شوند. این مشکل را با تمیز کردن لنزهای فوتوالکتریک و کالیبره کردن مجدد X{1}}زوایای عبور حسگر و پنجره‌های تایمر PLC برطرف کنید.

• Safety PLC Cross-ایرادات مدار:اتصال کوتاه بین کانال‌های ورودی ایمنی دو کاناله{0} را نشان می‌دهد. بلوک‌های ترمینال سیم‌کشی میدانی را از نظر سیم‌های گیر کرده بررسی کنید و کابل‌های آسیب‌دیده را با کابل‌های-جفت تابدار محافظ جایگزین کنید.

• ربات خودکار را رد می کند-شروع بعد از بسته شدن دروازه:معمولاً به این دلیل اتفاق می‌افتد که کنترل‌کننده ایمنی قبل از راه‌اندازی مجدد منطق حالت خودکار به بازنشانی دستی نیاز دارد. تأیید کنید که اپراتور دنباله دکمه بازنشانی دستی را از خارج از سلول اجرا کرده است و وضعیت شیر ​​برقی قفل نگهبان را در HMI تأیید کنید.

• اسکنر لیزری از گرد و غبار جلوگیری می کند:ناشی از تجمع گرد و غبار در پنجره های لنز نوری است که آستانه فاصله را تحریک می کند. پنجره‌های اسکنر را با استفاده از دستمال‌های ضد استاتیک- پاک کنید و تلورانس‌های میدان اسکنر را در نرم‌افزار تنظیم کنید.

قبل از تحویل سلول پالت سازی خودکار به کارکنان تولید، مهندسان ایمنی باید چک لیست اعتبار سنجی ایمنی عملکردی را تکمیل و امضا کنند:

• E-توقف آزمایش مدار:هر دکمه توقف اضطراری را در HMI فشار دهید، آویزها و میله های حصار را به صورت جداگانه آموزش دهید تا پاسخ فوری خاموش شدن گشتاور ایمن را تأیید کنید.

• عملکرد اینترلاک ایمنی:بررسی کنید که باز کردن هر دروازه فیزیکی حصار فوراً حرکت ربات را متوقف می کند و از باز شدن دروازه در حین کار جلوگیری می کند.

• تأیید فاصله توقف پرده نور:آزمایش‌های نفوذ فیزیکی را با استفاده از دستگاه اندازه‌گیری زمان{0} توقف انجام دهید تا تأیید کنید که فاصله فیزیکی حداقل ISO 13855 محاسبه شده را برآورده می‌کند یا از آن فراتر می‌رود.

• تست شکست منطقی نادیده گرفتن:به طور عمدی پرتوهای پرده نور را از توالی صامت مناسب بشکنید تا تأیید کنید که سیستم باعث توقف ایمنی سخت می شود.

• بازنشانی دستی مکان را بررسی کنید:اطمینان حاصل کنید که همه دکمه‌های تنظیم مجدد ایمنی دستی کاملاً خارج از محفظه خطرناک قرار دارند، با نمای کامل و بدون مانع از کل فضای داخلی سلول.

• بازرسی علائم و هشدار تصویری:بررسی کنید که برچسب‌های ولتاژ بالا، علائم هشدار حرکت ربات، و چراغ‌های وضعیت بصری به وضوح قابل مشاهده و کاملاً کاربردی باشند.

ساخت یک سلول ربات پالت‌سازی صنعتی کاملاً سازگار و با خروجی بالا- مستلزم متعادل کردن کارایی عملیاتی با کاهش شدید خطر است.

ابتدا، ارزیابی ریسک ISO 12100 را در اوایل مرحله طرح مهندسی انجام دهید تا از طراحی مجدد سلول‌های دیرهنگام{1}}پرهزینه جلوگیری کنید. دوم، محافظ محیط فیزیکی سخت را با پرده های نور ایمنی تایید شده نوع 4 و اسکنرهای لیزری ایمنی ترکیب کنید تا نقاط ورود و خروج را ایمن کنید. سوم، همیشه حداقل فاصله های ایمنی را طبق ISO 13855 محاسبه کنید تا اطمینان حاصل شود که عملکرد توقف با سرعت برخورد انسان مطابقت دارد. در نهایت، معماری‌های کنترل ایمنی دو کانال{9} PLd/PLe دسته 3 یا 4 را از طریق PLC‌های ایمنی اختصاصی پیاده‌سازی کنید.

با ایجاد یک معماری ایمنی چندلایه و قوی، امکانات بسته‌بندی می‌توانند از پرسنل محافظت کنند، ممیزی‌های انطباق با مقررات را بدون تأخیر انجام دهند و به تولید طولانی‌مدت بی‌وقفه- دست یابند.