Светлинни (оптоелектронни) завеси и бариери за роботизирани клетки

Индустриалните роботи са фактор, гарантиращ гъвкавост и ефективност на производствените процеси в множество съвременни високотехнологични отрасли. Но наред с рекордна прецизност и производителност роботизираните системи налагат и редица критични изисквания по отношение на работната среда. Сред тях е безкомпромисното обезпечаване на безопасността както за хората, така и за оборудването в цеха. Все по-търсени в модерната промишленост стават т. нар. роботизирани клетки – цялостни системи от роботи, периферни устройства и предпазни средства, специализирани в извършването на дадена дейност (например заваряване). Някои от разработените в областта международни стандарти са ISO10218 “Роботи за промишлени условия.

Изисквания за безопасност” и по-специално “Част 2. Роботизирани системи, приложения и интеграция на роботизирани клетки”, както и ANSI/RIA15.06, който въвежда насоки за безопасен дизайн и експлоатация на индустриални роботи.

Високи изисквания по отношение на безопасността са зададени в IEC/EN 61 496 и EN 999 – норми, касаещи т. нар. светлинни, оптоелектронни или електрочувствителни защитни устройства. В тази категория попадат три основни групи предпазни средства – светлинни бариери, скенери и завеси, като ключови разлики в принципа на действие на трите вида системи няма. Отличават се основно по гъстотата на светлинната защитна решетка, която генерират. Светлинните бариери и завеси са сред най-популярните решения за обезпечаване безопасността на индустриалните роботи и роботизираните клетки в съвременните производства.

Тяхна основна характеристики е функцията за стопиране, която се изразява в необходимото време за спиране на опасното движение на робота от момента, в който сензора на оптоелектронното устройство е задействан. Критерий за задействането на тази функция обикновено е наличието на непрозрачен обект в зоната на защитната решетка, например ръка или пръст.

Специфики на роботизираните клетки

Роботизираните клетки представляват система от машини, интегрирани в автоматизирани работни станции заедно с един или повече програмируеми роботи. Освен робот, клетката включва контролер и други периферни устройства като системи за позициониране на детайли и предпазни средства. Основна цел на роботизираните конфигурации е да опростят работния цикъл, да го съкратят и да оптимизират производителността на оборудването, повторяемостта на операциите и/ли качеството.

Работните клетки се отличават с високо ниво на автономност, като обикновено са в състояние да функционират напълно самостоятелно (без нужда от намеса на оператор) в режим на нощни смени, през уикендите и т. н. И макар обикновено да изискват сравнително по-висока първоначална инвестиция, роботизираните станции позволяват кратък период на възвръщаемост (в някои случаи по-малък от година), който е особено важен в малките и средните производствени предприятия.

Сред дейностите, които подлежат на автоматизиране и оптимизиране посредством роботизирани клетки, са: обслужване на металорежещи и металообработващи машини с ЦПУ, асемблиране, палетизиране, заваряване и др. Те намират приложение в множество отрасли, сред които: машиностроене, автомобилостроене, космическа промишленост и т. н.

Освен подобрена прецизност и надеждност на работа, роботизираните клетки гарантират още висока ефективност и изключителна гъвкавост – една конфигурация в експлоатация обикновено трябва да бъде просто препрограмирана, за да се адаптира към ново приложение, без нужда от сериозни структурни промени. Предимство е и фактът, че един робот може да обслужва повече от една работна станция. Ролята на системния интегратор тук е да проектира клетка с оптимален дизайн, така че не само безопасността на оператора да е гарантирана напълно, но и пространството да бъде максимално добре оползотворено.

В зависимост от приложението на клетката в нея се интегрират различни типове роботи. Антропоморфните системи са най-популярни, тъй като (подобно на човешката ръка) имат висока степен на свобода и гъвкавост при движение. Те са способни да манипулират с тежки обекти, както и да извършват сложни действия, включително такива с голям обхват на досег. В приложения, при които ключова е не свободата на движение, а скоростта, често се залага на SCARA роботи, чиято товароносимост обаче е ограничена до по-леки и компактни изделия. Такива са монтажните етапи на автоматизираните производства.

В някои роботизирани клетки изборът попада върху т. нар. делта роботи, които са отличен избор за pick-and-place операции, високоскоростно манипулиране и прецизна работа с дребни и леки детайли. Популярно решение в много индустрии са и работните клетки с интегрирани коботи, понякога оборудвани с две рамена, които могат да функционират наред с човек оператор. Поради присъщия им колаборативен характер, те обикновено не налагат използването на предпазни средства като оптоелектронни завеси и бариери, какъвто е случаят при конвенционалните индустриални роботи.

Част от оборудването на една роботизирана клетка могат да бъдат модерни 2D и 3D системи за машинно зрение, както и високотехнологични решения за автоматизирана визуална инспекция с алгоритми за изкуствен интелект, които помагат на робота освен да “вижда” и да “мисли” самостоятелно. С помощта на такива технологии роботът може автономно да борави с изделия с различни размери, цвят, форма и позиция, такива с баркодове и други средства за визуална идентификация, да повдига детайли (съхранявани насипно в плитки контейнери или колички) и да ги зарежда в обработваща машина.
Решения за безопасност

В роботизираните клетки типично се извършват потенциално опасни за човека дейности, като високите скорости и натоварвания, постигнати с помощта на средствата за автоматизация, допълнително увеличават здравните рискове. Ето защо неизменна част от проектирането на една роботизирана работна станция е обезпечаването на нейната безопасност и сигурността на операторите при извършването на операции като зареждане/разтоварване или поддръжка на машините и роботите. Сред най-популярните предпазни средства са конвенционалните стационарни огради и подвижни заграждения, т. нар. активни подови покрития (safety mats), вратите със специализирани системи за контрол на достъпа, лазерните скенери, видеокамерите, светлинните бариери и завеси и т. н. Новости в сегмента са триизмерните радарни системи, проектирани специално за роботизирани клетки. Най-общо, предпазните средства могат да бъдат подразделени на два типа: физически бариери (метални конструкции, които ограждат цялата работна зона и могат да бъдат преминати само през специален вход, свързан с функция за временно деактивиране на робота и машините вътре) и светлинни устройства, стратегически разположени в работната зона на клетката. Сензорите на последните регистрират наличието на чужд обект в обхвата на действие и изпращат сигнал към контролната система да забави или спре робота (и цялото оборудване в клетката) в зависимост от това колко близо до опасната зона се намира обектът. Обикновено тези системи разполагат и с функция за автоматично рестартиране на работата при достатъчно отдалечаване на обекта.

Основни предимства на оптоелектронните устройства са удобството и изцяло автоматичното действие при активиране и деактивиране на предпазната система и оборудването, както и елиминираната необходимост от допълнителни физически усилия за отваряне на врати, преместване на заграждения и т. н.

При физическите предпазни средства обикновено е необходимо цялостно спиране на робота и последващо рестартиране на работния цикъл. Оптоелектронните защитни устройства, от друга страна, могат да бъдат свързани с контролера така, че при необходимост само да поставят робота в режим на изчакване докато операторът взаимодейства с клетката и автоматично да подновят работата му впоследствие. Различните режими на работа обикновено са комбинирани със съответната светлинна и звукова сигнализация. Оптоелектронните системи могат да включват единичен лъч или множество успоредни такива с различни разстояния помежду си, образуващи своеобразна преграда между работната зона на робота и останалата част на помещението. Те могат да бъдат използвани както самостоятелно, така и в комбинация с други физически и електронни средства за периметрова защита и контрол на достъпа.

Принцип на действие

Както светлинните бариери, така и светлинните завеси използват оптични предаватели и приемници. Предавателите излъчват инфрачервени лъчи към приемниците. Когато лъчът бъде прекъснат, се изпраща сигнал за задействане на стопиращата функция, преустановяваща работата на робота и другото оборудване в автоматизираната клетка. Както вече стана ясно, принципна разлика в начина на действие на оптоелектронните завеси и бариери няма, те се отличават по гъстотата на генерираната решетка. Типично една светлинна завеса се състои от множество успоредни лъчи, разположени в близост един до друг, докато светлинните бариери са съставени от 1 до 4 лъча. Най-гъсти са решетките на завесите, проектирани за детекция на пръсти, навлизащи в работната зона на роботизирана клетка, като 14 mm е стандартна резолюция при такива системи. При завеси, предназначени за регистриране наличието на ръце в опасната зона, резолюцията обикновено е от порядъка на 30 mm. Светлинните бариери пък се отличават с отстояние между лъчите от 20 до 50 cm. Типични приложения на светлинните завеси, използвани за защита на пръстите и ръцете на оператора при работа с различни машини, са електромеханични и хидравлични преси, формовъчни преси, щамповъчно оборудване, автоматизирана монтажна техника и т. н.

Изборът между оптоелектронни завеси или бариери за дадено приложение се свежда до наличното безопасно пространство около роботизираната клетка, обсега на робота, цената и т. н. При малка площ на опасната зона и необходимост от монтаж на оптоелектронното устройство на по-малко разстояние от източника на риск обикновено се залага на светлинна завеса. При зони с голяма площ и голям обхват на роботизираната система пък типичният избор е светлинна бариера.

И двата типа решения обикновено се характеризират като “проходима” защита, тъй като (за разлика от физическите ограждения) могат да бъдат преминати при изключване на защитния режим. Популярни приложения на електрочувствителните предпазни устройства са и роботизирани клетки, в които са организирани входно-изходни точки за въвеждане на материали и извеждане на поток от готови изделия посредством транспортни ленти.

Основна характеристика, по която се отличават различните системи на пазара, е времето им за отговор или за задействане на функцията за стопиране на оборудването при засичане на обект в работния обхват. Колкото по-бързо реагира една оптоелектронна завеса или бариера при прекъсване на инфрачервения лъч, толкова по-адекватна защита осигурява. Има и друг фактор, определящ функционалността на различните типове системи и той е свързан с дълбочината, на която трябва да навлезе даден обект в опасната зона (т. нар. Depth Penetration Factor), за да се задейства стопиращата функция на системата. При конфигурирането на оптоелектронното устройство се задават различни стойности на минимална защитна дистанция в зависимост от приложението.

Насоки при проектиране

При проектирането на електрочувствителни защитни устройства за роботизирани клетки е необходимо да се спазват някои общи принципи за безопасност, както и изискванията на приложимите в областта стандарти и директиви. Важно е решението за обезопасяване на клетката да отчита всички аспекти по отношение на машинната безопасност на отделните й елементи, както и номиналните му характеристики (обхват, площ, размери и други специфики) да бъдат съобразени с конкретното приложение. Ключова задача е идентифицирането на работната зона според обхвата на робота и основните рискове за персонала според наличното оборудване, например от сблъсък с робота, удар и т. н. Необходимо е още да бъдат отчетени разстоянията, които се считат за безопасни при преминаване около оптоелектронната завеса или бариера, както и оптималните точки за позициониране на чувствителните елементи на системата. Най-общо, чувствителното поле на бариерата не бива да е на разстояние, по-малко от 10 cm от опасната зона, а най-често се предвиждат поне 30 cm.

Ако до зоната на риск може да бъде достигнато чрез протягане над, под, около или през светлинната завеса, типично се предвижда по-голяма гъстота на решетката и/ли допълнителни предпазни средства. Друго задължително условие за безпроблемна работа на системата при ръчно рестартиране на клетката е превключвателят, чрез който се извършва то, да бъде позициониран извън периметъра на предпазната система, както и да разполага със защита от неоторизирано или случайно задействане.

Роботизираните клетки осигуряват висока гъвкавост и голям обхват на движение за приложения, които стандартно изискват допълнителни средства за периметрова защита. Основните съображения при проектирането на една такава клетка са свързани генерално с избора на тип и модел робот, който осигурява достатъчен обхват и товароносимост според задачите, които предстои да изпълнява. Традиционно се залага на комбинация от физически ограждения и светлинни бариери и/или завеси, които се монтират извън работната зона на робота. Ако който и да елемент от рамото или манипулатора на робота може да напусне организираната зона на безопасност, е налице непосредствен риск за персонала и оборудването. При ограничено пространство е популярна практика да се монтират механични ограничители на робота, които лимитират движенията му.

Оптоелектронните системи за защита обикновено се състоят от три основни компонента – чувствително устройство (сензор), средство за управление и мониторинг и превключвател (например контролно реле). Защитната “стоп” функция на бариерата или завесата се задейства тогава, когато светлинният лъч или решетка биват прекъснати от навлизането на обект в зоната им на обхват. При такъв сценарий контролерът най-често прекъсва подаването на енергия към робота и останалото оборудване в клетката, а условие за възобновяване на работата им е ръчна команда чрез задействане на съответния “reset/restart” бутон или превключвател.

Възможно е задаването и на режим на изчакване с автоматично подновяване на работата на роботизираната клетка при съответните предварително зададени разстояния на отдалечаване на оператора или съответната част от тялото му (ръка, пръст), която е навлязла в опасната зона. Допълнителна степен на сигурност може да бъде реализирана чрез организирането на независими вериги на безопасност посредством успоредно свързване на отделните устройства, което предотвратява рисковете за цялата система при неизправност на единичен компонент. За оптимални резултати при свързване на оптоелектронната завеса към веригите на съответната роботизирана клетка е препоръчително да се отчетат инструкциите на производителите на отделните машини.

Допълнителни съображения за сигурност

Голяма част от инцидентите, свързани с роботизирани клетки в производството, възникват при неволно рестартиране на работата на оборудването по време на регулярна поддръжка или отстраняване на текущ проблем. Т. нар. “реенергизиране” на клетката или възобновяване на подаването на енергия към робота и машините е препоръчително да бъде извършвано ръчно от оператор посредством контролен панел, снабден със съответната защитна система (ключ, код и т. н.), за да се предотврати нежеланото или неоторизирано задействане на “рестарт” командата. Важно изискване е контролният панел да бъде монтиран извън работната зона на клетката на място, което позволява пълна видимост към цялата клетка и всички входно-изходни точки. Допълнително средство за сигурност, често използвано в комбинация със светлинните завеси и бариери за роботизирани клетки, са т. нар. активни или чувствителни подови подложки, които реагират (изпращат сигнал към контролера за задействане на “стоп” функцията) при регистриране на човек, стъпил върху тях.

Оптоелектронните защитни устройства работят с инфрачервени лъчи, невидими за човешкото око. Ето защо е препоръчително тези системи да бъдат съчетавани и с визуална индикация за наличието на бариера (например парапети или окачени вериги), както и с оцветяване на опасната зона в ярък цвят според приложимите цветови схеми (най-често в жълто или оранжево). На определените за целта места се поставят информационни табели или предупредителни знаци.

Самите електрочувствителни бариери или завеси разполагат и със светлинни индикатори за статус, които показват в какъв работен режим са, а често – и със звукови аларми. Комбинацията от тези средства гарантира, че дори при влошаване на видимостта персоналът ще бъде навременно уведомен за непосредствената опасност. Важна препоръка е оптоелектронните бариери и завеси да бъдат използвани само в зони или помещения, в които не са налице съществени рискове функционалността им да бъде компрометирана от дим или запрашаване.