安全设备在焊装线人机交互过程研究应用.pdf
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1、2023年第9期2023 No.9汽车工艺与材料Automobile Technology&Material安全设备在焊装线人机交互过程研究应用魏国兴王亭力林增宇李海南马立新杨立群(一汽模具制造有限公司,长春 130013)摘要:详细阐述了汽车制造业的安全标准和风险图,分析了焊装线人机交互工位的风险等级,介绍了汽车焊装行业常用的安全光幕、安全激光扫描仪和其他安全设备的工作原理和主要参数,根据应用场景的不同,依据安全标准中安全距离的计算公式,得出了焊装线上料口和返修工位的安全距离,为焊装线体供应商及汽车生产商关于焊装线人机安全建设提供了相关参考。关键词:安全设备风险评估安全标准安全距离中图分类号
2、:U468.2+2文献标识码:BDOI:10.19710/J.cnki.1003-8817.20220337Study and Application on Safety Equipment in Human-MachineInteraction Process of Welding and Assembling Production linesWei Guoxing,Wang Tingli,Lin Zengyu,Li hainan,Ma Lixin,Yang Liqun(FAW Tooling Die Manufacturing Co.,Ltd.,Changchun 130013)Abstr
3、act:The paper described in detail safety standards and risk diagram of automobile manufacturing industry,analyzed the risk level of human-machine interaction station in the welding line,it also introduced the principle andmain parameters of safety light curtain,safety laser scanner and other safety
4、equipments.According to the differentapplication scenarios and safety distance calculation formula in safety standards,the paper derived the safety distancesof feeding port and the repair station,providing relevant reference for welding line suppliers and automobilemanufacturers on the safety constr
5、uction of human-machine interaction process.Key words:Safety equipment,Risk assessment,Safety standards,Safety distance作者简介:魏国兴(1990),男,工程师,硕士学位,研究方向为焊装制造技术。参考文献引用格式参考文献引用格式:魏国兴,王亭力,林增宇,等.安全设备在焊装线人机交互过程研究应用J.汽车工艺与材料,2023(9):67-72.WEI G X,WANG T L,LIN Z Y,et al.Study and Application on Safety Equipme
6、nt in Human-Machine Interaction Process of Welding and Assembling Production linesJ.Automobile Technology&Material,2023(9):67-72.1前言随着自动化进程的推进,人与机器相互协作的情况越来越多。一些具有潜在危险的机械设备如冲压设备、剪切设备比较容易对人员的人身造成伤害。焊装工艺在汽车制造工艺中占有重要的地位,行业内经常把焊装称为“机械裁缝”,主要负责把冲压完成的工件焊接到一起,包括点焊、弧焊、铆接、螺柱焊等,将汽车白车身主体零件进行集成。由于涉及较多的机器人作业,且人工上
7、件频繁,机械伤害的风险也随之增加,因此对于人机交互工位的安全防护格外重要。国内外的汽车制造商历来重视汽车制造过程中的安全与保护,既要能够保证安全、可靠性,又要保证灵活、易维护性,对安全设备进行正确、合理的选择和使用提出了要求1。2风险评估和安全标准汽车制造行业需要运用各种各样的设备和技术,包括有冲压设备、机器人、传送和传输装置等。这些设备根据不同的应用和其本身的风险程度,有着不同的安全要求。而标准是不同部门之第9期汽车工艺与材料间的协议,描述了制定时的最新发展水平,选择设备时,需要满足国际上最新的机械安全相关标准,标准中包含了机器人系统集成、控制系统安全以及相关电气设备的通用准则和安全要求。这
8、 些 标 准 中,比 较 常 用 的 为 ISO 13849-1:2023 Safety of machinery Safety-related parts ofcontrol systems Part 1:General principles for design,图 1 为标准附录中的风险图。EN ISO 13849中的风险等级分为a、b、c、d、e,风险由低到高。S代表伤害的严重程度,S1表示轻伤,即正常情况下能够恢复的损伤,S2表示重伤,即一些不可恢复的伤害包括死亡;F代表面临危险的频率和时间;F1表示从很少到不经常,并且持续时间很短,F2表示从经常到一直,并且持续时间很长;P代表避免
9、危险的可能性,P1 表示在特定的情况下可能,P2 表示几乎不可能。以焊装车间最常见的料口焊接工位为例,操作者将车身零件放到夹具上,夹具闭合,机器人对车身零件进行焊接,完成后夹具打开,操作者取件。在没有任何安全设备的前提下,机器人和焊钳会对操作者造成重伤和死亡,所以选择S2。车间通常单班或者双班生产,每班时间为10 h,操作者需要经常面对危险且持续时间很长,所以选择F2。机器人满负荷运动速度很快,当发生危险时,操作者几乎无法躲避其带来的伤害,所以选择P2。按照上图流程进行风险评估后,料口焊接工位的风险等级为e,是最高风险,所以对于此工位,添加必要的安全防护才能最大限度的保护操作者的生命安全。为了
10、尽可能地保护操作者免受机器操作过程中可能出现的危险,防护装置是必要的。选择适当的防护装置必须做到既不会增加风险又不会妨碍机器工作。3焊装线常用安全设备随着焊装行业的自动化水平的不断提升,机器人的普及率也越来越高。越来越多的场合开始实行了自动化生产,通过使用半自动化、自动化设备来替代以往烦杂的工序,在提高生产效率的同时也带来了安全隐患。操作人员长时间处于快速而简单的重复作业时,容易产生疲劳和松懈,出现注意力不集中,动作失调等状况。也有一部分操作人员因为不熟悉操作流程,受到机器伤害。为了避免人为失误,保护操作者人身安全,从根本上解决人机交互过程中的安全问题,本文通过确定工位的风险等级,增加必要的防
11、护措施来消除对应的风险。安全光幕和安全激光扫描仪是焊装车间常用的安全设备。3.1安全光幕安全光幕本质上是一种基于红外线传感器的高品质自动控制产品,其运用了红外线扫描探测技术。在现代化工厂中,人与机器需要协同工作,但在一些具有潜在危险的机械设备上,容易造成操作人员的人身安全问题。而安全光幕的作用就是当操作人员操作失误进入危险区域时,使机器迅速停下,达到保护人与机器正常工作的目的2。如图 2 所示,安全光幕由发射端和接收端组成。发射器和接收器间的保护区域存在平行的红外光束,用于对危险区域进行安全防护。一旦一条或多条光线完全被截断,安全光幕将通过输出信号切换信号发出信息:光线已被截断。设备控制器对信
12、号做出安全评估并停止运行。相较于安全防护门,安全光幕降低了操作人员的工作量,提高了生产效率。在操作人员送取料时,只要有身体的任何一部分遮挡了光线,就会导致机器进入安全状态而不会给操作人员带来伤害。安全光幕的主要参数包括:分辨率、保护区域高度、保护范围等。如图3所示,光幕的分辨率指传感器感应功能之间的间隙,分辨率表示安全光StartS1S2F2F1F2F1P1P2P1P2P1P2P1P2abcde图1风险图 68生产装备幕在保护区域内始终能检测到的最小物体的大小。根据保护对象的不同,可以选择不同分辨率的产品。由于各个厂家的产品不同,通常 14 mm分辨率用于保护手指,1420 mm用于保护手掌,
13、2030 mm用于保护手臂,超过30 mm用于保护人体。保护区域高度指的是安全光幕所带的测试棒能有效识别出来的区域;保护范围指的是发射器和接收器间的光路长度。而保护区宽度的最大值受设备防护范围的限制。在需要频繁介入的场合,充分考虑到物料飞溅、火花、粉尘等发散式风险后,几乎都会选择使用安全光幕作为解决方案。使用安全光幕的好处在于:电敏保护装置技术产业链成熟,产品分类明确,各类分辨率及安全性能等级均能满足要求;安全技术发展快,各个方面的改进技术不断突破瓶颈并形成规范,未来标准化道路清晰;安全光幕作为主动防御的技术,在多数情况下允许自动复位,这能够有效解决生产制造过程中的落地问题,大大降低操作复杂程
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