МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ОПАСНОСТЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РОБОТИЗИРОВАННЫХ

13.6.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ЗАЩИТЫ ЧЕЛОВЕКА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ОПАСНОСТЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ РОБОТИЗИРОВАННЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ СИСТЕМ

В зависимости от условий взаимодействия человека с ПР или роботизированной системой различают три вида потенциальных опасностей, обусловливающих применение тех или иных методов и средств защиты. К первому виду потенциальной опасности относится динамическое воздействие на человека (толчки, удары и т. п.) исполнительных устройств или других движущихся механизмов, деталей ПР или роботизированных систем, в результате непредусмотренных процессом неожиданных форм освобождения энергии и воздействия ее на человека. Ко второму виду потенциальной опасности относится механическое воздействие на человека (захваты, прижимы, сдавливания и т. п.) исполнительных устройств или перемещающихся относительно друг друга механических элементов, отдельных узлов ПР или других компонентов системы, возникающие из-за конструктивных особенностей, расположения осей движения ПР в различных системах координат, а также непреднамеренных (ошибочных) действий оператора.

К третьему виду потенциальных опасностей относятся факторы, присущие традиционным нероботизированным процессам: электрический ток, электрический удар, электродуга, радиация, высокие или низкие температуры, раскаленные предметы, вредные химические вещества и т. д.

К основным (типичным) источникам возникновения ОС, КС и АС при эксплуатации роботов или роботизированных систем относятся отказы в системе контроля и управления, в работе технологического оборудования, возникающие в результате нарушения условий эксплуатации или ненадежности отдельных узлов ПР, роботизированной системы, а также неправильные (ошибочные) действия человека. Другими причинами отказов в системе контроля и управления могут быть ошибки программирования, электропомехи, неполадки гидравлических, пнев-матических или электрических систем, радиопомехи, условия эксплуатации (повышенная влажность, повышенное содержание в производственной среде пыли, металлических опилок, соли, песка, агрессивных аэрозолей и т. п.).

Источники опасных производственных факторов могут быть заложены в технологическом процессе, могут возникать при его изменении, использовании других видов оборудования, в процессе программирования, обучения, наладки, ремонта ПР или роботизированных систем.

Для защиты человека от опасностей применяются два основных метода, предусматривающие обеспечение невозможности проникновения человека в рабочую зону при наличии источников опасности, представляющих реальную угрозу для его жизни или здоровья; применение специальных приспособлений и устройств, непосредственно защищающих человека от любой идентифицированной опасности, представляющей реальную угрозу для его жизни или здоровья.

Первый метод состоит в разработке, выборе и применении ограждающих, блокирующих, предупреждающих, сигнализирующих устройств или систем, обеспечивающих недоступность человека к опасному промышленному объекту, узлу, участку и т. п.

Второй метод основан на принципе безопасного взаимодействия человека с ПР, роботизированными системами или отдельными их частями при наличии источников опасности с помощью систем дистанционного управления или устройств, автоматически отключающих источники энергии или останавливающих движение исполнительных механизмов и других элементов ПР или систем при появлении человека в границах рабочей зоны.

Выбор метода и устройств, защищающих человека от опасностей роботизированных систем, требует не только высокого уровня знаний от конструктора, проектировщиков и инженерного персонала, создающего роботы, но и учета поведенческих реакций обслуживающего ПР персонала. Дело в том,* что в ряде случаев обслуживающий ПР или роботизированную систему персонал не осознает полностью того, что ПР — это не просто одна из разновидностей машин или оборудования, а многофункциональный перепрограммируемый автомат с нестандартными или нестационарными траекториями движения исполнительных элементов и других узлов. Из-за часто повторяющихся монотонных действий автоматизированного кон-троля за точностью движения и качеством выполнения технологических операций со стороны управляющей системы у обслуживающего роботизированную систему персонала в ряде случаев наблюдается притупление внимания, потеря осторожности и недооценка величины потенциальной опасности, создаваемой ПР.

При выборе средств защиты необходимо учитывать, что создаваемые в настоящее время ПР или роботизированные системы еще в течение длительного периода будут относиться к разряду «бесчувственных автоматов», не имеющих возможности «самостоятельно», в зависимости от ситуации, избегать контактов с человеком. Необходимо также иметь в виду способность выбранных систем надежно защищать человека не только от его собственных ошибок, но и неполадок (отказов) в работе машинных систем. Эффективной системой или средством обеспечения безопасности следует считать такую систему или средство, которое в реальных производственных условиях позволяет обслуживающему персоналу находиться в рабочей зоне ПР или системы без риска травмирования при возникновении машинных отказов или ошибок оператора.

Очевидно, что максимальная эффективность выбранного средства или системы защиты от опасности может быть достигнута при соблюдении двух условий: наличии информации о возможностях и пределах, в которых обеспечивается безопасность данной системы, выполнении требований технологического регламента и правил эксплуатации ПР или системы.

Любая система обеспечения безопасности состоит из трех одинаково важных подсистем или устройств: 1) подсистемы обнаружения человека в опасной близости к ПР, исполнительным механизмам, движущимся, перемещающимся узлам, частям системы; 2) подсистемы контроля, включающей предупредительную сигнализацию и устройства передачи командных сигналов на включение исполнительных элементов, ограничивающих скорость движения, останавливающих его тормозных систем и т. п.; 3) подсистемы исполнительных устройств, отключающей источники энергопитания и тормозных устройств для остановки движения руки (плеча), робота, захватов.

Эффективному решению задач защиты человека от механических опасностей при эксплуатации ПР или роботизированных систем предшествуют операции определения границ опасной зоны или пространства, в котором

происходит выполнение технологических операций, перемещение движущихся частей, элементов, исполнительных устройств; операция определения границ (габаритных размеров) рабочей зоны или пространства, передвижение человека в которой или выполнение им необходимых для работы действий обеспечивает безопасность. В отличие от возможных движений в понятие необходимых движений включаются только те, которые ограничены перечнем применительно к конкретным производственным условиям (роботу, системе и т. п.) и за пределами которых безопасность не может быть обеспечена. В большинстве случаев применяемые сегодня средства защиты представляют собой системы или устройства, искусственно ограничивающие или не допускающие возможные движения, перемещения или действия человека в опасной зоне ПР или системы (рис. 13.8). Механические средства защиты или ограждения рабочей зоны могут быть выполнены на основе устройств, в которых использованы различные контактные, силовые, ультразвуковые, индукционные, светолокационные и другие датчики. К числу устройств относятся трапики, контактные коврики, переходные мостики, буфера и барьеры.

К наиболее распространенным средствам защиты относятся механические ограждения (решетки, панели, барьеры ит. п.) с блокирующими устройствами, исключающими возможность проникновения человека в опасную зону при работе робота. На рис. 13.9 приведено решетчатое ограждение опасной зоны с установкой конечных выключателей на входной двери. При открывании двери конечные выключатели размыкают электрическую цепь энергопитания, что приводит к остановке робота. Для исключения возможности проникновения в опасную зону робота случайных лиц входные двери оснащают кодовыми замками, а обслуживающему робот персоналу выдают специальные ручки или ключи для открывания дверей. Высота ограждающих решеток или панелей обычно составляет не менее двух метров от уровня пола. Расположение ограждения по периметру рабочей зоны должно обеспечивать свободный проход вокруг ограждения, а внутри рабочей зоны — достаточное расстояние (600 мм) между опасной зоной ПР и ограждающей решеткой. Конструкция дверей должна предусматривать открывание их наружу. Транспортная система, зона загрузки и выгрузки изделий также должны ограждаться по периметру.

Рис. 13.8. Средства защиты, ограничивающие или исключающие перемещения и действия человека в опасной зоне ПР или РТК: а — система с разделением опасной зоны ПР на секторы с использованием телекамеры и средств аварийной остановки; б — система с использованием ультразвуковых эхолокационных датчиков; в — система аварийной остановки с использованием светолокационных завес или стоек; г — система с использованием микроволновых датчиков; д — система с использованием датчиков инфракрасного излучения; е — контактный коврик, дорожка, мат с устройством аварийной остановки при появлении на нем человека

Недостатком ограждений этого типа является невозможность защиты человека при нахождении его внутри ограждения, например, при программировании, установке, обучении, наладке и профилактическом обслуживании. Кроме того, этот тип ограждения может сам формировать опасность при расположении его в непосредственной близости от рабочей зоны ПР. Одним из^основных требо-ваний к таким ограждениям является возможность быстрого выхода рабочего за пределы зоны ограждения в случае необходимости.

Использование для ограждения рабочей зоны светолокационных, емкостных, ультразвуковых устройств уменьшает опасность формирования ОС, КС и АС по сравнению с ограждением робота металлической решеткой, хотя также не обеспечивает защиты человека при нахождении его в рабочей зоне.

Исходя из требований малой стоимости при высокой эксплуатационной надежности в качестве устройств, обеспечивающих безопасность процесса, можно рекомендовать различные виды конечных, сегментных выключаталей, двух-, трехконтурные переключающие контакты — выключатели мгновенного или замедленного действия, командные кулачки или кулачковые планки для управления ползунами сегментных конечных выключателей, а также различною виды гидравлических промышленных амортизаторов, обеспечивающие мгновенную остановку, контролируемое торможение и приведение движущихся частей ПР или системы в состояние покоя при необходимости срочной остановки.

В ЭНИМСе разработано светозащитное устройство в модульном исполнении с применением светолокационных датчиков. Оно обеспечивает эффективную защиту человека

при различных компоновках РТК (рис. 13.10). В устройство входят стойки светоизлучателей и фотоприемников, применяемых попарно, а также блок логических преобразователей (БЛП). В стойке светоизлучателя имеются излучатель (типа РФ8411), сигнальный светофор и кнопка сброса. Стойка фотоприемника кроме приемника (типа РФ8421), сигнального светофора и кнопки сброса содержит блок усиления выходного сигнала. Стойки излучателей фотоприемников предназначены для регистрации момента появления человека в соответствующей зоне рабочего пространства ПР.

Рис. 13.9. Решетчатое, сетчатое, стационарное ограждение рабочей зоны ПР, РТК (а) и схема электроблокировки дверей (б)

Рис. 13.10. Типовые планировки РТК с размещением на них светолокационных стоек:
I — основное технологическое оборудование; 2 — промышленный робот, 3 — излучатель; 4 — приемник

Блок логических преобразователей преобразует сигналы фотоприемников и сигналы, характеризующие местонахождение ПР в соответствии с применяемой схемой РТК, вырабатывает командный сигнал аварийной остановки ПР и сигнал сброса этой команды. Информация

о местонахождении ПР поступает на БЛП с бесконтактных микровыключателей, расположенных на монорельсе вдоль всего рабочего пространства ПР. Максимальное число анализируемых точек нахождения ПР равно 12. БЛП представляет собой навесной блок с разъемами для подключения стоек светоизлучателей и фотоприемников (до 10 пар), а также бесконтактных микровыключателей типа БВК (до 12), с входным разъемом питания, источник которого находится в шкафу электроавтоматики, и выходным командным разъемом, связывающим БЛП с системой ЧПУ модели УПМ-331. Чтобы изменить логику преобразования сигналов БЛП в соответствии с требуемой компоновкой РТК, необходимо заменить печатные платы БЛП.

Светозащитное устройство работает следующим образом. Входя в опасную зону рабочего пространства, человек пересекает световой луч; при этом зажигаются лампочки-светофоры стоек, ограничивающих зону. Если ПР находится в указанной зоне либо входит в нее, что регистрируется соответствующими бесконтактными выключателями, то формируется команда аварийного торможения и выключения ПР, которая поступает с БЛП в устройство ЧПУ, прекращая движение ПР. При необходимости оператор может дать разрешение на отработку прерванной программы, нажав на одну из кнопок «Сброс», находящихся на стойках, ограничивающих опасную зону работ ПР. Опыт промышленной эксплуатации светозащитного устройства на Московском электромашиностроительном заводе «Динамо» им. С. М. Кирова показал его высокую эксплуатационную надежность.

Для повышения безопасности обслуживающего персонала предусматриваются дополнительные защитные устройства, например выдвижные упоры, которые располагают на каретке по границе зоны станков РТК. Эти упоры могут выдвигаться по команде оператора или по сигналу светозащитного устройства при появлении в данной зоне человека и препятствуют перемещению ПР в эту зону. При этом могут использоваться и другие дублирующие устройства, обеспечивающие безопасность. Например,

с помощью устройств для контроля отработки управляющей программы (УП), разработанных в ЭНИМС, проверяется правильность выполнения ПР заданных перемещений.

Способы этого контроля определяются конструкцией ПР, используемым типом привода и системы управления. В ПР со следящим приводом контроль УП обеспечивается датчиками обратной связи. В ПР с разомкнутой системой управления могут применяться различного рода устройства контроля правильности обработки геометрической информации.

В том случае, когда ошибка позиционирования накапливается постепенно, например в результате каких-либо систематических погрешностей в работе устройства ЧПУ, применяют контроль позиционирования ПР в особых точках внутри автоматизированного комплекса. Как правило, такие точки связаны с размещением отдельных единиц основного и вспомогательного технологического оборудования, например точка исходной позиции перед сканированием пространства тары при адаптивном разборе навала, исходная позиция перед заходом в станок при его загрузке (выгрузке) и т. п. При малом числе контрольных точек (2—3 по каждой координате) используют специальным образом настроенные предельные выключатели, располагаемые на самих ПР. Увеличение контрольных точек приводит к необходимости размещения чувствительных элементов в пределах всего РК.

Устройства контроля параметров взаимодействия со средой обеспечивают сокращение тяжести последствий аварийных ситуаций. Эти устройства должны осуществлять аварийную блокировку работы ПР при воздействии на отдельные его элементы предельных усилий со стороны обслуживаемого оборудования. Для этого в основном используют силовые (моментные) датчики. В зависимости от конструкции ПР могут быть применены и другие, более простые устройства.

Захватные устройства часто оснащают защитными скобами, представляющими собой тактильные датчики на основе микропереключателей, срабатывающие при контакте захвата с препятствием на пути его перемещения.

Помимо вышеописанных устройств, на общие показатели эксплуатационной надежности и безопасности работы влияет степень приспособляемости ПР к изменяющимся параметрам внешней среды, т. е. доля адаптивного управ-ления в общем времени управления и развитость информационного оснащения. Адаптивное управление, особенно на входных позициях роботизированных комплексов, позволяет избежать аварий и поломок при неточном позиционировании заготовок на входе участка, а также при отклонениях формы и размеров заготовок.

С помощью устройств для контроля параметров заготовок, захватываемых рукой ПР, и для фиксирования препятствий при ее перемещении с заготовкой осуществляют аварийную блокировку работы ПР. При воздействии усилий на отдельные его части или узлы, превышающих предельные, используются различные типы силовых (моментных) датчиков.

На показатели эксплуатационной надежности и безопасности РТК влияют продолжительность работы ПР в адаптивном режиме при изменении параметров заготовок и появлении препятствий на пути, а также степень информационного оснащения. На начальных позициях РТК адаптивное управление позволяет избежать аварий и поломок в случае неточного позиционирования заготовок, при больших припусках на их размеры и т. п.

Автоматизированная система диагностирования работоспособности ПР и роботизированных систем позволяет предотвратить возникновение ОК, КС и АС. Для этого ПР, РТК оснащаются сложной информационной системой, включающей в себя датчики различных типов, регистрирующие давление в гидро- и пневмосети, уровни питающих напряжений, положение управляемых координат технологического оборудования, режимы работы и работоспособности устройств ЧПУ и т. п. Дискретные сигналы датчиков (постоянного тока напряжением 24 В) поступают на отдельный пульт оператора, имеющий развитую систему индикации, которая позволяет ему быстро находить неисправность.

Информационные потоки сведены в технологические (поток п-го станка) и функциональные (питающее напряжение, параметры‘гидросистемы и т. п.) группы. Предусмотрена возможность блокировки потоков отдельных технологических групп при необходимости проведения оператором профилактического осмотра, ремонта и переналадки данного оборудования без прерывания работы всего РТК. Информационная система имеет модульное исполнение, что позволяет реализовать любую планировку РТК.

В динамический контроль правильности наладки УП входят изменение времени реализации перемещений и сравнение его с предельно допустимым, а также оценка конечного состояния РТК после отработки каждого кадра УП и сравнение его с заданным.

В качестве примера разработки эффективной системы обеспечения безопасности работы оборудования РТК может служить автоматизированный на основе робота участок для листовой штамповки деталей вагонов, созданный на Рижском вагоностроительном заводе.

РТК включает кривошипный пресс закрытого типа КА5530 усилием 1000 кН, робот МТЕ-55, оснащенный пневматической позиционной системой программного управления «Дрелоба», листоподатчик для поштучной выдачи тонколистовых стальных заготовок размерами 280 x 440x1 мм на позицию захвата их рукой робота из пачки заготовок, предварительно уложенных в поддон, и ^устройство для укладки отштампованных изделий. Рука робота оборудована электромагнитным захватом, обеспечивающим захват только одной листовой заготовки.

Установленный на участке РТК пресс оснащен устройством управления БУБ-1, в котором предусмотрены блокировка, исключающая сдваивание ходов пресса, блокировка включения привода пресса в случае нарушения согласованной работы вентилей или при несрабатывании одного из пневмоклапанов; блокировка, не допускающая работы пресса при пониженном давлении в пневмомагистрали; защита электрооборудования и схемы управления от токов короткого замыкания; защита двигателя главного привода от перегрузки; нулевая защита схемы управления прессом. Кроме того, в системе управления прессом дополнительно используется фотоэлектрический датчик типа РФ 1-3 для световой автоматической защиты персонала от травм. При помощи трех лучей создается световая защита — завеса шириной 150 мм в опасной зоне машины. При пересечении рукой оператора световой защитной завесы датчик подает сигнал на отключение муфты пресса. Эта защита рабочей зоны используется для обеспечения безопасности перемещения руки робота в рабочую зону пресса. Параллельно предусмотрена система защиты, включающая пневматический концевой выключатель типа В79-11, установленный на станине пресса и фиксирующий верхнюю точку остановки его ползуна; этот датчик включен в систему управления робота. Электрический выклю-чатель типа ВПК-211292, контролирующий нахождение руки робота в заднем (исходном) положении, включен в систему управления прессом. Сигналы от указанных концевых выключателей используются для подтверждения команд, вводимых при программировании работы участка. Концевой выключатель, установленный на прессе, дает команду на размещение перемещения руки робота в рабочую зону пресса, а конечный выключатель, установленный на роботе, разрешает рабочий ход ползуна.

Для контроля состояния внешней среды используются бесконтактный датчик с магнитоуправляемыми контактами, контролирующий наличие заготовки в позиции захвата ее рукой робота и установленный на листоподат-чике, и такой же датчик, контролирующий наличие заготовки или отштампованной детали, смонтированный в захвате руки робота. На роботе закреплен также контактный датчик контроля захвата рукой робота нескольких слипшихся заготовок. Наличие этих датчиков исключает возможность укладки в штамп пресса нескольких заготовок одновременно, подачу листовой заготовки в штамп, в котором находится отштампованное изделие, а также холостые ходы робота и другого оборудования РТК в случае незахвата заготовки рукой робота на позиции выдачи заготовки листоподатчиком.

В момент начала работы комплекса в автоматическом режиме рука робота перемещается в горизонтальной плоскости вперед (-fx) в направлении к листоподатчику (рис. 13.11). Разрешение на перемещение руки робота дает датчик контроля наличия заготовки (ДКЗЛ), установленный в листоподатчике. На позиции захвата заготовки рука опускается вниз (—у), включаются обмотки электромагнитных элементов захвата, захватывает листовую заготовку (3) и с заготовкой поднимается вверх (+у). В этом положении бесконтактный датчик с магкито-управляемыми контактами (ДКЗ) контролирует наличие листовой заготовки в захвате.

Если заготовка не захвачена, то рука робота возвращается в исходное положение, и цикл начинается сначала. Это обеспечивается наличием в системе управления роботом элементов ИЛИ, входы которых при программировании соединяются с выходами задатчика команд, а выходы — со входом соответствующей команды. Если захват заготовки произошел, сигнал управления дает команду на выполнение следующего перемещения руки робота,

т. е. перемещения назад в исходное положение (—х). В этом положении руки робота датчиком контроля количества заготовок (ДККЗ) в захвате контролируется число захваченных заготовок. Возможен захват нескольких тонких заготовок из-за их слипания при наличии кон-сервационной смазки или заусенцев, образующихся по краям заготовок при резке. ДККЗ выполнен в виде двух рычагов, один из которых неподвижно закреплен на станине робота, а другой шарнирно прикреплен к неподвижному рычагу. На концах рычагов смонтированы вращающиеся ролики. На неподвижном рычаге установлен микровыключатель, включенный в систему управления робота и коммутирующий пневматическую цепь системы управления роботом, а на шарнирно закрепленном рычаге имеется винт, взаимодействующий при повороте этого рычага с флажком микровыключателя. Если захвачена только одна заготовка, то в заднем исходном положении руки робота конец заготовки свободно проходит между роликами рычагов датчика, зазор между которыми соответствует толщине заготовки. Датчик не срабатывает, сигнал управления поступает на выполнение следующего перемещения руки робота — ее поворота (+ф)- Если захвачено несколько заготовок, то в заднем исходном положении руки робота пакет слипшихся заготовок, взаимодействуя с роликами рычагов, поворачивает шарнирный подпружиненный рычаг, винт которого нажимает на

флажок микровыключателя и система управления переключается на выполнение подпрограммы: рука робота возвращается в исходное положение на начало цикла. Одновременно происходит сброс слипшихся заготовок в предназначенный для этого поддон. После поворота руки на угол ф, в случае, если робот захватил одну заготовку, рука перемещается вперед (+х), опускается (—у) и укладывает заготовку на матрицу штампа, затем рука поднимается (-\-у) и выводится из штампового пространства пресса в крайнее заднее исходное положение (—х). Электрический концевой выключатель, установленный на роботе, коммутирует цепь управления прессом, давая разрешение на прохождение команды пуска ползуна (ПП) пресса вниз через его реле (РПП) для выполнения штамповой операции. После штамповки и подъема ползуна в крайнее верхнее положение пневматический концевой выключатель реле блокировки робота (РБР) коммутирует цепь управления роботом и дает разрешение на выполнение следующего движения руки, а именно, введение ее в зону штампового пространства (+х), опускание на матрицу с отштампованной деталью (—у), затем подъем (+у), выведение назад (—х) с одновременным захватом детали электромагнитным устройством. В этот момент контролируется наличие детали в захвате датчиком.

Если деталь не захвачена, все оборудование РТК останавливается. После захвата рукой робота отштампованной детали производится сброс ее в поддон и поворот руки в исходное положение (—<р). Эксплуатация оборудования РТК листовой штамповки деталей вагонов показала, что система защиты и контроля обеспечивает безаварийную работу оборудования комплекса и расширяет область использования серийных роботов за счет возможности перехода на выполнение подпрограмм.

Рис. 13.11. Схема последовательности выполнения команд, обеспечивающих безопасность работы РТК для листовой штамповки деталей на Рижском вагоностроительном заводе (ПП — пуск ползуна; РПП — реле пуска ползуна)

содержание .. 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 ..