光幕上屏蔽功能的规范和使用

作者：Scott Orlosky

光幕是一种方便且不显眼的自动化安全组件，用于保护机器和减少事故。在许多情况下，光幕可以补充甚至取代链式围栏和其他硬性机械防护，同时赋予额外的系统功能。实际上，许多机器维护工作（如将原料装入机器和在机器输出端卸下成品）只有在使用光幕的情况下才能实现。这些安全组件的适应性也适合在有制造人员的工作单元附近操作传统工业机器人，可以大大降低受伤的风险。

图 1：只要正确安装、定期检测并正确操作，光幕就是一种简单、实用的保护工人免受伤害的组件。本图中展示的是一对黄色的光幕柱，隐藏在一个透明的亚克力窗格后面，这个窗格在实际应用中是不存在的。（图片来源：Design World）

正如之前 Digi-Key 关于光幕基础知识和基本参数的文章中所提到的，屏蔽只是设计过程中需要指定的众多设置之一。其他相互关联的光幕参数包括分辨率、定位、停止距离、EN ISO 13849-1 类型分类，以及用于周界控制的镜像。

光幕屏蔽的设置、操作和测试

初始设置和校准对正确的光幕操作至关重要。为了促进这一安装过程，如今大多数光幕制造商均将在组件上集成了 LED。这些红绿相间的 LED 工作原理很简单，当发射器幕与接收器幕正确对准时发绿光，未对准需要进一步调整时发红光。安装人员应确保：

· 与所有光幕活动区域相关的所有 LED 灯都在发绿光（表明它们已经设置好可以正常运行）。
· 光幕与危险机械或机器人轴的距离在光幕制造商提供的数值范围内，并且符合适用的 ISO、OSHA 和/或 ANSI 标准。

安装应分两步进行。首先，安装光幕时应该将危险机器或机器人设计保护起来且完全断电，同时遵循恰当的上锁/挂牌程序。然后（核实独立的光幕操作后）安装人员应将光幕连接到工作区的紧急停止装置 (e-stop) 上，并在受保护的设备通电并以安全模式运行的情况下重新测试系统。

图 2：这里显示的光幕是为了保护一个紧凑型生产机器设备上的检修口而设计的。它的防护高度为 160、240 和 320 mm，宽度为 0.1 至 2 m，分辨率为 14 mm（用于手指检测）或 24 mm（用于手检测）。端对端感应防止了盲区。（图片来源：Banner Engineering）

当然，光幕并不能适合所有机器防护应用。例如，在有效机器区域附近存在高反光表面时，它们是有问题的。同时在烟气很重的环境中，或者在空气中有大量微粒的环境中，它们也可能发生故障。在这些情况下，由光幕保护的设备可能（如果其周界被突破）需要过长的时间才能安全停止。这个问题也可能导致设备将材料退出既定的活动区域。这就是为什么设计工程师在设计烟尘环境的安全系统时，要仔细考虑光幕是否能有效地保护人员，或者是否需要物理机器防护的关键。

最佳做法是，在每个班次开始时，应该对光幕进行快速验证测试，以确保正常运行。此外，每半年应进行更彻底的检查。这些检查应量化任何操作的恶化——特别是那些以反应时间慢或工作区的活动区域被遮挡的形式出现的情况。后者在机器设置发生变化以适应新产品系列的生产时最为相关。在这种变化非常大的情况下，可能需要重新定位甚至更换工作区周围的光幕，并调整光幕的分辨率和其他设置，以确保能够充分保护工人和机器。

涉及光幕屏蔽的特殊情况

较大的工作区通常需要成组使用光幕。一般采用串联安装，以扩大保护区域周界。这种安装方式通常要求光幕交替放置，让一个光幕的发射器柱子与其成临近光幕的接收器柱子背对背放置成一条直线。这种发射器-接收器-发射器-接收器的柱子顺序避免了串扰。

当然，在这种排列方式中（与任何光幕安装一样），技术人员应确保每个光幕的发射器和接收器柱子从上到下的方向一致，以便按照预期覆盖活动区域并保持其预期的分辨率。

当保护区需要光幕转角时，有两种选择，一是铰链式柱子组件（有两根直长的柱子通过接头连接，绕成 90° 角或更大），二是使用转角镜。用转角镜时，工作区三面都可以用发射器柱子、接收器柱子和两个高镜子来防护。简而言之，发射器柱子指向一面固定在某一角落的镜子，同时该面镜子与下一个角落的第二面镜子成 90° 角。发射器的信号从第一面镜子传到第二面镜子，再传到保护区的第四个也是最后一个角落的接收器。这是一个简单的包围更大区域的方法，虽然代价是每次镜面反射不是 100% 有效，以及信号每次反射都会衰减。设计工程师最好检查一下这些装置的制造商规格；通常，每次反射后，信号强度会减少约 8-15%。

关于在较大工作区使用的最后一点说明：大多数工作区都有可能出现穿行的情况。当操作员走过光幕边界并触发机器停止或安全模式时，就会发生这种情况，但仍然能够（如果保护区内有合适的控制装置）重新启动危险的机器。如果发生这种情况，基本上会出现操作员站在危险工作区而未被光幕发现的问题，并容易受到伤害或出现更糟的情况。防止这种情况出现的常见解决方案是省略或禁用机器上的启动开关和控制装置，并在保护区外设置一个硬复位开关——通常靠近工作单元人机界面的操作面板上。这可以有效地迫使机器操作员离开危险工作区，才能重新启动设备。

光幕屏蔽和盲区过滤的相关功能

有些工作区需要定期暂停光幕功能。这种暂停称为屏蔽，通常是在加工过程的安全部分，也恰好需要机器操作人员进行手动干预的时候。例如，当操作员必须将托盘装入码垛机的输入区时，屏蔽是必不可少的。屏蔽也常用于让操作员从机器人单元的输出站卸载物品。

简而言之，光幕屏蔽要由一系列存在检测器进行仔细协调，检测器预期要检测到一定尺寸和形状的材料。存在检测器必须按一定的顺序触发，以使光幕在有物品进入时暂时失去作用。一旦物品通过且完成需要屏蔽操作的任务后，光幕保护功能就会恢复。

图 3：无论何种应用，光幕的屏蔽功能在设计上只允许材料通过光幕移动...而不是人员。时序图可以量化光幕屏蔽功能的具体内容。（图片来源：Design World）

与屏蔽有关的一个功能是光幕盲区过滤。在这里，触发该功能的是光幕本身，而不是存在检测器。简而言之，光幕的光束仍保持活跃，暂时允许物体进入限制工作区——而不触发机器关闭。或者在一种称为浮动盲区过滤的盲区过滤变化中，光幕的电子装置建立一个盲区过滤区域，并在该盲区过滤区域周围建立一个适度的公差带——以允许货物穿透，而不强迫操作员以过于苛刻的精度放置物品。

在需要成品离开工作区的机器操作中，通常使用光幕盲区过滤。

结语

设计工程师在确定光幕的尺寸和规格时，应记录所有适用于被保护机器或机器人的标准——包括行业特定的要求以及地方和职业管理机构的要求。确定这些标准后，这些标准就可以为具体光幕安装提供正确的设置和测试程序指导，并指明是否由于条件复杂或机械类型不同而不能使用光幕。