电磁兼容性和功能安全的机器人设计

随着额外的自动化系统被包装到工厂车间，通常靠近人类工人，设备设计人员必须注意满足适用的设备指令。

预计工业机器人的采用增加将实现生产力目标，并帮助工人在 COVID-19 大流行后重返制造业工作。随着额外的自动化系统被塞进工厂车间，通常靠近人类工人，设备设计人员必须注意满足涵盖电磁兼容性和功能安全的适用设备指令。

自动化，提高安全性和生产力

机器人自动化将继续渗透到企业中。虽然众所周知，工业流程自动化可以提高生产力，但其他当务之急正在出现。鉴于最近发生的事件，减少工作空间中的人数也可以通过放松社交距离来帮助提高劳动力安全。

未来的工厂可能会包含更多各种类型的机器人，包括可能包含SCARA，笛卡尔和线性机器人混合的独立制造单元，以及旨在靠近人类工作的协作机器人（cobot）。移动机器人，如自动导引车，也将成为组合的一部分，用于在不同地点之间移动组件和成品。

为了确保这些丰富的电气系统可以共存，同时保持安全和高效，设备设计人员需要考虑电磁辐射和抗干扰能力，以符合电磁兼容性（EMC）要求，并确保功能安全系统提供所需的保护。

电磁干扰的危害

生产率和安全性都取决于工厂工作空间中的所有机器人系统正常运行。一台机器与另一台机器电磁干扰引起的故障可能会导致诸如频繁的系统重启、机器人未编程和意外移动以及可能对功能安全系统造成干扰等影响。这可能包括错误触发安全机制，导致不必要的设备停机，或在需要时无法运行安全保护。工件可能会变质，导致生产损失以及与故障修复时停机相关的额外成本。更糟糕的是身体伤害的可能性，特别是在人类在无人看守的机器人附近工作的情况下。

工业机器人的安全和EMC标准

拥有和运行任何类型的机器的企业需要保证这些机器对其员工是安全的。无论是直接与机器交互，例如使用或修理设备，还是只是在机器附近工作。欧盟机械指令 2006/42/EC 等标准定义了安全要求，包括机器和特定安全组件的设计。还涵盖了确保符合要求而必须使用的程序。

随着越来越多的技术被整合到机器中，例如无线连接，一些机器人可能需要遵守欧盟无线电设备指令（RED）等立法的各个方面。对于设备制造商来说，证明已考虑所有可能的危险并且已应用适当的标准来证明符合性非常重要。

ISO 10218-1：2011定义了工业机器人的安全要求，涵盖了固有的安全设计和保护措施。ISO 10218-2：2011 与机器人系统有关，涵盖机器人系统或单元的设计、安装、操作和维护等方面。

随着最近协作机器人（cobots）的出现，它们旨在与人类工人在相同的环境中运行，并且通常直接进行交互和协助，新的安全挑战出现了。常见的伤害危险，例如移动的机器人手臂与人类相撞，无法通过防护或筛查排除人类来避免。因此，需要接近感应等安全机制，以便在即将发生撞击时自动停止机制，从而将碰撞风险降至最低。还可能出现工人可能只是简单地走进工作区域的协作机器人的情况，这可能需要设计师消除锋利的边缘或使用可变形材料覆盖机器人的某些部分。与ISO 10218标准相关的ISO/TS 15066标准专门涵盖协作机器人。

然而，如果不考虑电磁干扰的潜在影响，就无法保证功能安全。ISO 10218或15066中没有涵盖噪声，相反，有两个IEC标准专门针对有关功能安全的EMC要求：技术规范IEC/TS 61000-1-2和IEC 61326-3-1。这些在主要功能安全标准IEC 61508的第二版中有所提及。

IEC 61000-1-2提出了实现电气系统功能安全的方法，并明确涵盖了电磁现象。它可以作为电气系统应用于机器人。此外，适用的是，IEC 61000-6-2 和 61000-6-4 是 EMC 标准，分别定义了工业环境中使用的电气和电子设备的抗扰度和辐射要求。

针对 EMC 和安全的设计

需要结合电容器滤波和明智地放置电感扼流圈，以将传导电磁干扰降低到符合EMC标准所需的水平以下，并证明机器人满足所有功能安全要求。此外，可能需要电磁屏蔽，以确保对外部来源的辐射干扰免疫力，并防止子系统（例如安装在机器人上的开关转换器）发射辐射。

电源通常代表对抗传导干扰的前线。X 和 Y 电容器是确保不受外部噪声影响并防止机器人电源将干扰传输回线路所需的基本组件。滤波器的预期效果是消除高频噪声，如图1所示。

图1.不带（左）和（右）X 和 Y 滤波电容器的线路电压信号。

为了滤除电源线上的共模和差模噪声电流，X个电容器放置在跨线（相间或相间至中性线）位置，Y个电容器从相地到地连接，如图2所示。

图2.X 和 Y 电容器连接。

与任何工业应用一样，用于机器人自动化系统的 X 和 Y 电容器需要能够承受明显高于标称电源电压的施加电压。它们还必须能够应对高温，并在整个工作范围内保持稳定的特性。聚丙烯薄膜电容器的特性使这些器件成为用作 X 和 Y 滤波电容器的有力选择。它们相对较低的成本和自愈特性可确保器件长时间保持其电容，这是额外的吸引力属性。

KEMET 的 F862-V054 金属化聚丙烯薄膜 X2 电容器和 R41T Y 电容器可承受恶劣环境中的使用，因此适用于工业机器人应用。两者都符合 AEC–Q200 汽车认证要求，证实了它们能够在恶劣的环境条件下可靠运行。R41T 系列可用于 Y2 和 X1“线对地”和“跨线”连接，特别适用于电容器故障可能导致触电危险的情况。

计算电容器寿命，以选择合适的组件，使机器人能够满足适用的可靠性目标，可能很难仅使用数据表信息来实现。特别是，在预期温度、湿度和偏置（THB）条件下的寿命是无法预测的。为了解决这个问题，KEMET 开发了 KEMET 预期寿命模型 （K-LEM）。在 KEMET 工程中心网站上作为薄膜寿命计算器在线提供，它是同类工具中第一个允许用户在计算电容器寿命时考虑 THB 效应的工具。

不断增长的工业机器人自动化市场为设备设计人员提供了提供满足功能安全和电磁兼容性适用标准的下一代解决方案的机会。适用于EMI静噪滤波器的尖端电容器随时可用，并辅以在线工具，以协助设计和寿命计算。