协作机器人安全围栏的配置与调试

协作机器人安全围栏的配置与调试

第一部分：安全围栏概述与选型

协作机器人（Cobot）虽以"人机协作"为设计理念，但在实际部署中仍需根据风险评估结果配置物理安全围栏，以防止意外接触运动部件或危险区域。安全围栏的核心作用是将机器人工作空间与人员通道进行物理隔离，同时在紧急情况下提供快速干预手段。

围栏类型选择

根据ISO/TS 15066标准，安全围栏分为三类：

确定 你的应用场景属于以下哪类：

• 全隔离模式：机器人运行时人员绝对禁止进入，选用固定围栏+安全门锁
• 协作模式：人员可进入特定区域触发停机，选用光栅/扫描仪
• 混合模式：结合上述两者，分区配置不同防护等级

第二部分：硬件安装与布局

围栏位置计算

安全围栏与机器人运动范围之间必须保留最小安全距离。该距离由机器人最大速度、停止时间和人体侵入速度共同决定。

最小安全距离计算公式：

$$S = K \times T + C$$

式中：

• $S$ — 最小安全距离（单位：mm）
• $K$ — 人体侵入速度（通常取1600 mm/s，手部）或2000 mm/s（全身）
• $T$ — 系统总停止时间（机器人停止时间+安全设备响应时间，单位：s）
• $C$ — 附加距离（考虑人体部位可深入距离，通常为850-1200 mm）

示例计算：某协作机器人关节最大速度1 m/s，停止时间400 ms，配用响应时间30 ms的安全光栅，手部防护：

$$S = 1600 \times (0.4 + 0.03) + 850 = 1538 \text{ mm} \approx 1.6 \text{ m}$$

划定 机器人工作空间的包络体：

1. 记录 机器人在各关节极限位置时的末端坐标
2. 计算 腕部中心点可达的最大球体空间
3. 叠加 负载和工具的额外延伸尺寸
4. 向外扩展 上述计算所得的最小安全距离 $S$

安全设备安装要点

安装 安全光栅/激光扫描仪：

• 发射器与接收器 保持严格水平或垂直对正，偏移量不超过制造商规定的±5°
• 固定 安装支架于刚性基础，避免振动导致的误触发
• 设置 响应高度：底部离地300-400mm（防钻入），顶部高于机器人最大高度至少100mm
• 配置 消隐功能：若存在固定障碍物（如立柱），在调试阶段标记 为永久消隐区域

铺设 安全地毯：

• 清理 地面，确保无凸起或凹陷（平整度误差≤3mm/㎡）
• 边缘固定 使用铝合金压条，螺栓间距≤150mm
• 预留 电缆走线槽，避免碾压或绊倒风险

第三部分：电气接线与信号配置

安全回路架构

典型双通道安全回路接线原理：

关键原则：安全触点必须采用常闭（NC）配置，断线即触发停机，比常开（NO）配置更具故障安全性。

主流品牌接线实例

Universal Robots (UR) 系列：

接线步骤：

1. 确认 控制柜断电，等待电容放电（指示灯熄灭）
2. 接入 安全继电器的一对常闭触点至SSI1和SSI2
3. 测量 触点闭合电阻，应<10Ω；触点断开电阻，应>10MΩ
4. 短接 机器人出厂默认的安全跳线（若存在），否则外接信号无法生效

Fanuc CR系列：

• 连接 安全围栏信号至E-Stop链路的SF1-SF2端子
• 注意 CR系列要求安全信号为源型（PNP）输出，部分欧系继电器需转换

第四部分：软件参数配置

UR机器人安全模式设置

进入 PolyScope 系统的"安装设置"→"安全"界面：

1. 选择 安全模式：

   • 缩减模式：人员进入时自动降速至限定值（默认250mm/s）
   • 保护停止：人员进入时完全停止，离开后需手动恢复
   • 停止类别：配置为Cat 1（受控停止）或Cat 0（立即断电）

2. 配置 输入信号映射：

   安全功能	默认配置	推荐修改
   安全停止	专用端子SSI1/2	保持默认
   缩减模式触发	可配置DI	建议分配DI0为光栅信号
   三档位开关	需手动启用	协作模式建议启用

3. 设置 缩减模式参数：

   • 工具速度限制：250 mm/s（ISO/TS 15066强制要求）
   • 关节速度限制：30°/s
   • 力/力矩限制：150 N（瞬态接触）或50 N（准静态夹持）

安全光栅区域编程（以SICK microScan3为例）

连接 电脑至光栅的USB调试端口，打开Safety Designer软件：

1. 绘制 防护区域：

   • 导入 现场CAD图纸或手动输入边界坐标
   • 定义 保护区（必须停机）和警告区（预减速）
   • 设置 分辨率：70mm（手指检测）或150mm（人体检测）

2. 配置 响应时间：

   扫描周期: 8ms (固定)
   输出延迟: ≤30ms (可配置)
   总响应时间 = 扫描周期 + 输出延迟 + 继电器动作时间

3. 分配 安全输出：

   • OSSD1/OSSD2 → 连接至机器人安全停止回路
   • 辅助输出 → 可配置为"入侵指示"连接至PLC或警示灯

第五部分：功能验证与调试

静态测试

执行 围栏完整性检查：

1. 目视检查 所有螺栓扭矩标记，确认无松动

2. 手动测试 每扇门的安全联锁开关：

   • 关闭 围栏门，确认 机器人可正常运行
   • 打开 围栏门，验证 机器人立即进入安全停止状态
   • 监测 控制柜安全状态指示灯（通常为红色LED常亮表示停止生效）

3. 测量 安全回路电阻：

   • 闭合状态：<10Ω（含电缆全长）
   • 断开状态：>10MΩ（触点分离时）

动态响应测试

验证 安全光栅/扫描仪的实际响应：

1. 准备 直径30mm的测试棒（模拟人体部位）
2. 以 最大预期接近速度（通常1.6m/s）移动 测试棒穿越光束
3. 记录 从光束中断到机器人完全停止的总时间 $T_{实测}$
4. 核对 $T_{实测}$ ≤ 设计停止时间 $T_{设计}$ + 100ms裕量

测试 缩减模式切换（如配置）：

1. 触发 光栅警告区（非保护区）
2. 观察 机器人是否自动降速至设定限值
3. 监控 实际TCP速度显示值，确认<250mm/s
4. 退出 警告区，确认机器人自动恢复全速

故障模拟测试

制造 以下故障场景，验证系统安全响应：

第六部分：维护与周期性检查

建立 每日点检清单：

• 围栏门闭门器功能正常，无卡滞
• 安全光栅指示灯绿色常亮（无遮挡或故障）
• 安全地毯表面无破损、积液或异物堆积

执行 季度深度检查：

• 重新校验 安全距离 $S$，确认机器人轨迹无变更导致侵限
• 测试 安全继电器强制断开功能（若配备）
• 备份 安全设备配置文件，存档备查

记录 所有测试结果于《安全设备维护日志》，保存期限≥10年（符合机械指令2006/42/EC要求）。