機器人弧焊站的安全防護安川首鋼機器人有限公司王亞妮北京100176摘要：隨著工業自動化的飛速發展，自動化弧焊系統越來越多的應用到各個行業。工業機器人弧焊系統更是廣泛地應用在汽車工業中。以工業機器人為焊接主體，將工件放置在特定的自動夾具上定位夾緊，通過控制系統進行機器人自動化焊接的方式。而此類工作站的安全防護也是至關重要的，它主要包括兩個方面，一個方面是焊接產生的弧光的防護，另一方面是機械安全失效。本文旨在設計弧焊系統時，將安全性放在設計的首要位置。做好弧光的防護和機械失效的發生。由于人的能力是有限的，只注重人員不安全行為的傳統方法已不能滿足人們對安全與健康的渴求，特別是對于機械設備日益復雜化、系統化和集成化的今天。因此，人們更趨向于采用消除設備的不安全狀態和避免人的不安全行為與設備的不安全狀態產生交集，采用這兩種方法來避免安全事故，實踐證明，這兩種方法也是最有效的方法。關鍵詞：工業機器人弧焊站安全防護安全失效安全光幕Keyword:industrialrobotweldingworkingspacesafeguardingsafetyfailuresafetycurtain一、機器人弧焊站簡介利用工業機器人進行自動化焊接的系統，我們稱之為機器人孤焊工作站。如圖1所示，一般的機器人孤焊站主要由以下幾部分組成:焊接機EL350PLC焊接機EL350PLC控制柜DX100機器人控制柜水冷箱圖11、弧焊機器人本體孤焊機器人本體指的是，一般具有6個自由度，使用高精度伺服電機，在一定工作范圍中可以像人的手臂一樣靈活、準確的運動。在孤焊系統中作為焊槍的載體，實現孤焊作業時所需要的焊接位置、焊接姿態、焊接軌跡等。由于機器人本體的大運動范圍、

快速的操作、手臂的快速運動等，這些都會造成安全隱患。整個機器人在最大的動作范圍內均具有潛在的危險性。圖2機器人本體的運動范圍2、功能設備功能設備在孤焊系統一般指的是各種焊接電源及焊接電源相關的所有配套設備，是體現系統功能的設備。根據客戶要求或公司標配來選擇合適的焊接設備。3、工裝夾具（包含變位機）工裝夾具是實現工件定位的關鍵設備，按工件定位要求將工件精確定位，以實現機器人對工件的精確焊接。常常根據焊縫的形狀需要增加變位機設備來實現機器人和變位機的運動配合，實現復雜及環形焊縫等。圖3變位機運動范圍及工裝夾具4、電氣控制設備電氣控制設備是系統運行的控制中心，是系統正常運行的保障。自動化主要也是由電氣控制來實現的，人為的輸入相關的指令，系統會自動實現焊接的過程。操作人員只需輕輕一按，相關設備就會按照人員預先設置的程序指令，實現自動化的工作過程。這是操作人員和設備的交流介質。5、系統安全設備系統安全設備一般指的是系統防護欄，弧光防護、設備安全以及人員安全保障的設備。主要根據工作站的危害根源設計相關的防護，確保操作人員的安全。二、 機器人弧焊站安全防護分類機器人弧焊工作站對人體的傷害主要來自兩個方面，一方面是焊接本身對人的危害，另一方面是運動的機器人和變位機等機械設備在其運動范圍內的潛在危險。下面分別介紹這兩方面的危害。1、焊接帶來的危害（1） 焊接弧光焊接時，強烈的弧光對眼睛、皮膚等會產生急、慢性損傷。眼部受到弧光中的紫外線過度照射會引起角膜結膜炎。輕者眼部有異物感和輕度不適，重者眼部有灼傷感和劇烈疼痛，并伴有畏光、流淚、臉部痙攣等癥狀。（2） 焊接煙塵和有毒氣體焊接時，焊絲、焊條和藥皮在高溫作用下，產生大量有害的煙塵，這些煙塵的主要成分有鐵、鋁、錳等。空氣在弧光的作用下會產生氮氧化物等有毒氣體。人一旦長期吸入此類金屬粉塵和有毒氣體，對人身的傷害很大。2、安全失效帶來的機械傷害安全失效是指當機器人及其系統在實際運行時，元器件或某個部件發生不可預見的失效。在系統設計時就應該考慮到這些情況，若某一項功能受到影響暫停時，則整個系統仍然處于安全狀態，且應提供一種能確保安全（如鎖住）的工作方式選擇器件或措施以防止自行啟動。三、 機器人弧焊站的安全防護方式機器人弧焊站的安全防護方式主要是針對上面提到的兩種傷害，一種是針對弧光、弧焊煙塵及有毒氣體，另一種是針對機械失效。對于這兩種傷害分別采用不同的安全防護方法。1、針對弧光及煙塵的防護一般情況下對弧光、煙塵的防護主要是遮擋，利用封閉的安全欄將焊接位置和外界隔離開。并且在焊接工位的上方安裝排煙系統，將焊接產生的煙塵、有害氣體排出工作站，進行集中處理。安全欄是系統安全設備的一部分。如圖4所示，周邊防護欄將焊接工位與外界隔離，防護欄頂部安裝防護頂蓋，并連接至排煙塵系統或管道。在焊接產生煙塵、有害氣體時，能及時排出工作站外，使操作或維護人員在工作站外不能看見弧光，或進入工作站內時防止呼吸到有害的煙塵。一般的弧焊工作站都應具備此防護系統。

圖4圖5圖4圖5除了上面整體的防護外，根據工作站的布置不同，還應采取不同的方法將操作人員和孤焊處進行隔離。在多工位焊接工作站中，應利用柔性或剛性的防護設施將正在裝卸工件的操作人員和正在焊接的工位隔離開，以避免操作人員在工作過程中受到孤光的傷害。現就幾種常用的布置來說明在焊接過程中如何將操作人員和焊接工位進行隔離。（1） 單工位弧焊站的弧光防護單工位孤焊站主要的孤光防護在人員安裝工件的位置，其余位置都可利用固定的安全防護裝置來遮擋孤光，而裝卸工件的位置，是人員操作的位置，如果在焊接時，不進行封閉遮擋，則工作站外的人員很容易受到孤光和煙塵的傷害。如圖5所示，是一個單工位的工作站，人員在A處可以安裝工件或進行夾具快換，但機器人在夾具處焊接時，此位置需要與外界隔離開，否則站外的人員將受到孤光的傷害。一般用柔性的設備安裝在A處，焊接時，此柔性設備關閉，隔離了孤光和煙塵。裝卸工件時，此設備打開，人員可以裝卸工件。這樣，機器人焊接時，站外的操作人員就避免了傷害。A處的設備可以根據實際情況和用戶的要求進行設計或購買，一般使用自動的卷簾門，可以實現自動控制以及柔性隔離。（2） 兩個及兩個以上工位的弧光防護為了提高效率并節省空間，一般的孤焊工作站會設計兩個或兩個以上的焊接工位，當某一工位在焊接時，另一個工位可以裝卸工件，這樣可以大大提高設備的使用效率。常用的兩個工位的工作站如圖6所示。圖6這幾種工作站的布置除了外形不同外，在防護孤光方面是一致的。都需要在A1和A2處安裝柔性遮擋設備，B處需要安裝剛性或柔性的遮擋設備，將夾具1和夾具2隔離開。機器人在夾具1處焊接時，夾具2處于人工裝卸件狀態。如果沒有B處的遮蔽，那么操作人員在夾具2處裝卸工件時，就會受到孤光的傷害。而且設計B處的孤光遮蔽設備時，必須考慮到機器人的運動范圍，既不能和機器人運動干涉，還要有遮擋孤光及焊接飛濺的作用，需要根據實際設備的布置情況進行設計。2、針對機械安全失效孤焊站的安全性除了防止孤光、煙塵等對周圍環境及人員的危害，更重要的是防止機械安全失效。孤焊系統處于工作狀態時，要保證操作人員處于安全范圍。在操作人員誤操作或機器意外失效時，系統能及時停止工作，以保證人員的安全。而大多數的不安全事故的發生都是由于人的不安全行為、設備的不安全狀態或人的不安全行為和設備的不安全狀態的交集。這些都會造成人員的傷害，所以要從以下幾個方面來防止危害的發生。（1） 消除人的不安全行為人的不安全行為主要是，操作人員對系統的不適當操作而造成的人員危害，只能通過法律法規、部門規章和作業標準來規范操作人員的行為來避免危害的發生。所以需經常對操作人員進行操作規程和安全意識的培訓，提高操作人員的素質和能力。（2） 消除設備的不安全狀態由于人的能力是有限的，只注重人員不安全行為的傳統方法已不能滿足人們對安全與健康的渴求，特別是對于機械設備日益復雜化、系統化和集成化的今天。因此，人們更趨向于采用消除設備的不安全狀態或人的不安全行為和設備的不安全狀態的交集的方法來避免安全事故，實踐證明，這兩種方法也是最有效的方法。孤焊站中不安全的設備主要包括焊接機器人和可回轉的變位設備。這兩者都有一定的運動范圍，如果操作人員在工作狀態下進入它們的運動范圍，則存在極大的危險。在設備處于工作的過程中，要防止人員進入不安全區域。首先要將人員與這兩者的運動范圍采用固定的防護裝置隔離開，防止人員進入不安全區域，降低人員暴露于危險區域的幾率。其次是操作人員進入危險區域時，一定要保證機器處于停止或失效狀態。如圖7所示，A1、A2是裝卸工件的位置，要求操作人員裝卸工件只能在陰影區域操作，用固定的護欄、圍擋等防止操作人員進入工作站的其它區域。同時可在人員操作的適當位置安裝安全光幕來進行檢測，如果有人員進入此區域，安全光幕檢測到信號后，通過安全繼電器將信號傳輸給機器人控制系統，切斷設備電源，設備停止工作。這是將機械和電控聯合起來消除物的不安全因素。圖7中C處是安全門，人員由此門進入對系統進行維護、維修。在工作站正常運轉狀態下，人員是不允許由此門進入工作站內的。安全門上除了安裝機械鎖外，還需安裝電子安全鎖，如圖8所示，用來檢測安全門的打開關閉狀態。當操作人員在進入工作站維護、維修時，工作站內的設備是處于失效狀態的。而當操作人員在設備運行時打開安全門時，安裝在門上的安全鎖本體和安全鑰匙脫離，系統檢測到此信號斷開，通過安全繼電器將信號傳給機器人控制系統，切斷設備電源，強制設備停止工作，以確保人員的安全。除此以外，工作站的外部安裝急停按鈕，當有意外狀況發生時，站外的操作人員能及時按下急停按鈕，使系統立即停止。急停按鈕也是通過安全繼電器和機器人控制系統連接，能及時切斷設備電源，停止設備的運轉。這些方法都可以有效的防止設備運行時意外的發生。（3）消除人的不安全行為與設備的不安全狀態的交集人員是操作的核心，只有避免人的不安全行為，并結合設備的安全狀態，則相對而言是人員安全的最好保證。在實際工作中，設計孤焊系統時，要將設備的不安全狀態考慮周全。在實際操作時，要對操作人員進行各種法規、操作規程及安全意識的培訓，在日常生產中養成良好的安全、正確的操作習慣。四、結語對于孤焊系統的安全來說，主要是從孤光的防護、機械安全失效兩點來說明。在系統孤焊站的設計之前，要充分考慮到設備的不安全因素，通過機械的方式避免設備的不安全。弧焊站