一种部件装配装备安全防护系统研究

一种部件装配装备安全防护系统研究

周新房 王会周 王伟华 李卫平 王永宏

中航西安飞机工业集团股份有限公司  陕西西安  710089

[内容摘要]: 安全生产是企业平稳运行的基石，企业出现安全事故的原因多种多样，危险源识别不清楚、安全措施不到位、安全培训不及时等都会导致安全事故的发生。目前公司内部已经具备新一代装配装备的研制能力，拥有一定的技术及软硬件储备。针对生产现场部件装配装备安全防护需求，模拟实际工作现场的安全隐患和可能出现的突发事件，搭建制孔、感知件、转运装备等全流程安全测试环节，从设计安全、制造安全、使用安全、维护安全四个方面培训提高各类人员的安全意识、降低全流程安全隐患。

[关键词]：装配装备；危险源识别；安全防护；防碰撞

引言

随着技术发展和产品产量增长需求，工艺装备专业引进了大量数字化机电装备，特别是部件装配装备，但新技术新装备也带来了新的安全问题，例如误操作造成产品损伤、防护措施不足导致人员误入危险作业区、工装设备安全防护机构失效对人员产生伤害风险，产品接头锁紧解除示警失效导致产品接头区域破坏等严重后果；针对以上产品安全、人员安全等问题，急需进行安全防护方面的技术研究，例如通过对示警安全类成品的技术研究，采取先进的技术手段从设计源头，以增加容错机制设计、安全保护设计等方式进一步提高装备安全系数；同时针对技术人员、操作人员和维护人员等各类人员急需开展系统性的安全培训，但当前采取的现场安全培训无法满足“通用+专项”的培训需求，即现场安全培训只能进行特殊设备的专项安全培训，通用部分的安全培训受条件限制，例如设备周围场地受限，生产节拍紧凑等问题无法开展多人次、连续、有效的安全培训，因而计划在特定场地进行通用部分的安全培训，即通过搭建安全培训平台，模拟现场典型设备操作使用，可提高人员安全风险识别能力，增强失效模式控制意识，优化现场安全操作手册，降低生产现场安全风险隐患。

1 装配装备安全防护概述

针对装配装备从设计、制造、使用、维护进行全流程安全风险识别，体系性规划全流程的安全防护系统，采用安全问题较为突出的机器人、AGV运输车及感知类传感器搭建全流程安全测试环境，提高技术人员、操作人员和维护人员等各类人员对安全风险的辨识度，降低生产现场安全风险。

图1  装备安全测试系统架构

1.1机器人安全应用

在工业机器人提升工作效率和产品品质的同时，其安全生产问题也应该引起重视。在人机交互的工作区域所使用协作机器人会导致许多危险和伤害。部分机器人，特别是那些在传统工业环境中的机器人，在拥有非常快的运行速度的同时又匹配强大的动力系统。这使得人机在交互作业过程中增加了受伤的可能性，而且机械臂挥动运行过程中造成的往往是严重的人身伤害。当机器人发生故障或需要维护时，还有其他风险。与机器人配合工作的工人可能会受伤，因为通常无法预测发生故障的机器人，使用安全往往需极其谨慎并提前布局预防。根据数据统计显示，目前56% 的协作机器人使用过程引发伤害被归类为夹伤，44% 的伤害被归类为撞击伤。其中不合理的工作现场区域设计和人为失误造成的事故伤害不胜枚举。而通过历年来协作机器人引发事故数据研究发现，生产线工人的受伤风险最大，受伤占比人员最大，其次是故障维护工人和调试程序员，长期与机器人协作交互群体事故风险占了前3 位，机器人安全工作还任重道远！

人与协作机器人在生产制造过程中的互动有7个与之相关密切的危险因素：人为不正确的操作；未遵守相关安全要求；控制程序逻辑错误或不合理，未经反复验证；机器人设备未停机非法闯入机器人工作区域；机器人突发机械故障；作业环境差，干扰大；电源系统异常和不正确的安装等都可造成严重的伤害。由此可见机器人在现场应用过程中危险无处不在，对于机器人的安全培训刻不容缓。

1.2传感器安全测试平台

传感器安全测试试验平台是以工控计算机的PCI总线平台为基础构建的硬件平台，采用模块化的设计方案，使得各个模块之间功能相互独立，便于搭建不同的应用系统，以适应传感器综合测试试验平台系统的技术要求，方便维护。

试验平台除了具有计算机的功能外，还能提供与被测试传感器进行交联功能的接口电路，将不同类型传感器的数据进行采集、计算，显示在软件系统的应用界面中。

传感器安全测试试验平台可提供传感器的工作电源，可提供每路电源的测试端子，同时使用数字仪表显示监测电压；并提供安全光栅传感器、压力传感器、光敏传感器、超声波传感器、光电开感器、接近开关传感器、角位移传感器、线位移传感器、应变传感器、拉压力传感器、激光测距传感器、温度传感器测试接口；

图2  传感器综合试验台示意图

1.3 AGV车安全应用

随着智能制造在全球大范围兴起，作为智能物流核心设备之一的移动转运机器人近年来呈现了爆发式的增长。汽车、物流、电器、化工等行业纷纷开始使用AGV，无需人工驾驶，有效降低了劳动强度，定位精度高，提高生产效率，高效、准确、灵活地完成物料搬运任务。这种爆发式增长主要是因为我国物流行业的兴起，物流自动化趋势推动着我国AGV车加速发展。当然AGV之所以能爆发，不仅是因为物流自动化的发展，更重要的是AGV实实在在带来的高效率和柔性化。此外，AGV车代替人工作业，减少了人工成本，避免了工作中存在的安全隐患。

在对AGV车进行选型设计时，就需要考虑到安全使用，需对应用现场进行详细的了解分析，如物料的搬运方式、物料的尺寸及重量、AGV车的定位精度要求、工作周期的要求等等。在不同的场合采用不同的安全防护准则，但基本的AGV车安全应用技术需遵循，如：

（1）防碰撞技术：AGV通常配备了激光、红外线和声纳等传感器，可以检测到前方障碍物，避免碰撞。当检测到障碍物时，AGV会减速或停止移动；

（2）安全区域设定：在AGV的工作区域内，可以设定一些安全区域，例如人行通道或紧急停车区域。如果AGV离开其工作区域，系统将发出警报并自动停止移动；

（3）交通规则：AGV可以按照设定的路径进行移动，但是需要遵守交通规则，例如遵守交叉口的让行规则，随时调整AGV的移动速度，确保安全运行；

（4）急停按钮：在工作过程中，如果发生紧急情况，操作人员可以通过急停按钮使AGV紧急停车。

2安全培训软件开发

安全培训软件分为多个子功能区，每个功能区设置一个界面入口，进入功能区后，进行相关安全情景复现和安全培训，当故障出现时及时反馈到培训软件界面，并动态显示报警信息，软件界面如下：

               图3 软件系统界面

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2.1安全培训软件功能

（1）每个功能区实物触发的安全报警要在屏幕上动态提示并进行声光报警；

（2）屏幕上的画面可以实时接收实物安全报警信号，采用单向信号传送，屏幕上不对设备进行操作控制；

（3）屏幕端和实物端信号传送采用实时无线传输；

（4）各功能区信号不能出现干涉，可按功能区进行模块分组；

（5）每个设备区信号采集I/O数暂定8路。

2.3 安全信号屏幕画面要求

（1）系统首页每个功能区设置一个界面入口；

（2）进入某个功能区后先对该功能区的设备原理、功能、安全操作流程、人员误操作、互联互锁、机构运动干涉及安全功能进行图文介绍；

（3）经过图文安全培训后开始实物操作，同时启动显示屏安全报警窗口；

（4）当遇到设备安全报警时，显示屏显示相应报警位置的提示。

                     图4  设备安全信号联动演示画面

3安全防护系统构建总结

通过硬件系统及软件模拟对操作人员、工艺人员及维护人员开展系统性的安全培训，可以提高人员安全风险识别能力，增强失效模式控制意识，优化现场安全操作手册，降低生产现场安全风险隐患。

基于机器人制孔装备及AGV转运车的安全防护及培训技术研究，主要是针对典型数字化装配装备进行安全防护及培训技术研究，需根据现场使用情况搜集补充大量数字化集成装备使用过程中安全因素的素材，同时安全失效原理和安全防护技术也需要不断补充完善。

参考文献

[1] 高翔   自动驾驶与机器人中的SLAM技术  电子工业出版社  2023.08

[2]  蒋蓓   工业控制系统安全  机械工业出版社 2022.08.

[3]  陈卫新 面向中国制造2025的智能工厂 中国电力出版社 2017.05