使用光幕增强安全性和测量物体

光幕是一种通用技术。它们通常与安全应用联系在一起，除此之外用途也很广泛，包括机器防护和建立保护区；物料搬运中物体存在检测或所通过物体大小测量；确保包装和分拣应用中物体的正确定位或对齐；以及限制区域的入侵检测和门禁控制。

有关光幕和安全激光扫描器的比较，以及扫描器的应用回顾，请参阅本系列文章的第一部分《安全激光扫描器如何保护人员和机器》。

本文首先介绍重要的光幕规格和性能标准，举例说明光幕在安全和门禁系统中的应用，以及测量光幕的操作方法，其间穿插介绍了来自 Panasonic、IDEC、Omron 和 Banner Engineering 的典类光幕产品。

安全光幕标准和类型

国际电工委员会 (IEC) 61496（机械安全 - 电敏感防护设备 (ESPE)）规范中规定了四种安全性能。相关类型为 2、3 和 4。类型 1 未定义用于安全光幕应用。

IEC 61496 在 IEC 61508 和国际标准化组织 (ISO) 13849 中定义的安全完整性等级 (SIL) 和性能等级 (PL) 的基础上增加了另一层要求。

SIL 级别分 1 到 3 级，SIL 3 为最高级别；PL 级别分为 "a" 到 "e" 级，PLe 为最高要求。根据 IEC 61496 中的分类，光幕一般属于 2 类和 4 类，但也有少数被评为 3 类设备。安全激光扫描器符合 3 类要求。类型的一些重要分类因素包括：

2 类设备必须符合 SIL 1 和 PLc 标准。它们适用于风险较低的应用场合，在这些场合中，故障可能会导致撞伤或碰伤、撞倒、轻微割伤和擦伤，或造成夹伤，但不会造成挤压。IEC 61496 要求设备在启动和运行期间定期进行自检。这些设备缺少 4 类光幕的冗余自动自检电路。定义视场的有效孔径角 (EAA) 必须为 ±5 度或更窄。这可能导致光干扰和误差。

3 类 ESPE（如安全激光扫描器和一些光幕）必须符合 SIL 2 和 PLd 标准，并且“在设计上不会因单一故障而发生危险，但会因故障累积而发生危险”。这些设备的电磁兼容性 (EMC) 要求也比 2 类设备更严格。3 类设备适用于对安全要求较高的应用场合。

4 类光幕的设计以安全为主要考虑因素。它们必须符合 PLe 和 SIL 3 级最高标准。其设计“不会因单一故障或故障累积而造成危险”。这些光幕 EAA 较小，仅 ±2.5 度，因此不易受到光学干扰，能够更容易地识别物体。它们必须满足最严格的电磁兼容性要求。

由于光学元件价格较低，故障检测电路较为简单，因此 2 类光幕的成本比 4 类光幕低 30%。4 类光幕的分辨率范围更广，包括 14 mm（用于识别手指）、30 mm（用于识别手）、50 mm（用于识别腿）和 90 mm（用于识别身体）。相比之下，2 类光幕一般仅限于较大的分辨率（图 1）。

图 1：与 2 类光幕相比，4 类光幕的最小分辨率通常较小。（图片来源：IDEC）

除了检测不同大小的物体外，光幕中的光束还可以单独控制，以实现更先进的功能，如屏蔽、消隐以及测量物体的大小和数量。

屏蔽和消隐光幕

光幕屏蔽和消隐是指在特定情况下关闭全部或部分光幕。屏蔽是暂停全部或部分光幕保护的自动过程，通常发生在机器周期的非危险部分。它可以在不停止任何危险活动的情况下让物料进入工作区。一旦物料进入工作区，光幕就会重新启动全部保护功能。

屏蔽的典型应用包括：

• 让托盘能够在堆垛机的两次操作之间进出
• 允许物料在自动化生产过程中的不同区域之间移动，同时在机器工作时仍能保护人员安全

图 2：使用屏蔽光幕可以允许特定大小的物体通过，而不会中断机器运行（左图），但会检测到其他物体，如手或手指（右图），并停止机器运行。（图片来源：Panasonic）

消隐是指在不停止保护机器的情况下关闭部分光幕。它还可以让人员在安全期间有限度地进入某个区域。消隐的典型应用包括：

• 在安全期间伸手装载或卸载机器人工作站
• 在恢复周期进入液压冲床

2 类光幕

IDEC 的 2 类 SG2 系列光幕有手部保护和存在保护两种型号。例如，SG2-90-030-OO-X 型号设计用于存在检测，控制高度为 300 mm，分辨率为 90 mm。它包括测试/重启功能和集成对齐系统，可加快部署速度。旋转安装支架进一步加快了安装速度，即使在使用镜子或工作距离长达 19 米的应用中，也能轻松对准发射和接收装置。

恶劣环境下的屏蔽和消隐

Omron 的 F3SG-SR 系列产品可用于温度低至 -30°C 的冷藏仓库的安全光幕应用、需要 IP67G 防油渗入保护的冲压机等金属加工应用，以及汽车制造和机床等恶劣的多尘和肮脏环境中的其他操作。这些 4 类光幕包括屏蔽以及固定和浮动消隐功能。

F3SG-SR 光幕的防护高度从 160 mm 到 2480 mm 不等。当需要检测直径为 25 mm 的手或其他物体时，安全系统设计人员可以使用 F3SG-4SRA0280-25-F，该系统支持以 40 mm 为增量的灵活长度，最大可达 1,000 mm，使用 27 根光束，保护高度为 280 mm（图 3）。

图 3：这种光幕支持以 40 mm 为增量的灵活长度，保护高度为 280 mm。（图片来源：Omron）

抗扭曲、翘曲和冲击

在使用光幕时，如果光幕可能会受到冲击和扭曲，系统设计人员就可以使用 Panasonic 的 SF4D 系列 4 类光幕。这款长 630 mm 的 SF4D-H32-0 型光幕防护等级为 IP67，分辨率为 25 mm，用于保护手部，并集成了消隐和屏蔽功能。

这些光幕之所以坚固耐用，关键在于重新设计了内部单元，优化了外壳的坚固性和刚度。内部单元所占的体积不到以前型号的 40%，从而大大增加了外壳厚度（图 4）。虽然内部单元变小了，但光输出却增加了，控制输出的关断响应时间为 10 ms 或更短，串联或并联时为 18 ms 或更短。

图 4：内部单元越紧凑，支持的光学输出就越高，同时让外壳厚度大大增加。（图片来源：Panasonic）

使用光幕进行测量

为测量物体而设计的光幕通常有三种模式：直线扫描、单边扫描和双边扫描。主要规格包括最小物体检测尺寸 (MODS) 和边缘分辨率 (ER)。

直线扫描通常是默认模式，光束按顺序从显示端扫描到阵列的另一端。当遇到第一个未被遮挡的光束时，就可以确定测量值。使用低对比度模式进行直线扫描的典型灵敏度为 5 mm 的 MODS 和 5 mm 的 ER。如果使用高过量增益扫描模式，MODS 为 10 mm，ER 为 5 mm。单边和双边扫描可实现 10 mm 的 MODS 和 2.5 mm 的 ER。

单边扫描开始时，如第一（最低）光束被阻挡，表明有物体存在。然后，光幕检查中间光束。扫描器检查下四分之一光束，看中间光束是否未被阻挡。扫描器检查上四分之一光束，看中间光束是否被阻挡。

一旦确定上或下四分之一光束被阻挡或未被阻挡，就会继续将光束数量分成两半，直到找到物体的顶部边缘。

如果第一光束不一定会被遮挡，就可以使用双边技术。首先要选择步长，通常为 1、2、4、8、16 或 32 步，具体取决于应用需要。首先，光幕启动光束 1。如果该光束被挡住，那么第一条边就被识别出来了。如果没有被挡住，光幕就会激活下一个光束，而具体下一个光束是那一个则由步长决定。例如，如果步长为 4，光束 5 将被激活。

如果激活的光束未被阻挡，光幕会继续步进激活下一个光束，直到找到被阻挡的光束。此时，使用二进制搜索返回起点，以识别第一个受阻光束，并识别相应的边缘。重复这一过程，这次使用已识别的边缘作为参考点，并使用步进过程识别未受阻的光束，然后回溯找到受阻的最高编号光束，从而识别出第二条边缘。

图 5：双边扫描中的光束序列示例。（图片来源：Banner Engineering）

用于测量的光幕

Banner Engineering 的 A-GAGE EZ-ARRAY 测量光屏专为实时产品尺寸和轮廓测量、边缘导向和中心导向、孔检测、零件计数等应用而设计。其发射器和接收器的长度从 150 mm 到 2400 mm（5.9 英寸到 94.5 英寸）不等（图 6）。例如，EA5E600Q 型号长 600 mm（23.6 英寸），有 120 根光束。这些光幕支持精确高速过程监控与检测、轮廓分析以及卷料导引系统。其他特性包括：

• 多种扫描选项：
  • 16 种扫描分析（测量）模式
  • 三种扫描方式
  • 可选光束消隐
• 六位 DIP 开关，用于设置扫描模式、测量模式、模拟斜坡，以及设置用于补充测量或报警操作的离散度。

图 6：A-GAGE EZ-ARRAY 系列测量光幕的长度范围为 150 mm 至 2400 mm。（图片来源：Banner Engineering）

结语

光幕的作用远不止是阻止进入危险和敏感区域，还能保护人员和机器。它们可以使用消隐和屏蔽功能支持受控进出，以提高生产率。光幕还能支持非接触式测量技术，快速有效地测量物体的多个尺寸。