使用光幕增强安全性和测量物体

作者:Jeff Shepard

投稿人:DigiKey 北美编辑

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 PanasonicIDECOmronBanner 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)。

2 类和 4 类光幕示意图(点击放大)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

屏蔽光幕示意图图 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)。

光幕支持以 40 mm 为增量的灵活长度图片图 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。

内部单元越紧凑,支持的光学输出就越高图片图 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。

双边扫描中的光束序列图片(点击放大)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。

Banner Engineering A-GAGE EZ-ARRAY 系列图片图 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。

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关于此作者

Jeff Shepard

Jeff 从事电力电子、电子元件和其它技术主题写作 30 余载。在其于 EETimes 任职高级编辑期间,他开始了电力电子写作。后来,他创立了一份叫《Powertechniques》的电力电子杂志,再后来又创立了一家全球性的研究和出版公司 Darnell Group。在开展各项业务的同时,Darnell Group 还发布了 PowerPulse.net,专门针对全球电力电子工程社区提供每日新闻。他是一本名为《Power Supplies》的开关模式电源教课书的作者,该书由 Prentice Hall 旗下 Reston 分部出版。

Jeff 还是 Jeta Power Systems 共同创始人,这是一家高功率开关电源制造商,后来被 Computer Products 收购。Jeff 也是一个发明家,其名下拥有 17 项热能收集和光学超材料美国专利,同时他也是掌握电力电子行业全球趋势的专家和网红发言人。他拥有加利福尼亚大学定量方法和数学硕士学位。

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