先进的安全保护技术与汽车制造业

　   当今世界，汽车作为最重要的交通、运输工具之一，在人们生活、工作中，占据了非常重要的地位。自19 世纪第一台汽车在FORD 公司诞生，汽车就开始改变了人们的生活方式和生活节奏。汽车制造业在经历手工---机械化---自动化的发展过程中，人们通过不断加强和改善汽车制造技术，使汽车逐渐成为放心的安全交通工具。可以说，先进、安全的制造技术功不可没，是人们不断接受汽车新产品、新技术坚实的后盾和基础。

    汽车制造业特别需要安全生产
    目前汽车整车生产线，依据主要工序可分为冲压、焊接、总装/涂装、发动机四大环节。首先机器人的使用，大大提高生产率，但也使得生产环境更加危险。机器人动作预设程序复杂、机器手臂的力量大，对处于其周围的人的安全威胁也相对大。其次汽车车身、底盘等金属壳体大多都是机器冲压而成。目前最多使用的是油压机自动化生产线，在这些机器周围，因为危险而受到伤害的程度是非常严重的。在焊接场所，无论焊接机器人，还是手工焊接，人的视觉疲劳、长时间的重复劳动，都容易增加生产事故。加上机器人在四周运动发出

的“吱吱”声，呼啸的动作，都对人的心理造成压力。在总装和涂装线上，受碰伤、切伤、挤压的可能性都很大。在发动机制造工序，数控机床、铣床的使用，追求效率和在生产成本的驱使，高速刀具、换刀架，高加速度的机床设备，对操作人员的威胁越来越多。先进的生产设备、工艺，促使汽车制造业的繁荣和复杂，同时处在其中的工作人员也就更危险，更加需要先进的安全保护技术，以确保他们的人身安全，维护企业的生产安全和利益。竞争加剧、成本降低要求汽车制造业的自动化程度越来越高，但是决不是说完全可以不需要人工干预。对于生产技术、过程监控，及时调整等要求，人员的经验和灵活性都是机器无法比拟的，所以对汽车制造这种自动化程度非常高的环境，处于其中的人员安全就尤其重要。

    安全保护技术标准
    安全保护的技术基础是来自欧洲先进的安全保护技术。机器最早起源于欧洲，经过200多年的不断发展和完善，目前已经形成众多标准。并被分成三个不同的层次结构：A 类、B类和C 类标准。A 类标准规定的是所有机器都必须要符合的基本标准。B 类标准是对整个类别的机器的共性做出了规定。B 类标准可细分为B1 标准和B2 标准，B1 标准对与安全保护相关的参数做出了规定，如安全间距、表面温度、噪音等；B2 标准规定的是对安全保护装置的具体要求，如双手按钮、安全门开关、安全地毯等。在大量的C 类标准里，每一个C类标准都对一种具体的机器装置做出了详细的规定。最常见的有关安全的标准有EN292、EN1050 危险评估和EN954-1 安全等级分类和使用标准。

    汽车制造业无论自动化程度的高低，都是建立在大大小小、各种各样的机器和生产线的基础上，所有设备都必须符合相应的安全标准，才可能确保生产作业人员和机器设备的安全。根据98/37/EC 机器指令，机器安全保护的原则是如下：1).凡是有危险的地方，就需要保护。2).保护要依据危险的等级，进行分析，从而选择合适的安全保护等级和措施。3).安全保护设计需要遵循的设计顺序，而且不可以逆序。

    * 安全应该贯穿机器开始设计、装配、调试到制造完成整个过程
    * 如果第一步无法完全避免危险，必须采取安全防护。
    * 上述措施无法避免的剩余危险，加贴醒目的警告标识
    * 说明书中关于机器操作的正确方法和警告

    安全保护产品在汽车行业的应用实例介绍
    对机器设备实现安全保护有多种方式，如机电式、电子式、液压式、气动式等等，使用最多、技术最成熟的方式是机电式。根据汽车制造业的特点和安全要求的特殊性，一般在汽车制造行业，依据要工序、工艺、保护的环境，结合经济、成本预算等，确定采取合适的安全标准和产品技术。主要可采取的方法如图1。

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图1. 常见安全保护装置、产品

    安全保护装置，可分两种：可分离式保护装置和不可分离式保护装置。对于前者，是比较经济的方式，需要机械围栏，将危险和人隔离开来，从而确保人远离危险。但是要求的生产场地相对较大，在人需要进出的地方，设置通道门，门上安装分离式安全门开关，和/或安全门锁开关，再和安全继电器组成安全监控保护电路。比如最常见的汽车生产现场中：焊接机器人、装配机器人等周围，全部

用铁机械围栏保卫起来，在不是很频繁进出的通道门上，安装有门锁开关（图2）。安全门开关和门锁开关锁最大的特点是，具有一个分离式的操动件。使用安全门开关和电磁开关锁必须确保在安全防护门打开时，机器设备不会产生危险的动作，这是通过门开关和门锁开关内部的肯定断开式安全触点来实现的；防护门关闭，不会意外启动机器。安装门开关，是在机器设备运行过程中，一旦安全防护门打开，控制机器的危险动作停止下来。使用安全门锁开关，一般是安全防护门必须一直保持锁定，只有机器停止运行且没有危险后，才允许打开门进入。除了焊接、总装工序使用机器人外，在发动机制造设备上，安全门、门锁开关也大量被应用于数控机床、铣床。在一些数控机床的安全门装置上，也可以安装安全限位开关，但是必须使用肯定断开式安全触点。肯定断开式安全触点的记号是：

图2. 机器人现场

图3. 光幕/光栅应用

    在汽车制造行业，制造自动化程度高，集成度高，材料消耗快等特点，需要频繁进出危险区域，常常在危险区域入口选择光栅和光幕（图3）。比如在冲压工序，需要不断送、取料的冲压设备上。在总装线上，机器人在一边取料

装配，另一边，对生产物料的随时进行补充时，不希望停止整条生产线，仅仅暂时停止该工位的取料机器人，那麽光栅/光幕成为最佳选择。带屏蔽功能的安全光幕/光栅在汽车制造行业的应用更为广泛，通过设定，这种光栅可以智慧地判断是产品，还是人阻挡了光线，分别作出停机或不与理会。而且这个设计保护原理，被尽可能大地复制到整条生产线上。这也就是为什麽光电式光栅和光幕在汽车线上应用的最多（图4）。

图4. 带屏蔽的光幕/光栅

图5. 安全地毯

图6. 安全模块

    设计选择、安装光栅和光幕后，必须人不能够绕过光栅和光幕进入危险区域。另外，如果周围光线太强，也会干扰机器人的动作可靠性。所以在焊接工序上，大量使用的是安全门、门锁保护装置。

    接触式的安全地毯也是应用广泛的一种。安全地毯必须确保符合欧共体标准EN 1760-1（图5）。通常，安全地毯用于保护经常有人通过的危险区域。当有人经过或站在安全地毯上时，安全地毯能够检测到所受的压力，并通过配套检测继电器输出一个断开信号。安全地毯结构非常坚固，甚至车辆通过，也能承受。安全地毯外层特殊的橡胶材料，具有很高的耐磨性和防水性，并能够承受多种化学物质的腐蚀。

    在机器设备的安全保护中，为了提高可靠性，特别是非常危险的机器设备，都采用安全监控器模块，以提高安全保护的等级。除了检测安全开关的开启和紧急停止开关的动作之外，安全监控器模块根据不同的设计，还可以检测到安全电路的其他故障：开关/传感器失效；电路断路；电路短路；接地短路；输出接触器触点烧焊；模块的继电器失效；检测电路故障；工作电压不足等（图6）。

    所有的机器设备都必须具有紧急停止功能（只有少部分例外情况）。紧急停止开关只能被用作为机器设备附加的预防危险的措施，而不能用来取代必需的安全保护装置，也不能用作自动的安全装置。在汽车总装线上，紧急安全拉线开关也是最多的紧急停止设备，在紧急情况下，在任何一处，拉动拉线，就可以实现停止。一个拉线开关可以等效若干个紧急停止按钮。

    所有安全保护产品均是符合一定的安全标准制造的。此外，还有保护双手的双手设备、安全边沿开关、复杂的区域保护用激光扫描器等等。这里就不一一介绍。

    结束语
    随着经济全球化的发展，国际标准化组织对于机器安全保护的标准选用，基础也大多是来自欧洲/德国相关的标准。这些标准的发展和命名以后将以ISO EN XXX 或EN ISO XXXX的形式出现。相对地，我国的国家标准主要是来自ISO 国际标准，但是在安全保护方面，目前还没有完整的对应的机器安全保护方面的标准，依照欧洲标准是当前最佳选择。有理由相信：随着汽车制造业的飞速发展，安全技术也将随着先进的汽车制造技术得到长足的发展。安全保护技术随着汽车制造加工技术的推广，必将应用到更广泛领域。