摘要：随着工业自动化的飞速发展，自动化弧焊系统越来越多的应用到各个行业。工业机器人弧焊系统更是广泛地应用在汽车工业中。以工业机器人为焊接主体，将工件放置在特定的自动夹具上定位夹紧，通过控制系统进行机器人自动化焊接的方式。而此类工作站的安全防护也是至关重要的，它主要包括两个方面，一个方面是焊接产生的弧光的防护，另一方面是机械安全失效。本文旨在设计弧焊系统时，将安全性放在设计的首要位置。做好弧光的防护和机械失效的发生。由于人的能力是有限的，只注重人员不安全行为的传统方法已不能满足人们对安全与健康的渴求，特别是对于机械设备日益复杂化、系统化和集成化的今天。因此，人们更趋向于采用消除设备的不安全状态和避免人的不安全行为与设备的不安全状态产生交集，采用这两种方法来避免安全事故，实践证明，这两种方法也是最有效的方法。

关键词：工业机器人  弧焊站 安全防护 安全失效 安全光幕

Key word:  industrial robot  welding working space safeguarding  safety failure  safety curtain

    利用工业机器人进行自动化焊接的系统，我们称之为机器人弧焊工作站。 如图1所示，一般的机器人弧焊站主要由以下几部分组成：

  

图1

1、弧焊机器人本体

    弧焊机器人本体指的是，一般具有6个自由度，使用高精度伺服电机，在一定工作范围中可以像人的手臂一样灵活、准确的运动。在弧焊系统中作为焊枪的载体，实现弧焊作业时所需要的焊接位置、焊接姿态、焊接轨迹等。由于机器人本体的大运动范围、快速的操作、手臂的快速运动等，这些都会造成安全隐患。整个机器人在最大的动作范围内均具有潜在的危险性。

图2  机器人本体的运动范围

2、功能设备

    功能设备在弧焊系统一般指的是各种焊接电源及焊接电源相关的所有配套设备，是体现系统功能的设备。根据客户要求或公司标配来选择合适的焊接设备。

3、工装夹具（包含变位机）

    工装夹具是实现工件定位的关键设备，按工件定位要求将工件精确定位，以实现机器人对工件的精确焊接。常常根据焊缝的形状需要增加变位机设备来实现机器人和变位机的运动配合，实现复杂及环形焊缝等。

图3 变位机运动范围及工装夹具

4、电气控制设备

    电气控制设备是系统运行的控制中心，是系统正常运行的保障。自动化主要也是由电气控制来实现的，人为的输入相关的指令，系统会自动实现焊接的过程。操作人员只需轻轻一按，相关设备就会按照人员预先设置的程序指令，实现自动化的工作过程。这是操作人员和设备的交流介质。

5、 系统安全设备

    系统安全设备一般指的是系统防护栏，弧光防护、设备安全以及人员安全保障的设备。主要根据工作站的危害根源设计相关的防护，确保操作人员的安全。

    机器人弧焊工作站对人体的伤害主要来自两个方面，一方面是焊接本身对人的危害，另一方面是运动的机器人和变位机等机械设备在其运动范围内的潜在危险。下面分别介绍这两方面的危害。

1、焊接带来的危害

（1） 焊接弧光

    焊接时，强烈的弧光对眼睛、皮肤等会产生急、慢性损伤。眼部受到弧光中的紫外线过度照射会引起角膜结膜炎。轻者眼部有异物感和轻度不适，重者眼部有灼伤感和剧烈疼痛，并伴有畏光、流泪、脸部痉挛等症状。

（2） 焊接烟尘和有毒气体 

    焊接时，焊丝、焊条和药皮在高温作用下，产生大量有害的烟尘，这些烟尘的主要成分有铁、铝、锰等。空气在弧光的作用下会产生氮氧化物等有毒气体。人一旦长期吸入此类金属粉尘和有毒气体，对人身的伤害很大。

2、安全失效带来的机械伤害

    安全失效是指当机器人及其系统在实际运行时，元器件或某个部件发生不可预见的失效。在系统设计时就应该考虑到这些情况，若某一项功能受到影响暂停时，则整个系统仍然处于安全状态，且应提供一种能确保安全（如锁住）的工作方式选择器件或措施以防止自行启动。

    机器人弧焊站的安全防护方式主要是针对上面提到的两种伤害，一种是针对弧光、弧焊烟尘及有毒气体，另一种是针对机械失效。对于这两种伤害分别采用不同的安全防护方法。

1、针对弧光及烟尘的防护

    一般情况下对弧光、烟尘的防护主要是遮挡，利用封闭的安全栏将焊接位置和外界隔离开。并且在焊接工位的上方安装排烟系统，将焊接产生的烟尘、有害气体排出工作站，进行集中处理。安全栏是系统安全设备的一部分。如图4所示，周边防护栏将焊接工位与外界隔离，防护栏顶部安装防护顶盖，并连接至排烟尘系统或管道。在焊接产生烟尘、有害气体时，能及时排出工作站外，使操作或维护人员在工作站外不能看见弧光，或进入工作站内时防止呼吸到有害的烟尘。一般的弧焊工作站都应具备此防护系统。

图4      图5

    除了上面整体的防护外，根据工作站的布置不同，还应采取不同的方法将操作人员和弧焊处进行隔离。在多工位焊接工作站中，应利用柔性或刚性的防护设施将正在装卸工件的操作人员和正在焊接的工位隔离开，以避免操作人员在工作过程中受到弧光的伤害。现就几种常用的布置来说明在焊接过程中如何将操作人员和焊接工位进行隔离。

（1）单工位弧焊站的弧光防护

    单工位弧焊站主要的弧光防护在人员安装工件的位置，其余位置都可利用固定的安全防护装置来遮挡弧光，而装卸工件的位置，是人员操作的位置，如果在焊接时，不进行封闭遮挡，则工作站外的人员很容易受到弧光和烟尘的伤害。如图5所示，是一个单工位的工作站，人员在A处可以安装工件或进行夹具快换，但机器人在夹具处焊接时，此位置需要与外界隔离开，否则站外的人员将受到弧光的伤害。一般用柔性的设备安装在A处，焊接时，此柔性设备关闭，隔离了弧光和烟尘。装卸工件时，此设备打开，人员可以装卸工件。这样，机器人焊接时，站外的操作人员就避免了伤害。A处的设备可以根据实际情况和用户的要求进行设计或购买，一般使用自动的卷帘门，可以实现自动控制以及柔性隔离。                                                                       

（2）两个及两个以上工位的弧光防护

    为了提高效率并节省空间，一般的弧焊工作站会设计两个或两个以上的焊接工位，当某一工位在焊接时，另一个工位可以装卸工件，这样可以大大提高设备的使用效率。常用的两个工位的工作站如图6所示。

图6

    这几种工作站的布置除了外形不同外，在防护弧光方面是一致的。都需要在A1和A2处安装柔性遮挡设备，B处需要安装刚性或柔性的遮挡设备，将夹具1和夹具2隔离开。机器人在夹具1处焊接时，夹具2处于人工装卸件状态。如果没有B处的遮蔽，那么操作人员在夹具2处装卸工件时，就会受到弧光的伤害。而且设计B处的弧光遮蔽设备时，必须考虑到机器人的运动范围，既不能和机器人运动干涉，还要有遮挡弧光及焊接飞溅的作用，需要根据实际设备的布置情况进行设计。

2、针对机械安全失效

    弧焊站的安全性除了防止弧光、烟尘等对周围环境及人员的危害，更重要的是防止机械安全失效。弧焊系统处于工作状态时，要保证操作人员处于安全范围。在操作人员误操作或机器意外失效时，系统能及时停止工作，以保证人员的安全。而大多数的不安全事故的发生都是由于人的不安全行为、设备的不安全状态或人的不安全行为和设备的不安全状态的交集。这些都会造成人员的伤害，所以要从以下几个方面来防止危害的发生。

（1）消除人的不安全行为

    人的不安全行为主要是，操作人员对系统的不适当操作而造成的人员危害，只能通过法律法规、部门规章和作业标准来规范操作人员的行为来避免危害的发生。所以需经常对操作人员进行操作规程和安全意识的培训，提高操作人员的素质和能力。

（2）消除设备的不安全状态

    由于人的能力是有限的，只注重人员不安全行为的传统方法已不能满足人们对安全与健康的渴求，特别是对于机械设备日益复杂化、系统化和集成化的今天。因此，人们更趋向于采用消除设备的不安全状态或人的不安全行为和设备的不安全状态的交集的方法来避免安全事故，实践证明，这两种方法也是最有效的方法。

    弧焊站中不安全的设备主要包括焊接机器人和可回转的变位设备。这两者都有一定的运动范围，如果操作人员在工作状态下进入它们的运动范围，则存在极大的危险。在设备处于工作的过程中，要防止人员进入不安全区域。首先要将人员与这两者的运动范围采用固定的防护装置隔离开，防止人员进入不安全区域，降低人员暴露于危险区域的几率。其次是操作人员进入危险区域时，一定要保证机器处于停止或失效状态。

图7           图8

    如图7所示，A1、A2是装卸工件的位置，要求操作人员装卸工件只能在阴影区域操作，用固定的护栏、围挡等防止操作人员进入工作站的其它区域。同时可在人员操作的适当位置安装安全光幕来进行检测，如果有人员进入此区域，安全光幕检测到信号后，通过安全继电器将信号传输给机器人控制系统，切断设备电源，设备停止工作。这是将机械和电控联合起来消除物的不安全因素。

    图7中C处是安全门，人员由此门进入对系统进行维护、维修。在工作站正常运转状态下，人员是不允许由此门进入工作站内的。安全门上除了安装机械锁外，还需安装电子安全锁，如图8所示，用来检测安全门的打开关闭状态。当操作人员在进入工作站维护、维修时，工作站内的设备是处于失效状态的。而当操作人员在设备运行时打开安全门时，安装在门上的安全锁本体和安全钥匙脱离，系统检测到此信号断开，通过安全继电器将信号传给机器人控制系统，切断设备电源，强制设备停止工作，以确保人员的安全。

    除此以外，工作站的外部安装急停按钮，当有意外状况发生时，站外的操作人员能及时按下急停按钮，使系统立即停止。急停按钮也是通过安全继电器和机器人控制系统连接，能及时切断设备电源，停止设备的运转。这些方法都可以有效的防止设备运行时意外的发生。

（3）消除人的不安全行为与设备的不安全状态的交集

    人员是操作的核心，只有避免人的不安全行为，并结合设备的安全状态，则相对而言是人员安全的最好保证。在实际工作中，设计弧焊系统时，要将设备的不安全状态考虑周全。在实际操作时，要对操作人员进行各种法规、操作规程及安全意识的培训，在日常生产中养成良好的安全、正确的操作习惯。

    对于弧焊系统的安全来说，主要是从弧光的防护、机械安全失效两点来说明。在系统弧焊站的设计之前，要充分考虑到设备的不安全因素，通过机械的方式避免设备的不安全。弧焊站一般采用固定或柔性的护栏及隔离板进行设备的防护，将人和不安全的设备强制隔离。在影响操作或设备相互干涉的情况下，要考虑用柔性的护栏进行隔离。机械安全失效主要采用电控的方法来实现，通过电子控制元器件的连接，在设备工作状态下，出现人员误操作或进入危险区域时，会自动切断设备电源，强制设备停止工作，以保证人员的安全。最后，对于操作人员安全意识、操作规范的培训也是至关重要的。只有在充分考虑安全因素，按照正确的操作规范和方法操作设备，相信安全才有保证。