Automatyzacja i Robotyzacja Procesów Produkcyjnych

Temat: Projekt systemu bezpieczeństwa dla zrobotyzowanego stanowiska pracy

Zadanie:

Zaprojektować zabezpieczenia zapewniające odpowiedni poziom bezpieczeństwa pracy dla zrobotyzowanego stanowiska składającego się z: robota obsługującego maszynę (prasa, obrabiarka, stanowisko do spawania lub zgrzewania) magazynu wejściowego i wyjściowego oraz elementów układów zasilania i sterowania.

Dane do projektu:

- Schemat rozmieszenia stanowisk

- Dane katalogowe robota

Zadania do wykonania:

• Analiza zagrożeń, ocena ryzyka wystąpienia zagrożenia (analiza przestrzeni roboczej, możliwości wystąpienia kolizji, wtargnięcia człowieka)

• Wyznaczenie stref bezpieczeństwa,

• Analiza i dobór odpowiednich środków bezpieczeństwa (bariera, ogrodzenie, klatka, drzwi, blokady, wyłączniki bezpieczeństwa, itp.)

• Opracowanie kilku koncepcji rozmieszczenia zabezpieczeń,

• Dokonanie oceny koncepcji i wybór najlepszego wariantu,

• Rysunek rozmieszczenia stanowisk (w skali, zgodnie z normami rysunku technicznego),

• Opracowanie regulamin BHP dotyczący stanowisk zrobotyzowanych

• Opracowanie sprawozdania i wniosków.

Literatura:

1. Honczarenko J.: Roboty Przemysłowe. Budowa i zastosowanie. WNT, Warszawa 2004,

2. Klimasara W., Majdan K.: Bezpieczeństwo pracy na stanowisku zrobotyzowanym. Pomiary Automatyka i Robotyka nr 9/1997, s. 4-8,

3. Klimasara W., Pilat Z.: Podstawy automatyki i robotyki. WSiP, Warszawa 2006

4. Zdanowicz R.: Robotyzacja procesów wytwarzania. Wyd. Politechniki Śląskiej, Gliwice 2007,

5. Normy: Roboty przemysłowe. Bezpieczeństwo. PN-M-42087/1994, PN-EN-775:1998/AC:2002, ISO 10218:1992

Przykład: Zrobotyzowane gniazdo tokarskie

Gniazdo składa z dwóch tokarek CNC, robota, dwóch grawitacyjnych magazynów części, stanowiska reorientacji przedmiotu, oraz układów zasilania i sterowania obrabiarek i robota.

Schemat zrobotyzowanego gniazda tokarskiego

Robot pobiera przedmiot z magazynu wejściowego i przemieszcza go do strefy roboczej obrabiarki i mocuje w uchwycie obrabiarki. Układ sterowania robota przesyła sygnał do układu sterowania obrabiarki, który powoduje zamknięcie uchwytu obrabiarki. Po wycofaniu robota na bezpieczną odległość obrabiarka zaczyna pracę. Po zakończeniu programu obrabiarka wysyła sygnał do układu sterowania robota i robot pobiera przedmiot z uchwytu obrabiarki i umieszcza na stanowisku reorientacji. Następnie robot łapie przedmiot z drugiej strony i przemieszcza na drugą obrabiarkę, na której obrabiana jest druga strona przedmiotu.

Po zakończeniu obróbki przedmiot transportowany jest do magazynu wyjściowego i pobierany jest kolejny przedmiot (itd.)

Ponieważ w zasięgu robota R, znajdują różne przeszkody istnieje niebezpieczeństwo kolizji i uszkodzenia robota lub maszyny.

Musi być zapewniony dostęp dla obsługi w trakcie uzbrajania obrabiarki i programowania obrabiarki i robota.

W trakcie pracy automatycznej musi istnieć możliwość ręcznego awaryjnego wyłączenia całego gniazda z zewnątrz oraz automatyczne wyłączenie całego gniazda w wypadku naruszenia strefy bezpieczeństwa.

Zautomatyzowane Systemy Wytwarzania

Automatyzacja, mechanizacja i robotyzacja systemów wytwarzania ma na celu zastąpienie pracy ludzkiej pracą mechaniczną i eliminację czynności ludzkich podczas sterowania procesem produkcji.

Automatyzacja wytwarzania ma na celu:

• zwiększenie wydajności produkcji,

• skrócenie cyklu produkcji wyrobu,

• zmniejszenie jednostkowego kosztu wyrobu,

• zwiększenie bezpieczeństwa pracy (eliminacja pracy ludzkiej w warunkach szkodliwych),

• zwiększenie ergonomii pracy (eliminacja czynności męczących, powtarzalnych),

• zapewnienie jakości produkcji (wysoka dokładność i powtarzalność)

Rodzaje automatyzacji:

• sztywna - układy sterowania mechaniczne, elektryczne, pneumatyczne

• elastyczna - komputerowe układy sterowania CNC, PLC

Warunki zastosowania automatyzacji i robotyzacji:

• produkcja powtarzalna - masowa i wielkoseryjna,

• wymagana wysoka jakość wyrobów,

• szkodliwe warunki pracy,

Przykłady zastosowania robotyzacji:

• przemysł motoryzacyjny - spawanie, zgrzewanie, lakierowanie karoserii

• przemysł elektroniczny - montaż mikroprocesorów, urządzeń precyzyjnych

• różne - manipulacja, paletyzacja

Zagadnienia bezpieczeństwa podczas pracy z robotami

Robot - programowalna maszyna manipulacyjna realizująca niektóre funkcje człowieka

Cechy charakterystyczne robota:

• liczba stopni swobody,

• udźwig nominalny,

• masa części manipulacyjnej,

• prędkość maksymalna,

• zasięg pracy.

Uwaga!

Wysoki poziom zaawansowania technicznego współczesnych maszyn i robotów nie gwarantuje stuprocentowej niezawodności pracy i bezpieczeństwa

Czynniki wpływające na bezpieczeństwo pracy:

• Masa robota

• Prędkość przemieszczenia

• Przestrzeń robocza, zasięg robota

• Praca w warunkach szkodliwych: hałas, promieniowanie, zanieczyszczenia

Zagrożenia występujące podczas pracy z robotami:

• Wtargnięcie człowieka w przestrzeń roboczą,

• Nieprawidłowy ruch podczas programowania ręcznego,

• Nieprawidłowy ruch podczas pracy automatycznej,

• Kolizja ramienia robota z człowiekiem,

• Kolizja ramienia robota z elementami stanowiska,

• Awaria chwytaka - wypuszczenie przedmiotu manipulacji,

• Awaria zasilania - porażenie prądem,

• Awaria sterowania - niekontrolowane przemieszczenie

Najczęstsze przyczyny wypadków:

• niepoprawny ruch robota podczas programowania (błąd operatora) ,

• niewłaściwy ruch robota podczas testowania programu,

• błędne działanie innego obiektu systemu przy testowaniu programu,

• błędy obsługi przy regulacji i naprawie urządzeń,

• pojawienie się człowieka w strefie roboczej podczas pracy automatycznej

• nieprawidłowy ruch robota podczas pracy automatycznej,

Metody programowania robotów

Programowanie robota metodą uczenia (teach-in)

Programowanie robota metodą obwiedzenia trajektorii (play-back)

Programowanie offline

Schemat działań związanych z zapewnieniem bezpieczeństwa

Zabezpieczenia stosowane w systemach zrobotyzowanych

Zasady bezpieczeństwa podczas pracy z robotami

1. Stanowisko zrobotyzowane może obsługiwać tylko przeszkolony personel

2. Programowanie robota powinno odbywać się w obecności dwóch osób, przy czym tylko jedna osoba może znajdować się w strefie roboczej, a druga powinna być gotowa do awaryjnego zatrzymania robota

3. Podczas programowania, testowania i konserwacji prędkość maksymalna powinna być zmniejszona do 30% (ok. 0,3 m/s)

4. Pracownicy obsługujący roboty powinni mieć odpowiedni ubiór i pracować z zachowaniem staranności i ostrożności

5. Podczas pracy automatycznej obowiązuje bezwzględny zakaz wchodzenia w strefę roboczą

6. Strefa pracy robota powinna być oznakowana i zabezpieczona przed dostępem osób niepowołanych

7. Układy zasilania robota oraz linie zasilania i sygnałowe powinny być odpowiednio zabezpieczone

8. Przyciski stopu awaryjnego muszą znajdować się w miejscach dobrze widocznych i dostępnych - zarówno wewnątrz jak i na zewnątrz stanowiska

9. Powinny być stosowane automatyczne zabezpieczenia wyłączające robota w przypadku wtargnięcia człowieka w strefę niebezpieczną

10. Urządzenia ochronne muszą być bezwzględnie włączone podczas pracy automatycznej

11. W przypadku wyłączenia lub awarii urządzeń ochronnych robot powinien być bezwzględnie wyłączony

Zabezpieczenia bierne

Strefy bezpieczeństwa:

1. Strefa ostrzegawcza

2. Strefa alarmowa

Oznakowanie stref za pomocą linii namalowanych na podłożu

Urządzenia sygnalizujące i ostrzegawcze:

• świetlne - kolumny świetlne i lampy

• dżwiękowe - syreny ostrzegawcze

Uwaga: Nie zabezpieczają przed wtargnięciem człowieka w przestrzeń robota!

Zabezpieczenia materialne:

• Bariery

• Ogrodzenia

• Klatki

• Drzwi

• Rygle

Stanowisko zrobotyzowane w klatce ochronnej

Zalety:

Zabezpieczają przed wtargnięciem człowieka

Chronią przed wyrzuceniem przedmiotu manipulacji

Wady:

Ograniczają dostęp do stanowiska podczas programowania i serwisowania

Blokują drogę ucieczki podczas testowania programu

Wyłączniki bezpieczeństwa - stop awaryjny

Standardowe wyposażenie robotów:

• Wyłącznik na szafie sterującej

• Wyłącznik na panelu sterowania

• Włącznik zezwolenia ruchu (deadman-switch)

Wyłączniki awaryjne robota

Dodatkowe wyłączniki bezpieczeństwa (na zewnątrz klatki)

Linowy wyłącznik awaryjny

Kontaktowe systemy bezpieczeństwa

• Maty naciskowe

• Listwy dotykowe

Maty bezpieczeństwa - zasada działania

Listwy bezpieczeństwa

Bezdotykowe systemy bezpieczeństwa

• Fotokomórki

• Bariery świetlne

• Kurtyny świetlne

• Skanery laserowe

• Systemy wizyjne

Bariera świetlna

Kurtyna świetlna

Rozmieszczenie kurtyn świetlnych na stanowisku zrobotyzowanym

Zabezpieczenie skanerem laserowym z dwoma strefami bezpieczeństwa

Zabezpieczenia softwarowe (programowe)

1. Hasła dostępu do panelu sterowania robota

2. Programowe ograniczenie przestrzeni roboczej robota

3. Analiza przestrzeni kolizyjnej - w przypadku dwóch współpracujących robotów, których przestrzenie robocze się nakładają

Ograniczenie przestrzeni roboczej robota

Wymagania dotyczące systemu zabezpieczeń:

• Prostota obsługi

• Niezawodność i odporność na uszkodzenia

• Niemożliwość obejścia zabezpieczeń

• Odporność na zakłócenia elektryczne i przemysłowe

• Prosta instalacja i naprawa

• Niskie koszty

Analiza bezpieczeństwa

1. Określenie wymaganych zadań robotów - zakres ruchu robota, prędkość

2. Ocena potrzeby dostępu do stanowiska zrobotyzowanego (strefa alarmowa)

3. Identyfikacja źródeł zagrożeń - błędy obsługi i awarie

4. Ocena i oszacowanie ryzyka

5. Strategia zapewnienia bezpieczeństwa

6. Wybór metod ochrony

7. Oszacowanie poziomu bezpieczeństwa

Metody oceny ryzyka

FTA - drzewa błędów (Fault Tree Analysis),

ETA - drzewa zdarzeń (Event Tree Analysis),

FMEA - analiza wad i ich skutków (Failure Mode and Effects Analysis)

Robot

Obrabiarka CNC 1

Obrabiarka CNC 2

Magazyn wejściowy

Magazyn wyjściowy

Stanowisko reorientacji

Przedmiot

R

Układ sterowania CNC

Układ sterowania

robota

nadajnik

odbiornik

Skaner laserowy SafeZone

Układ sterowania CNC

---