В точном производстве безопасность никогда не бывает лишней. Небольшие сервопрессы могут выглядеть компактными и чистыми, но они все равно создают мощную силу. Без надлежащей системы безопасности операторы могут столкнуться с такими рисками, как травмы рук или повреждение инструмента. Поскольку сервосистемы становятся все более быстрыми и программируемыми, безопасная конструкция и настройка становятся еще более важными.
Безопасная система малых сервопрессов имеет несколько уровней защиты. К ним относятся физические ограждения, датчики, блокировки и кнопки аварийной остановки. Каждая деталь работает вместе, чтобы предотвратить несчастные случаи, обнаружить необычные условия и защитить оператора и машину. Когда система спроектирована с учетом требований безопасности, она остается надежной и сокращает время простоя.
Современные прессы стали умнее, но это не делает их автоматически более безопасными. Ключевым моментом является разработка сервопресса, обеспечивающего безопасность людей и производительности.
Понимание безопасности в системах сервопрессов
Безопасность систем сервопресса зависит как от точности управления, так и от надежности механической конструкции. В отличие от старых прессов, модели с сервоприводом перемещаются с помощью цифровых программ движения.
Чем сервопрессы отличаются от традиционных прессов？
В сервопрессах вместо гидравлических или пневматических систем используются электродвигатели. Такая установка устраняет риск утечки масла или потери давления воздуха. Однако при этом возникает новая проблема - каждое движение зависит от команд программного обеспечения. Каждый ход, скорость и усилие следуют запрограммированным инструкциям.
Это цифровое управление обеспечивает превосходную точность. Однако незначительная ошибка в программировании может привести к небезопасному движению. Чтобы избежать этого, сервопрессы полагаются на постоянную обратную связь с энкодерами, датчиками крутящего момента и мониторами положения. Эти датчики проверяют, что ОПУ движется точно так, как ожидается во время каждого цикла.
Безопасность в значительной степени зависит от точности обратной связи. Энкодер с высоким разрешением (20 бит или выше) может обнаружить изменения положения размером всего 0,001 мм. Если система обнаруживает ненормальное движение, она может немедленно остановить его.
⚙️ Пример: В сервопрессе с усилием 5 кН, используемом для сборки разъемов смартфонов, ограничение крутящего момента позволяет остановить плунжер в течение 8 миллисекунд после обнаружения перегрузки. Это предотвращает повреждение как штампа, так и детали.
Общие проблемы безопасности в компактных прессовых системах
Компактные сервопрессы обычно устанавливаются рядом с операторами или интегрируются в испытательные установки. Их малые размеры создают особые проблемы с обеспечением безопасности, особенно при ограниченном пространстве для установки ограждений или крышек.
Чаще всего опасность представляют места защемления. Небольшой зазор между полозьями и короткий ход облегчают доступ рук или инструментов к опасным зонам. Прозрачные экраны, световые завесы или двуручное управление помогут предотвратить несчастные случаи.
Перегрузки возникают, когда детали смещены или слишком туго затянуты, что мешает их правильной установке. Сервопрессы справляются с этим с помощью ограничений крутящего момента, обычно устанавливаемых на уровне 110-120% от номинальной мощности. При достижении предела движение останавливается, и система регистрирует это событие для проверки.
Ошибки движения, такие как дрейф энкодера или потеря синхронизации, могут возникать из-за вибрации или электрических помех. Инженеры часто добавляют резервные датчики или выполняют контрольные проверки для обеспечения точности показаний.
Механическое проектирование безопасности
Механическая безопасность - основа надежности сервопресса. Каждая деталь конструкции должна выдерживать повторяющиеся нагрузки, контролировать вибрацию и предотвращать деформацию.
Прочность и устойчивость рамы
Рама пресса - это основа безопасности. На нее приходится все усилие, создаваемое серводвигателем. Если рама прогибается или смещается, точность снижается, а риски для безопасности возрастают.
Малые сервопрессы обычно работают в диапазоне от 1 до 30 кН. Даже отклонение на 0,1 мм при полной нагрузке может изменить центровку инструмента и повредить детали. Чтобы предотвратить это, инженеры используют высокопрочную сталь, направляющие с прецизионной обработкой и усиленные сварные швы при изготовлении рамы.
Анализ методом конечных элементов (FEA) помогает смоделировать, как рама справляется с нагрузками. Конструкторы стремятся поддерживать уровень напряжений ниже 60% предела текучести, что обеспечивает долговременную жесткость даже после миллионов циклов.
⚙️ Пример: Настольный пресс с усилием 10 кН и С-образной рамой сохранил точность формовки ±0,005 мм после миллиона непрерывных циклов. Это показывает, что жесткость напрямую поддерживает как точность, так и безопасность.
Системы защиты от перегрузки
Защита от перегрузки действует как встроенный предохранительный клапан пресса. Современные сервопрессы используют контроль крутящего момента в реальном времени, ограничения тока, а иногда и механические муфты, чтобы остановить движение до того, как произойдет повреждение.
Когда сопротивление превышает заданный крутящий момент - обычно 110-120% от номинальной мощности - система немедленно останавливается и втягивает плунжер. Это защищает как оснастку, так и корпус пресса.
Некоторые системы оснащены механическими муфтами, которые автоматически отключаются при превышении предельного крутящего момента. Эта функция полезна при высокоскоростных операциях, когда на счету каждая миллисекунда.
⚙️ Пример: При сборке разъемов срабатывание перегрузки остановило пресс усилием 3 кН всего за 6 мс. Быстрая остановка позволила предотвратить поломку инструмента и сократить время простоя до 10 минут.
Охрана и ограждения
Физические ограждения - это первая линия защиты. Они отделяют оператора от движущихся частей, сохраняя при этом высокую видимость.
В компактных сервопрессах часто используются прозрачные ограждения из поликарбоната. Они ударопрочны и позволяют операторам хорошо видеть рабочее пространство. Панели и двери оснащены защитными блокировками, поэтому, если защитный кожух открывается, питание двигателя немедленно отключается.
Световые завесы и зональные сканеры обеспечивают дополнительный уровень защиты. Если рука или предмет задевает луч, пресс останавливается в течение 10-20 миллисекунд. Эти системы наиболее эффективны на предприятиях, где требуется частая ручная загрузка и выгрузка.
⚙️ Пример: Световая завеса, расположенная на расстоянии 300 мм от поверхности штампа, останавливает пресс с усилием 5 кН до того, как плунжер сдвинется более чем на 4 мм, что достаточно для предотвращения травм.
Безопасность электрооборудования и систем управления
После того как рама и механика надежно защищены, следующей линией обороны становятся электрические системы и системы управления. Эти системы предотвращают нежелательные движения, обнаруживают неисправности в режиме реального времени и надежно изолируют питание во время технического обслуживания или в аварийных ситуациях.
Аварийный останов и безопасное отключение крутящего момента (STO)
Аварийный стоп (E-stop) - это самое прямое средство безопасности на любом сервопрессе. При нажатии он отключает сигналы двигателя и мгновенно останавливает плунжер. Большинство прессов срабатывают менее чем за 10 миллисекунд, не оставляя времени для дальнейшего движения.
Функция безопасного отключения крутящего момента (STO) добавляет еще один уровень контроля. Вместо того чтобы полностью отключить питание, STO лишает двигатель способности создавать крутящий момент, но сохраняет логическое питание. Это предотвращает незапланированное движение и позволяет быстро восстановить систему после устранения проблемы.
⚙️ Пример: На сервопрессе с усилием 2 кН, используемом для сборки печатных плат, STO мгновенно прекратил выдачу крутящего момента, сохранив при этом данные о положении. Технический персонал устранил затор и возобновил производство без необходимости полной перезагрузки.
Проектирование схем с резервированием
В сервопрессах используются двухканальные цепи безопасности для всех ключевых сигналов, включая E-стопы, блокировки и световые завесы. Каждый канал работает независимо, и оба должны подтвердить безопасное состояние перед началом движения.
Если один из каналов выходит из строя, система немедленно обнаруживает несоответствие и останавливает пресс. Защитные реле контролируют оба канала, чтобы убедиться в правильности работы синхронизации и контактов.
Проводка выполнена по принципу отказоустойчивости, то есть обрыв провода или ослабление разъема автоматически переводит систему в режим "небезопасно". Такая конструкция позволяет избежать одномоментных отказов, которые могут привести к несчастным случаям.
⚙️ Пример: Пресс усилием 10 кН с двухканальными реле обнаружил задержку в 25 мс на одной стороне. ПЛК немедленно определил проблему и заблокировал повторное включение до устранения неисправности.
Механизмы изоляции и блокировки питания
Безопасное обслуживание зависит от полной изоляции питания. На каждом прессе должен быть установлен главный выключатель, отключающий все входящее питание, включая управляющее напряжение и питание сервоприводов.
Во время технического обслуживания процедура блокировки/тагаута (LOTO) гарантирует, что никто не сможет случайно восстановить питание. Каждый специалист запирает выключатель и прикрепляет к нему бирку со своим именем. Питание может быть восстановлено только после снятия всех замков.
Остаточный заряд в конденсаторах все еще может представлять опасность. В современных прессах используются цепи стравливания для разряда накопленной энергии в течение 30-60 секунд после отключения.
⚙️ Пример: Техник, настраивающий оснастку, отключает главный выключатель, применяет LOTO и ждет сигнала "Разряд конденсатора завершен", прежде чем войти в защитную зону - процедура, соответствующая стандартам OSHA и CE.
Управление движением и безопасность программного обеспечения
Управление движением определяет, как сервопресс будет двигаться в любой ситуации. Поскольку сервосистемы опираются на запрограммированное движение, а не на энергию жидкости, безопасность обеспечивается тщательной настройкой программного обеспечения, проверенными ограничениями и интеллектуальным обнаружением неисправностей.
Программируемые пределы и безопасные зоны
Сервопрессы управляют ходом, скоростью и усилием с цифровой точностью. Эти параметры действуют в пределах безопасных зон, задаваемых программным обеспечением, которые служат встроенными ограничениями. Машина постоянно отслеживает свое положение и крутящий момент, чтобы убедиться, что движение остается в этих пределах.
Программируемые пределы действуют как невидимые стены. Если плунжер выходит за пределы заданного диапазона или превышает допустимое усилие, контроллер немедленно останавливает движение. Например, сервопресс с усилием 10 кН может быть ограничен перемещением на 75 мм и усилием 8,5 кН при настройке для предотвращения контакта с инструментом.
Безопасные зоны полезны при переналадке деталей или ручных операциях. В режиме настройки такие функции, как безопасная ограниченная скорость (SLS) и безопасное положение (SP), замедляют работу пресса до скорости менее 10 мм/с, что позволяет оператору успеть среагировать до того, как произойдет движение с полной силой.
⚙️ Пример: На линии сборки разъемов режим SLS замедлил движение 90% во время калибровки приспособления, обеспечив безопасную ручную регулировку без отключения питания.
💡 Совет: После изменения программы всегда перепроверяйте настройки перемещения и усилия. Даже незначительное смещение координат может вывести плунжер за пределы безопасного диапазона.
Эти программируемые ограничения обеспечивают полный контроль над прессом, гарантируя, что каждое движение будет происходить по правильной траектории, и что система мгновенно отреагирует, если произойдет что-то необычное.
Мониторинг силы и перемещения
Каждый цикл сервопресса создает кривую зависимости усилия от перемещения, иллюстрирующую изменение усилия на протяжении всего хода. Сравнивая эту кривую с сохраненным эталоном, пресс может обнаружить незначительные отклонения до того, как они приведут к повреждениям или угрозе безопасности.
Если фактическая кривая отличается более чем на ±3-5%, система останавливает движение и предупреждает оператора. Такое сравнение в реальном времени помогает выявить ранний износ инструмента, изменения материала или ошибки центровки.
⚙️ Пример: В процессе установки штифта постепенное смещение кривой перемещения на 0,15 мм в течение 200 циклов выявило изношенную втулку. Техническое обслуживание заменило ее до того, как она нанесла ущерб.
Интеграция ПЛК безопасности
В центре программной системы безопасности находится ПЛК безопасности - специализированный контроллер, который управляет всей логикой безопасности, помимо основного управления движением.
Безопасный ПЛК использует два процессора и сертифицированное программное обеспечение, соответствующее стандартам ISO 13849 (PL e) или IEC 62061 (SIL 3). Он контролирует такие входы, как E-стопы, блокировки и датчики, немедленно реагируя при возникновении любых небезопасных условий.
Помимо основных функций остановки, он позволяет использовать расширенные режимы безопасного движения, такие как:
- SLS (безопасная ограниченная скорость): Ограничивает скорость, когда операторы работают в защищенных зонах.
- SOS (безопасная остановка работы): Удерживает положение, пока момент затяжки остается выключенным для проверки.
- SDI (безопасное направление): Позволяет двигаться только в одном направлении во время определенных операций.
⚙️ Пример: Во время пробного запуска ПЛК безопасности заметил неравномерную обратную связь с энкодером и активировал режим SOS. Пресс остановился в середине движения, предотвратив столкновение инструмента с деталью.
Интерфейс оператора и эргономика
Интерфейс оператора - это место, где технология соединяется с человеком. Хорошая эргономика и понятные органы управления превращают безопасность из требования в естественную привычку.
Особенности безопасности человеко-машинного интерфейса (HMI)
ЧМИ должен упрощать безопасную работу. Чистая компоновка, яркие цветовые индикаторы и логичный поток экранов помогают операторам быстро и правильно реагировать на происходящее.
В современных сервопрессах часто используются сенсорные HMI, которые отображают состояние машины с первого взгляда:
- Зеленый - "Готовность"
- Желтый - "Внимание"
- Красный - "Стоп"
Эти сигналы дополняются звуковыми оповещениями о таких ключевых событиях, как перегрузка или открытие защитной двери. Двухступенчатые подсказки с подтверждением предотвращают случайный запуск цикла, требуя от оператора подтверждения действий перед их продолжением.
⚙️ Пример: На линии сборки разъемов добавление двухступенчатого подтверждения в HMI сократило количество случайных запусков на 35%.
Дизайн рабочего места и доступность
Эргономичный дизайн позволяет операторам чувствовать себя комфортно и быть начеку. Неудачно расположенные педали, переключатели или рабочие поверхности могут привести к усталости и ухудшению реакции в критические моменты.
Хорошее оборудование подходит оператору, а не наоборот. Регулируемая высота столов (850-950 мм), угловые крепления и наклоняемые подносы позволяют работникам сохранять естественную позу во время длительных смен.
Освещение также имеет большое значение. Мягкое светодиодное освещение вблизи пресса уменьшает блики и тени, улучшая видимость при размещении или осмотре деталей. Нескользящие полы и свободное пространство для ног помогают предотвратить случайное нажатие на педали.
⚙️ Пример: Редизайн рабочего места для работы со скамьей 5 кН повысил скорость цикла на 12% и практически исключил жалобы на напряжение запястья.
Уровни подготовки и авторизации
Обучение превращает встроенные средства безопасности в абсолютную защиту. Операторы должны понимать не только, как управлять прессом, но и как интерпретировать его сигналы, аварийные сигналы и индикаторы состояния.
Комплексное обучение должно включать в себя:
- Безопасный запуск и остановка
- Процедуры тестирования E-stop и STO
- Чтение и понимание кривых "сила-перемещение
- Правильная реакция на перегрузку или неисправность движения
Многоуровневый контроль доступа также помогает предотвратить ошибки. Операторы запускают утвержденные программы, технические специалисты выполняют настройку, а инженеры настраивают параметры системы. Доступ обеспечивается с помощью паролей или RFID-карт, которые обеспечивают отслеживаемость и предотвращают несанкционированное редактирование.
⚙️ Пример: Трехуровневая система доступа - Оператор, техник, инженер - сокращение ошибок программирования на 40% и уменьшение времени простоя из-за неправильных настроек.
Техническое обслуживание и меры по снижению риска
Сервопресс остается безопасным только при регулярном обслуживании его систем безопасности. Профилактическое и профилактическое обслуживание обеспечивает безопасную и точную работу пресса на протяжении всего срока службы.
Текущие проверки и калибровка датчиков
Регулярные проверки - основа безопасной системы. Операторы должны проверять все аварийные остановки, блокировки и световые завесы в начале каждой смены.
Механические детали, такие как направляющие, болты и направляющие штифты, должны быть проверены на предмет ослабления, царапин или необычного износа. Также полезно провести быстрый тест на вибрацию - любое показание свыше 0,3 мм/с в среднеквадратичном значении может указывать на несоосность или дисбаланс.
Датчики и энкодеры также нуждаются в плановой калибровке для поддержания точности. Для большинства малонагруженных прессов хорошо подходит цикл 6-12 месяцев. В системах с высокой нагрузкой калибровку рекомендуется проводить каждые три месяца.
⚙️ Пример: На предприятии, где выполняется 25 000 циклов в неделю, каждый квартал проводится повторная калибровка датчиков крутящего момента. Дрейф датчика снизился с 0,4% до менее 0,05%, что позволило сохранить точность измерения усилия в пределах безопасности.
Предиктивный мониторинг и регистрация данных
Цифровой мониторинг делает обслуживание еще одним шагом вперед. Сервопресс непрерывно регистрирует ток двигателя, температуру и данные о перемещении силы. Изучая эти данные, инженеры могут выявить незначительные проблемы до того, как они перерастут в серьезные неисправности.
Предиктивный анализ позволяет выявить тенденции - постепенное увеличение крутящего момента двигателя или замедление времени отклика часто сигнализирует об износе или несоосности. Если показания отклоняются от нормального диапазона более чем на 5%, система предупреждает обслуживающий персонал о необходимости проведения исследования.
⚙️ Пример: Сервопресс с усилием 3 кН показал медленное увеличение показаний крутящего момента. Команда технического обслуживания обнаружила изношенный шариковинтовой подшипник и заменила его во время планового простоя, избежав полной остановки производства.
Политика в отношении запасных частей и замены
Даже самый лучший пресс зависит от качества его деталей. Использование несертифицированных или несоответствующих компонентов может снизить уровень безопасности и нарушить нормативные требования.
Все запасные части - датчики, реле и приводы - должны соответствовать оригинальному уровню производительности (PL) или уровню целостности безопасности (SIL). Ведите четкий учет сертифицированных запасных частей, включая те, которые имеют отслеживаемые серийные номера и сопроводительную документацию, чтобы обеспечить точную и своевременную замену.
Критически важные детали безопасности, такие как реле E-stop и световые завесы, следует заменять каждые 3-5 лет или раньше, если они подвергаются воздействию тепла, вибрации или пыли.
⚙️ Пример: На одном из предприятий все защитные реле заменялись каждые четыре года. В результате количество непредвиденных неисправностей в цепи сократилось на 70% по сравнению с заменой реле только в случае их выхода из строя.
Заключение
Безопасность в небольших сервопрессах - это не просто дополнение, а основа, поддерживающая точность производства. Каждый слой, от механической конструкции до программного обеспечения для перемещения, вносит свой вклад в стабильную работу и защиту оператора. Когда эти системы должным образом проверяются, обслуживаются и используются, они работают вместе, создавая безопасную и надежную производственную установку.
Готовы ли вы повысить безопасность и производительность ваших систем сервопресса? Наша команда инженеров может оценить вашу текущую установку, проверить ее соответствие стандартам и порекомендовать меры по повышению безопасности с учетом ваших конкретных потребностей. Свяжитесь с нами сегодня чтобы обсудить ваш проект или запросить подробную оценку рисков.
Часто задаваемые вопросы
Каким стандартам безопасности должен отвечать небольшой сервопресс?
Небольшой сервопресс должен соответствовать стандартам ISO 12100 для оценки рисков, ISO 13849 или IEC 62061 для надежности управления, а также OSHA 1910/ANSI B11 для охраны и безопасности работы, в зависимости от региона, где он установлен.
Как безопасное отключение крутящего момента (STO) защищает операторов?
STO мгновенно отключает крутящий момент двигателя, сохраняя при этом мощность управления. Это позволяет безопасно остановить движение без отключения всей системы, что обеспечивает быстрое и безопасное обслуживание или смену инструмента.
В чем разница между механической и программной безопасностью?
Механическая безопасность опирается на конструкцию машины и физические ограждения для предотвращения контакта или травмы. Программная безопасность управляет программируемыми ограничениями, мониторингом усилий и логикой ПЛК безопасности для предотвращения небезопасных движений в определенных зонах.
Можно ли безопасно использовать сервопрессы с коботами или автоматизированными системами?
Да. Сервопрессы безопасно работают с совместными роботами, если они оснащены приводами с классом SIL 3, безопасными протоколами связи, такими как PROFIsafe или EtherCAT Safety, и зонированным мониторингом, позволяющим людям и роботам безопасно делить рабочее пространство.
Как часто следует проводить проверки безопасности?
Ежедневные функциональные проверки необходимы до начала производства. Полная калибровка, валидация и проверка данных должны проводиться каждые 3-6 месяцев или при внесении изменений в аппаратное или программное обеспечение.
Привет, я Кевин Ли
Последние 10 лет я занимался различными формами изготовления листового металла и делился здесь интересными идеями из своего опыта работы в различных мастерских.
Связаться
Кевин Ли
У меня более десяти лет профессионального опыта в производстве листового металла, специализирующегося на лазерной резке, гибке, сварке и методах обработки поверхности. Как технический директор Shengen, я стремлюсь решать сложные производственные задачи и внедрять инновации и качество в каждом проекте.
