Ограждение роботизированной ячейки: высота забора, световые завесы и расчёт безопасного расстояния

Промышленный робот переносит детали массой в десятки килограммов и двигается так быстро, что человек не успевает отойти, а датчиков контакта, как у кобота, у него нет. Поэтому промышленного робота, у которого нет функций ограничения силы и скорости, ставят в ячейку: внутрь человек попадает только тогда, когда робот остановлен или переведён в безопасный режим. Ниже разобрано, как устроена такая ячейка, какие стандарты задают её размеры и как посчитать, на каком расстоянии ставить световую завесу.

Какие стандарты определяют безопасность ячейки

Требования к роботу и требования к ячейке разделены на две части стандарта ISO 10218. Первая часть касается самого робота: тормоза, режимы управления, пульт обучения. Вторая, ISO 10218-2, описывает робототехническую систему целиком: робот, захват, оснастку, ограждение, загрузочные места и всё, что интегратор собрал вокруг. Ответственность за вторую часть лежит на том, кто строит ячейку, а не на производителе робота.

В феврале 2025 года ISO выпустил новые редакции обеих частей вместо версий 2011 года. В Европе они стали гармонизированными стандартами к Директиве о машинах после публикации ссылок в Официальном журнале ЕС 7 сентября 2026 года. Главные изменения для интегратора:

• требование «PL d, категория 3» для всех функций безопасности заменили таблицей функций, у каждой из которых свой уровень по умолчанию;
• роботы разделены на классы: класс 1 для маломощных машин без значимой опасности, класс 2 для всех остальных промышленных роботов;
• требования к совместной работе с человеком перенесли из ISO/TS 15066 внутрь ISO 10218-2;
• появилась отдельная функция «нормального останова», например в конце смены, чтобы не останавливать ячейку аварийной кнопкой;
• добавлены требования к ручным станциям загрузки, захватам и кибербезопасности.

ISO 10218-2 в новой редакции занимает больше 250 страниц, и сам по себе он размеры забора не задаёт: для этого он ссылается на общие стандарты безопасности машин. Расстояния до опасной зоны через ограждение берут из ISO 13857, расстояние до световых завес и сканеров считают по ISO 13855, блокировку дверей делают по ISO 14119, а надёжность цепей безопасности оценивают по ISO 13849-1.

Оборудование, которое продаётся в странах ЕАЭС, кроме того, должно соответствовать техническому регламенту ТР ТС 010/2011 «О безопасности машин и оборудования». Перечисленные стандарты служат способом доказать это соответствие.

Высота забора и расстояние до опасной зоны по ISO 13857

Ограждение защищает только тогда, когда через него, над ним и под ним нельзя дотянуться до движущегося робота. ISO 13857 даёт для этого три набора таблиц: дотягивание сверху через забор, просовывание руки в отверстия сетки и подлезание снизу.

Сколько должно быть от забора до робота

Опасная зона — это вся область, куда может попасть робот вместе с захватом и деталью при самом длинном вылете, а не только его рабочая траектория. Высоту этой зоны (a) и высоту забора (b) сравнивают по таблице 2 ISO 13857 и получают горизонтальное расстояние (c), на котором забор должен стоять от края опасной зоны.

Таблица показывает, почему ячейки обычно огораживают панелями высотой 2000–2200 мм. Если робот поднимает деталь на 2 м, забор высотой 1400 мм придётся отодвинуть от опасной зоны на 1100 мм, а забор 2200 мм можно ставить на расстоянии 400 мм. На площадке в несколько квадратных метров эта разница решает, поместится ли ячейка в цех. Стандарт отдельно оговаривает, что конструкции ниже 1400 мм без дополнительных мер защиты не применяют.

Какой должна быть сетка

Через ячейку сетки человек может просунуть палец, кисть или руку до плеча, и чем крупнее отверстие, тем дальше от него должна быть опасная зона. Значения из таблицы 4 ISO 13857 для людей от 14 лет:

Для щели шириной 20–30 мм расстояние можно сократить до 200 мм, если её длина не больше 65 мм: большой палец упрётся и не пустит руку дальше. Из таблицы видно, что сетка с квадратной ячейкой 30 мм требует всего 120 мм до опасной зоны, а с ячейкой 50 мм уже 850 мм, как будто ограждения в этом месте нет.

Зазор у пола

Панели ограждения обычно не доходят до пола, чтобы его можно было мыть и чтобы ограждение стояло на неровном основании. ISO 13857 в пункте 4.4 ограничивает этот зазор 180 мм, иначе под панель может пролезть человек. Для ног отдельно действует таблица 7: щель 95–180 мм требует 1100 мм от ограждения до опасной зоны, поэтому если робот работает низко над полом, зазор лучше уменьшить.

Двери, световые завесы и сканеры

Через сплошной забор нельзя ни подать заготовку, ни обслужить робота, поэтому в ограждении всегда есть проёмы. Их защищают одним из трёх способов.

Дверь с блокировкой. Датчик на двери по ISO 14119 даёт сигнал, и при открытии робот получает защитный стоп. Если робот останавливается дольше, чем человек дойдёт до опасной зоны, нужна дверь с замком, которая не откроется, пока робот не встанет. Повторный пуск после закрытия двери не должен происходить сам: оператор подтверждает его кнопкой сброса снаружи ячейки, откуда видна вся рабочая зона.

Световая завеса. Ряд излучателей и приёмников в двух стойках создаёт невидимую плоскость. Если человек пересекает её, связь между излучателем и приёмником прерывается, и завеса выдаёт сигнал на остановку. Завесы ставят на местах загрузки, где оператор часто подаёт детали и дверь бы мешала. Нижний луч должен быть не выше 300 мм от пола, иначе под завесой можно пролезть, а верхний не ниже 900 мм, чтобы через неё нельзя было перешагнуть.

Лазерный сканер зоны. Сканер смотрит на площадку перед ячейкой и делит её на поля: в дальнем поле робот замедляется, в ближнем останавливается. Он удобен там, где проём широкий или форма зоны сложная.

Завеса и сканер не удерживают робота физически: они только дают команду на остановку. Поэтому их нельзя ставить вплотную к опасной зоне, и расстояние до неё считают по ISO 13855.

Как рассчитать расстояние до световой завесы

Пока сигнал от завесы доходит до контроллера и робот тормозит, человек продолжает двигаться. ISO 13855 считает, что рука приближается со скоростью 2000 мм/с, а тело со скоростью 1600 мм/с, и задаёт минимальное расстояние формулой:

S = K × T + C

• S — минимальное расстояние от плоскости завесы до опасной зоны, мм;
• K — скорость приближения, мм/с;
• T — полное время остановки, с: время реакции завесы t1 плюс время, за которое робот с захватом и деталью останавливается полностью, t2;
• C — добавка на то, насколько рука успеет пройти через завесу до срабатывания. Для завесы с разрешением d до 40 мм C = 8 × (d − 14), но не меньше нуля.

Разрешение (d) — это наименьший предмет, который завеса гарантированно заметит. Завеса с разрешением 14 мм ловит палец, 30 мм кисть, а завесы с разрешением 40–70 мм рассчитаны на обнаружение тела. Для них берут K = 1600 мм/с и постоянную добавку C = 850 мм.

Порядок такой: сначала считают с K = 2000 мм/с. Если результат получился больше 500 мм, расчёт повторяют с K = 1600 мм/с, но итог не может быть меньше 500 мм. Минимальное значение S для любой завесы — 100 мм.

Пример 1: завеса 30 мм на месте загрузки

Расчёт для примера: время реакции завесы 15 мс, время остановки робота с деталью 300 мс по данным производителя для этой скорости и нагрузки.

• T = 0,015 + 0,3 = 0,315 с
• C = 8 × (30 − 14) = 128 мм
• S = 2000 × 0,315 + 128 = 758 мм. Это больше 500 мм, считаем заново.
• S = 1600 × 0,315 + 128 = 632 мм.

Завесу ставим не ближе 632 мм от опасной зоны. Если та же ячейка будет работать с роботом, который тормозит за 500 мс, по той же формуле получится S = 1600 × 0,515 + 128 = 952 мм, то есть почти на треть метра дальше.

Пример 2: завеса для пальцев у быстрой оснастки

Расчёт для примера: завеса с разрешением 14 мм, полное время остановки 0,15 с.

• C = 8 × (14 − 14) = 0
• S = 2000 × 0,15 + 0 = 300 мм

Это меньше 500 мм, значит, пересчёт с K = 1600 не нужен, и завесу можно поставить на 300 мм от опасной зоны.

Для сравнения, в примере производителя завес Keyence завеса с разрешением 25 мм, временем реакции 15,7 мс и остановкой машины за 100 мс даёт S = 2000 × 0,1157 + 88 = 319,4 мм. На этих примерах видно главное: каждая секунда остановки добавляет к расстоянию 2000 мм, а каждая миллисекунда реакции завесы 2 мм. Поэтому выигрывают не за счёт более быстрой завесы, а за счёт того, что робот тормозит быстрее, например при сниженной скорости рядом с местом загрузки.

Откуда брать время остановки робота

Время и путь остановки зависят от оси, скорости, нагрузки и вылета, поэтому одной цифры для робота нет. Производители приводят графики остановки по осям для разных нагрузок и скоростей в документации к роботу, обычно для категорий останова 0 и 1. Категория 0 означает немедленное снятие питания с приводов и торможение тормозами, категория 1 сначала управляемое торможение двигателями, а затем снятие питания. Для расчёта берут худший случай, который возможен в конкретной ячейке, а после монтажа время остановки проверяют прибором, потому что изношенный тормоз увеличивает путь.

Функции безопасности и уровни PL по ISO 10218-2

Ограждение, двери и завесы работают через функции безопасности, а надёжность каждой функции задаётся уровнем эффективности защиты (PL) по ISO 13849-1. Уровни идут от PL a до PL e, где PL e соответствует самой высокой надёжности цепи. Новая редакция ISO 10218-2 даёт таблицу функций с уровнями по умолчанию:

Отступить от уровней по умолчанию можно, но тогда интегратор должен провести более подробную оценку рисков и оформить больше документации. Оценку рисков по ISO 12100 делают для всей ячейки и для каждой задачи, которую в ней выполняют люди: загрузка, наладка, смена захвата, уборка. Оценка производителя робота её не заменяет.

Как входить в ячейку для наладки и обучения

Обучать робота точкам приходится внутри ячейки, рядом с ним. Для этого есть ручной режим со сниженной скоростью: инструмент робота движется не быстрее 250 мм/с, и при таком движении человек успевает убрать руку. Робот двигается, только пока оператор удерживает разрешающую кнопку на пульте в среднем положении. Если отпустить кнопку или сжать её до упора, что люди инстинктивно делают при испуге, робот останавливается.

Для наладчика из этого следует несколько правил:

• в ячейку с роботом в автоматическом режиме не входят ни при каких обстоятельствах, даже если робот стоит и ждёт деталь: он может стоять в ожидании сигнала и тронуться без предупреждения;
• пульт берут с собой в ячейку, чтобы автоматический режим нельзя было включить снаружи;
• если внутри работают несколько человек, разрешающее устройство нужно каждому, или ячейку делят на зоны;
• после наладки проверяют, что все двери закрыты и сброшены, а в ячейке никого нет. Для этого кнопку сброса ставят так, чтобы с её места была видна вся ячейка.

Типичные ошибки при монтаже ограждения

На приёмке ячеек повторяются одни и те же недочёты, и почти все их видно ещё на чертеже:

• опасную зону считают по траектории программы, а не по полному вылету робота с захватом и деталью, хотя программу потом изменят;
• световую завесу ставят там, где осталось место, а не на рассчитанном расстоянии, и между завесой и роботом может встать человек, которого завеса уже не видит. Если такое пространство осталось, его закрывают дополнительной завесой, сканером или запрещают перезапуск, пока зону не проверят;
• панели крепят защёлками, которые открываются без инструмента, и ограждение снимают на время наладки;
• в расчёт берут время остановки из каталога для небольшой нагрузки, а робот работает с тяжёлым захватом и деталью;
• кнопку сброса ставят внутри ячейки или в месте, откуда не видно рабочую зону.