機械手防碰撞檢測與安全光柵技術

在汽車焊接車間，機械手臂揮舞著焊槍，以每秒 1.5 米的速度完成點焊作業；電子廠的裝配線上，六軸機械手精準抓取 0.5 毫米的芯片，重復著毫米級的裝配動作。這些高效運作的機械手，一旦與人員、設備發生碰撞，輕則損壞工件，重則導致設備停機甚至人員受傷。安全光柵技術憑借 “非接觸式檢測”“毫秒級響應” 的特性，成為機械手防碰撞檢測的核心方案，既能守護安全，又不拖慢生產節奏。

一、機械手碰撞風險：三類場景最需警惕

機械手的碰撞隱患往往藏在人機交互最頻繁的環節，常見有這三種情況：

（一）人員誤入工作區

操作員為取掉落的零件、調整工裝，可能下意識伸手進入機械手運動范圍。某汽車零部件廠曾發生過這樣的事：操作員伸手去撿滾到機械手下方的螺栓，剛好機械手完成作業回撤，手臂被輕微夾傷。這類碰撞的風險點在于 —— 人員進入往往是突發的，而機械手按預設程序運動，毫無避讓意識。

（二）工件或工具卡滯

當抓取的工件脫落、工裝夾具卡滯時，機械手可能帶著異常負載繼續運動，與周邊設備（如傳送帶、貨架）碰撞。某家電廠的碼垛機械手曾因紙箱堆疊歪斜，抓取時帶動整垛紙箱傾斜，最終撞向旁邊的料架，導致 20 分鐘停機清理。

（三）多機械手協同干涉

在復雜裝配線上，多臺機械手可能在交叉區域作業（如 A 機械手遞料給 B 機械手），若信號延遲或程序出錯，可能出現 “搶位” 碰撞。某發動機裝配線的兩臺協作機械手，曾因通訊故障導致運動軌跡重疊，抓手相撞造成 5000 元的部件損壞。

二、安全光柵如何實現防碰撞檢測？

安全光柵為機械手筑起一道 “無形的防護墻”，通過三重技術邏輯實現防碰撞：

（一）動態防護區域：給機械手劃 “安全圈”

在機械手工作半徑外，用安全光柵圍出多層防護區域：

· 預警區（距離機械手 1-1.5 米）：人員進入時，光柵觸發聲光報警，同時給機械手控制器發信號，讓其降速至原速度的 30%；

· 危險區（距離機械手 0.5-1 米）：人員進入時，光柵立即輸出急停信號，機械手在 0.1 秒內停止運動，關節處的剎車裝置鎖死，避免慣性滑動。

這種 “分級防護” 比傳統的 “一刀切” 停機更靈活。某手機組裝線的測試顯示：用分級防護后，因人員短暫進入導致的停機時間減少 60%，生產效率提升 12%。

（二）物體輪廓識別：區分 “人與物”

普通光柵遇到任何遮擋都會觸發防護，但機械手工作時，常有物料、傳送帶等通過防護區。安全光柵的 “智能識別算法” 能解決這個問題：

· 通過分析遮擋物的輪廓特征（如人體的不規則形狀、物料的規則外形），區分是人員肢體還是正常通過的工件；

· 只對人體觸發防護，對物料、工具則 “放行”，避免頻繁誤停。

某食品包裝線的碼垛機械手，用普通光柵時因紙箱通過頻繁誤停，換成帶輪廓識別的光柵后，誤停次數從每天 15 次降到 0 次。

（三）多機聯動：讓機械手 “互相提醒”

多臺機械手協同作業時，安全光柵可接入同一控制系統：

· 當 A 機械手的防護區被觸發，系統會同步通知周邊 3 米內的 B、C 機械手，讓它們暫停或調整軌跡；

· 光柵與機械手的編碼器聯動，實時獲取各軸位置數據，一旦檢測到軌跡可能重疊，立即強制干預。

三、不同防碰撞技術對比：安全光柵的獨特優勢

四、選型與安裝：這些細節決定防護效果

（一）按機械手類型選參數

· 小型協作機械手（負載＜5kg）：選光束間距 20mm 的光柵，防護高度 1.2 米即可，兼顧靈活性；

· 大型焊接機械手（負載＞50kg）：需光束間距 10mm（檢測更精準），防護高度 2 米，覆蓋整個運動范圍，且光柵要抗弧光干擾。

（二）安裝位置 “寧大勿小”

防護區域需比機械手最大運動范圍大 20%：比如機械手伸展最大半徑 1.5 米，光柵防護圈半徑應設為 1.8 米，預留緩沖空間。某工廠曾因防護范圍剛好等于機械手半徑，導致操作員手臂伸出的瞬間才觸發停機，險些碰撞。

（三）聯動信號要 “雙保險”

光柵的急停信號需同時接入機械手控制器和總控系統，避免單一線路故障導致防護失效。布線時遠離強電電纜，防止電磁干擾信號傳輸。

五、結語

機械手防碰撞檢測的核心需求是 “安全與效率平衡”，安全光柵技術通過動態防護、智能識別、多機聯動，完美適配這一需求。它不像碰撞傳感器那樣 “被動挨撞”，也不像視覺系統那樣成本高昂，成為工業機械手最實用的安全方案。

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