机械设备服务介绍

自动焊接机器人因高效、稳定的特点，已成为汽车、工程机械等行业的核心装备。然而，其高速运动的关节、复杂的末端执行器及与周边设备的交互，易引发夹挤、碰撞、剪切等机械危险，直接威胁操作人员安全。机械危险防护测试作为自动焊接机器人安全性能评估的核心环节，通过模拟实际工况下的危险场景，验证机器人自身及防护装置的有效性，是确保设备安全投入使用的关键。本文结合标准要求与实操经验，详细拆解机械危险防护测试的具体流程与要点。

测试依据：明确安全标准的核心框架

机械危险防护测试需以国际、国内通用安全标准为依据，其中ISO 13849-1《机械安全 控制系统安全相关部分 第1部分：设计通则》与GB 11291.1《工业机器人 安全要求 第1部分：机器人》是基础准则。ISO 13849-1规定了控制系统的安全等级（如PL-a至PL-e），用于评估机器人故障时的防护能力；GB 11291.1则明确了工业机器人的机械结构、运动范围、防护装置等具体安全要求。测试前需梳理被测机器人的设计文件，确认其安全等级与标准的对应关系，确保测试项目覆盖标准的全部强制条款。

例如，某型号自动焊接机器人的控制系统设计为PL-d等级，测试时需验证其在单一故障（如传感器失效）下，仍能通过制动系统停止运动，且停止时间符合ISO 13849-1中PL-d的要求（响应时间≤100ms）。若机器人配备了安全光幕，还需参考ISO 13855《机械安全 光电保护装置 第1部分：一般要求》，测试光幕的检测精度与响应速度。

此外，行业-specific标准如汽车行业的ISO/TS 15066《机器人与人类协作 安全要求》，若机器人用于人机协作场景，需额外验证其碰撞力限制（如接触力≤150N）、压力限制（≤50kPa）等指标，确保人机交互时的安全。

标准的落地需结合机器人的实际应用场景，例如用于重型工件焊接的机器人，其运动速度较慢，但末端执行器重量大，测试时需重点关注碰撞后的冲击力，而非单纯的响应时间。

测试前准备：构建可控的测试环境

测试前需完成三项核心准备工作：设备状态确认、环境搭建与资料收集。首先，机器人需处于正常工作状态：检查电源、气压（若为气动驱动）、焊接电源的连接稳定性，确认机器人的示教器、急停按钮等操控装置功能正常；其次，模拟实际工作环境：搭建与现场一致的工作台、夹具及周边设备，地面需保持平整（硬度≥C30混凝土），环境温度控制在10-40℃（符合机器人的工作温度范围），湿度≤80%（防止电气部件受潮）；最后，收集完整的技术资料：包括机器人的运动范围图（如关节角度范围、末端执行器工作空间）、防护装置的技术规格（如安全护栏的材质、光幕的检测距离）、制造商提供的安全手册（如故障应急处理流程）。

人员资质也是关键：测试人员需持有工业机器人操作证（如中国的《工业机器人系统操作员》职业资格证），并接受过机械安全测试培训，熟悉测试工具的使用（如激光跟踪仪、测力传感器）。此外，需在测试区域设置警示标识，配备急救箱与灭火器，防止测试过程中发生意外。

例如，测试某汽车底盘焊接机器人时，需将机器人固定在与现场相同的地基上（地基承载力≥10kN/m²），安装与现场一致的焊枪（重量2.5kg，长度800mm），并将工作台调整至实际焊接时的高度（1200mm），确保测试场景与实际工况一致。

资料收集需关注细节：若机器人配备了柔性防护装置（如缓冲垫），需收集缓冲垫的材质（如聚氨酯）、厚度（如50mm）及缓冲系数（如0.5），这些参数会影响碰撞力的测试结果。

运动部件危险测试：验证运动范围与间隙安全性

运动部件是机械危险的主要来源，测试重点包括运动范围的准确性与运动间隙的安全性。首先，运动范围测试：通过示教器让机器人执行全范围运动（如关节1从-180°到+180°，关节2从0°到+90°），用高精度角度传感器（精度±0.1°）记录每个关节的实际运动角度，确认未超出设计极限（如设计极限为±175°，实际运动角度需≤±175°）。若机器人配备了路径规划系统，需测试其在复杂路径（如曲线焊接轨迹）下的运动偏差，用激光跟踪仪（精度±0.05mm）记录末端执行器的位置，偏差需≤设计值（如±0.2mm）。

其次，运动间隙测试：针对机器人与周边设备、机器人自身部件之间的间隙，使用ISO 13852《机械安全 防止上下肢触及危险区的安全距离》规定的试具（如试具B：模拟手指，直径12mm；试具C：模拟手掌，宽度100mm）进行检测。例如，机器人手臂与底座之间的间隙，用试具B插入，若试具能完全通过（深度≥50mm），说明存在夹挤危险；若试具C无法插入（间隙≤80mm），则符合安全要求。

末端执行器的运动测试需结合实际焊接动作：让机器人执行焊接作业（如点焊、弧焊），记录焊枪的摆动范围（如左右摆动±10mm，上下移动±5mm），确认焊枪未超出工件范围（如工件宽度100mm，焊枪摆动范围需≤±50mm），防止焊枪碰撞工件或夹具。

例如，某弧焊机器人的末端执行器摆动范围设计为±15mm，测试时用高速摄像头（帧率200fps）记录焊枪的运动轨迹，发现实际摆动范围为±18mm，超出设计值，说明运动范围控制失效，需调整机器人的路径规划参数。

防护装置有效性测试：验证被动防护的可靠性

防护装置是机械危险的最后一道防线，测试包括安全护栏、光幕、急停按钮等的有效性。首先，安全护栏测试：检查护栏的高度（≥1050mm，符合GB 4053.1《固定式钢梯及平台安全要求 第1部分：钢直梯》）、间隙（≤120mm，防止人员钻入）与强度：用重物（重量≥机器人手臂重量的1.5倍，如50kg）从1m高度自由下落撞击护栏，观察护栏是否变形（变形量≤5mm）或断裂；若护栏为网状结构，需测试网孔大小（≤50mm×50mm），防止手指伸入。

其次，安全光幕测试：用直径25mm的测试棒遮挡光幕的不同区域（如顶部、中部、底部），记录机器人的响应时间（≤200ms，符合ISO 13855）；测试光幕的检测距离（需覆盖机器人的整个工作区域，如检测距离≥3m），确保无盲区；若光幕与机器人的控制系统联动，需验证联动逻辑（如遮挡光幕→机器人停止运动→保持停止状态直到光幕恢复且复位）。

急停按钮测试：测试按钮的触发力（≤10N，符合GB 5226.1《机械电气安全 机械电气设备 第1部分：通用技术条件》）、触发后的响应时间（≤100ms）及复位方式（需手动复位，防止误启动）。例如，按下急停按钮后，机器人需在100ms内停止所有运动，且示教器显示“急停触发”，复位时需旋转按钮并按下“启动”键，确保操作安全。

例如，某机器人的安全护栏高度为1100mm，间隙为100mm，用50kg重物撞击后，护栏变形量为3mm，符合要求；光幕的响应时间为150ms，检测距离为4m，无盲区，满足安全要求。

夹挤与剪切危险专项测试：模拟人体接触场景

夹挤与剪切是最常见的机械危险，测试需模拟人体部位（如手指、手掌、手臂）与机器人的接触场景。首先，夹挤危险测试：针对机器人手臂与工作台、机器人手臂与手臂之间的夹挤点，使用ISO 13852的试具（如试具B、C、D：模拟手臂，直径80mm）进行检测。例如，机器人手臂与工作台之间的间隙为150mm，用试具D（直径80mm）插入，若试具被夹挤（无法自由取出），说明存在夹挤危险；若试具能自由取出，且间隙≥试具直径的1.5倍（如120mm），则符合要求。

其次，剪切危险测试：针对末端执行器的剪切点（如焊枪的夹头、夹具的夹紧装置），用测力传感器（精度±1N）测试剪切力。例如，焊枪夹头闭合时的剪切力，需≤ISO 13849-1规定的150N（PL-d等级）；若夹头用于夹紧焊丝（直径1.2mm），需测试夹头闭合时的压力（≤50kPa，符合ISO/TS 15066），防止夹伤操作人员的手指。

测试时需模拟实际操作场景：例如，操作人员在机器人旁边装夹工件时，可能会将手伸入机器人的工作空间，测试需将试具放在机器人的运动路径上，让机器人执行装夹后的焊接动作，观察试具是否被夹挤或剪切。

例如，某机器人的手臂与工作台之间的间隙为200mm，用试具D（直径80mm）插入，试具能自由取出，且间隙≥120mm，符合夹挤危险防护要求；焊枪夹头的剪切力为120N，≤150N，满足剪切危险防护要求。

动态碰撞防护测试：验证主动防护的灵敏性

动态碰撞防护是机器人的主动安全功能，测试重点是机器人在运动中遇到障碍物时的响应能力。首先，碰撞力测试：用装有压力传感器（精度±5N）的假人手臂（材质为硅橡胶，模拟人体皮肤硬度），放在机器人的运动路径上，让机器人以正常速度（如600mm/s）运动，碰到假人手臂时，记录碰撞力（≤200N，符合ISO/TS 15066）与减速时间（≤500ms）。若机器人配备了力觉传感器，需测试传感器的灵敏度（如能检测到5N的力），确保及时触发减速或停止。

其次，碰撞后的运动控制：测试机器人碰撞后是否能保持停止状态，或退回到安全位置（如退回到运动起点）。例如，机器人碰到假人手臂后，需在500ms内停止运动，且示教器显示“碰撞检测触发”，操作人员确认安全后，机器人才能重新启动。

测试需覆盖不同运动速度：例如，机器人以低速（200mm/s）、中速（600mm/s）、高速（1000mm/s）运动时，均需满足碰撞力与减速时间的要求。若机器人用于人机协作场景，需测试其在协作速度（≤250mm/s）下的碰撞力（≤150N），确保人机交互的安全。

例如，某协作焊接机器人的正常运动速度为200mm/s，碰撞力测试结果为120N，减速时间为300ms，符合ISO/TS 15066的要求；高速运动（1000mm/s）时，碰撞力为180N，减速时间为450ms，也满足安全要求。

重复精度与位置稳定性测试：防止累积误差引发危险

重复精度差或位置不稳定会导致机器人碰撞周边设备或人员，测试需验证机器人的运动一致性。首先，重复精度测试：让机器人重复执行100次同一个焊接动作（如从起点到焊接点A，再到焊接点B，回到起点），用激光跟踪仪记录末端执行器在焊接点A的位置坐标（如X=100mm，Y=200mm，Z=300mm），计算100次的位置偏差（如最大值±0.15mm，平均值±0.08mm），需≤设计值（如±0.2mm）。

其次，位置稳定性测试：让机器人连续运行24小时（模拟实际生产中的连续作业），每小时记录一次末端执行器的位置坐标，观察位置偏差是否随时间增大（如24小时后的偏差为±0.12mm，与初始偏差±0.08mm相比，增大不超过50%）。若偏差增大超过50%，说明机器人的机械结构存在松动（如关节轴承磨损），需调整或更换部件。

测试需结合负载情况：例如，机器人携带焊枪（重量2.5kg）时的重复精度，需与空载时的重复精度对比（如空载时偏差±0.05mm，负载时±0.1mm），确保负载对重复精度的影响在设计允许范围内。

例如，某机器人的设计重复精度为±0.2mm，测试100次的位置偏差最大值为±0.18mm，平均值为±0.09mm，符合要求；连续运行24小时后的偏差为±0.15mm，增大不超过50%，位置稳定性良好。

故障状态下的机械防护测试：验证失效后的安全机制

故障状态是机械危险的高发场景，测试需模拟常见故障（如电机过载、编码器失效、传感器故障），验证机器人的安全机制。首先，电机过载故障测试：断开电机的电源（模拟电机过载保护触发），观察机器人的制动系统是否及时启动（≤200ms），防止机器人手臂自由下落；用位移传感器（精度±0.1mm）记录制动距离（≤5mm），确保制动效果。

其次，编码器失效测试：断开编码器的连接（模拟编码器故障），观察机器人是否自动停止运动（≤100ms），或进入安全模式（如降低运动速度至≤250mm/s）。若机器人配备了冗余编码器，需测试冗余编码器的切换时间（≤50ms），确保位置反馈的连续性。

传感器故障测试：断开安全光幕的电源（模拟光幕故障），观察机器人是否停止运动，并在示教器上显示“光幕故障”报警；若机器人配备了多个传感器（如光幕+急停按钮），需测试传感器的冗余逻辑（如光幕故障时，急停按钮仍能正常工作）。

例如，某机器人的电机过载故障测试中，制动系统在150ms内启动，制动距离为3mm，符合要求；编码器失效时，机器人在80ms内停止运动，并显示“编码器故障”报警；光幕故障时，急停按钮仍能正常触发，冗余逻辑有效。