设计与机器安全教育课件

设计与机器安全教育课件第一章机器安全的重要性与背景机器安全为何至关重要触目惊心的数据预防是最好的保护根据国际劳工组织统计全球每年发生的安全设计是预防事故的第一道防线也是,,机械相关事故超过数十万起造成数千人最根本、最经济的防护措施通过在设,死亡和数万人永久伤残这些事故不仅计阶段就充分考虑安全因素消除或降低,给受害者及其家庭带来巨大痛苦也给企潜在危险可以从源头上避免大部分机械,,业造成巨额经济损失和声誉损害事故的发生在中国机械伤害事故占工伤事故总数的,是仅次于高处坠落的第二大事故20-30%,类型每一起事故背后都是一个破碎的家庭和本可避免的悲剧相关法规与标准概览机器安全设计必须遵循国际和国内的法规标准体系这些法规标准经过长期实践检验凝聚了无数,工程师和安全专家的智慧为设计师提供了科学的技术框架和明确的合规要求,欧盟机械指令2006/42/EC ISO12100风险评估标准欧盟最重要的机械安全法规要求在欧盟市国际标准化组织制定的机械安全基础标准,,场销售的机械必须符合基本健康和安全要提供了系统的风险评估与风险降低方法求并加贴标志该指令涵盖设计、制论该标准是机械安全设计的基石被全球,CE,造、使用说明等全生命周期要求广泛采用IEC/EN62061功能安全安全设计守护生命每一个安全细节的考量都是对生命的尊重让我们将安全理念融入设计的每一个环节,,用专业和责任筑起生命的防线第一章小结法规的强制性要求标准提供技术框架机器安全不是可选项而是法律义务欧盟机械指令、标准以及各国际标准为设计师提供了清晰的技术指南和最佳实践遵循标准不仅,ISO国的安全法规都明确要求制造商必须进行安全设计否则将面临法律能够满足法规要求更能确保设计的科学性和有效性降低事故风险,,,责任和市场准入限制认证是进入欧盟市场的必要条件风险评估方法论指导危害识别•CE•不符合安全标准将面临召回和罚款防护装置设计标准确保防护有效••事故责任追究可能涉及刑事责任功能安全标准保障控制系统可靠••第二章机械设计中的安全风险识别风险识别是安全设计的基础和起点只有准确、全面地识别出机械系统中存在的各种潜在危险才能有针对性地采取防护措施本章将介绍系统的危险源识别方法和科学的风险,评估流程帮助您建立风险管理的思维模式,机械危险源分类机械系统中存在多种类型的危险源了解这些危险源的特征和危害机理是进行有效防护的前提根据标准机械危险源可以分为以下几大类别,,ISO12100,:机械性危险热危险与温度危险运动部件造成的夹击、剪切、切割、缠绕、冲击、刺伤或擦伤等高温表面接触造成的烧伤低温导致的冻伤以及温度变化引起的健,,伤害这是最常见的机械危险类型包括旋转部件、往复运动部康危害常见于加热、冷却、焊接等工艺过程,件、移动部件等电气危险噪声与振动电击、电弧、静电放电等造成的伤害包括直接接触带电部件、超标的噪声导致听力损伤长期振动引起职业病这类危险往往被,间接接触故障带电外壳、电磁场辐射等危险忽视但对操作人员的长期健康影响严重,材料与物质危险人因工程危险接触有害物质、吸入粉尘或烟雾、暴露在辐射环境中等造成的健不良的操作姿势、重复性劳损、心理压力等造成的健康问题良康危害需要特别关注化学品、生物制剂等的安全好的人机工程设计能够显著降低这类风险风险评估流程系统的风险评估是确保机械安全的核心方法标准规定了标准的风险评估流程帮助设计师科学地识别危险、估计风险并采取有效的降低措施ISO12100,危害识别风险估计系统地识别机械在整个生命周期内可能存在的所有危险源包括正常运行、维评估每个危险源导致事故的可能性和严重程度确定风险等级考虑暴露频,,护、故障等各种状态率、发生概率、伤害严重度等因素风险降低验证与确认根据风险等级采取相应的防护措施,按照本质安全设计→防护装置→使用信息验证所采取的防护措施是否有效,确认残余风险是否可接受必要时进行迭代的优先级顺序降低风险改进直至达到安全要求,重要提示风险评估不是一次性工作而是需要在设计、制造、使用的全生命周期内持续进行当设备改造、工艺变更或发生事故时都需要重新评估风险:,,真实案例某工厂机械夹手事故分析:事故经过年某制造企业一名操作工在清理冲压机内部物料时未按规程关闭设备电源导致机器意外2022,,启动造成右手被夹伤三根手指严重损伤经抢救后截肢,,,事故原因分析设计缺陷防护门缺失危险区域无物理隔离:,控制系统缺陷未安装安全互锁装置防护门打开时机器仍可启动:,管理漏洞安全操作规程未有效执行员工安全意识薄弱:,应急措施不足紧急停止装置位置不合理无法快速触及:,设计改进措施事故教训增加互锁防护门安装带安全互锁的可移动防护装置防护门打开时切断动这起事故本可以通过正确的安全设计完全避免设计师必须在设计阶段就:,力机器无法启动充分考虑各种可预见的误操作和异常情况不能依赖操作人员的注意力和纪,,律性来保证安全优化控制系统增加双手操作按钮和急停装置确保操作人员双手离开危险区:,域时机器才能运行人都会犯错但机器设计不应给错误留下机会这是安全设计的基本原,——则警示标识在危险区域设置醒目的安全警告标识和操作指引:风险评估的系统方法有效的风险评估需要多学科团队协作综合考虑机械、电气、控制、人因等多方面因素,使用标准化的评估工具和方法确保危险识别的全面性和风险估计的准确性图中展示了,完整的风险评估流程特别强调了风险降低措施的选择和实施环节,第二章小结1识别危险是安全设计的起点2风险评估确保设计有效防护3从事故中学习,持续改进每一起事故都是宝贵的教训分析事故原因总结设计缺陷能够帮助我们不断完只有全面、系统地识别出机械系统中的科学的风险评估方法能够帮助设计师量,,善安全设计方法避免类似悲剧重演所有潜在危险源才能有针对性地采取防化风险合理分配资源确保防护措施的有,,,,护措施忽视任何一个危险源都可能导效性和经济性遵循标准的评ISO12100致严重后果估流程是成功的关键第三章机械防护装置设计原则防护装置是防止人员接触危险区域的物理屏障是机械安全防护的重要手段合理设计和,正确使用防护装置可以有效隔离危险源保护操作人员安全本章将详细介绍各类防护,,装置的类型、设计要点和标准要求防护装置类型根据防护原理和结构特点机械防护装置可分为多种类型选择合适的防护装置类型需要综合考虑危险特性、操作需求、维护便利性等多方面因素,固定式防护罩可移动防护装置带互锁光电保护装置永久性固定在机器上的防护装置需要使用工具才可以打开或拆卸的防护装置配备安全互锁开关利用光束形成检测区域当有物体进入时立即触发,,,能拆卸适用于不需要频繁接近的危险区域如电防护门打开时机器自动停止或无法启动确保人安全停机包括安全光幕、光栅、激光扫描仪等,,,,机外壳、传动部件护罩等员安全进入适用于需要频繁进出的区域优点结构简单、成本低、可靠性高优点兼顾安全与操作便利性优点不影响操作便利性响应速度快:::,缺点维护不便无法实现灵活进入缺点结构较复杂成本较高缺点成本高需要定期校准维护:,:,:,防护装置设计要点结构强度与可靠性足够的机械强度:防护装置必须能够承受正常使用和合理可预见的误用,不会因冲击、振动而失效防止绕过:设计应考虑防止人员轻易绕过或破坏防护装置,间隙和开口尺寸应符合人体测量学标准耐用性:选用适当的材料和表面处理,确保在恶劣环境下长期可靠工作互锁与控制强制性互锁:可移动防护装置必须配备可靠的互锁开关,防护门打开时切断危险动作防止意外启动:关闭防护门不应自动启动机器,必须由操作人员主动发出启动指令失效安全原则:互锁装置故障时应使机器停止在安全状态,而非继续运行人机工程考虑操作便利性:防护装置应便于正常操作,不应增加过多的操作负担,避免操作人员为图方便而绕过防护标准要求防护装置的安装与维护:防护装置的有效性不仅取决于设计还取决于正确的安装和持续的维护相关标准对防护装置的安装位置、安装方式和维护要求都有明确规定,安装阶段日常维护固定防护装置必须使用工具才能拆卸不能使用快速建立定期检查制度检查防护装置的完整性、互锁开关:,,拆卸机构常用螺栓、铆钉等不可徒手拆卸的紧固功能、紧固件是否松动等发现问题立即维修确保防,件护装置始终处于有效状态可移动防护装置必须配备经认证的安全互锁开关安:,装位置应防止意外触发和恶意篡改1234验收测试改造管理安装完成后必须进行功能测试验证互锁装置的可靠任何对防护装置的改动都必须经过风险评估和批准,性、安全距离是否符合要求、防护装置的机械强度禁止随意拆除或改装防护装置改造后需要重新验证等记录测试结果作为验收依据安全性能,防护装置设计的关键安全点图示展示了一个典型防护装置的设计细节标注了关键的安全要素安全互锁开关的安装位置、安全距离的计算、防护间隙的尺寸控制、紧固方式的选择,:等这些细节看似微小却关系到防护装置能否真正发挥作用,第三章小结防护装置是第一道防线类型选择需因地制宜设计需兼顾安全与便利防护装置通过物理隔离防止人员接触危险固定式、可移动式、光电式等不同类型的防防护装置的设计必须在确保安全的前提下,,区域是最直接、最有效的安全防护手段护装置各有优缺点设计师需要根据危险特充分考虑操作和维护的便利性过于繁琐的,无论控制系统多么先进物理防护都是不可性、操作频率、成本预算等因素综合选择最防护可能导致操作人员绕过防护反而增加,,或缺的基础保障合适的方案风险好的设计让安全操作成为自然选择第四章安全相关控制系统设计现代机械设备越来越依赖电气、电子和可编程控制系统这些控制系统不仅负责机器的正常运行还承担着关键的安全功能如何设计可靠的安全控制系统确保在故障情况下,,仍能保护人员安全是本章的核心内容,功能安全简介什么是功能安全功能安全是指通过安全相关系统或其他风险降低措施,使与系统故障相关的风险降低到可接受水平的能力简单说,就是确保控制系统在发生故障时能够安全停机,而不是失控运行例如,当急停按钮被按下时,无论控制系统处于何种状态,机器都必须立即停止如果控制系统故障导致急停失效,就可能酿成严重事故为什么需要功能安全•控制系统越来越复杂,故障模式多样•软件错误、硬件失效都可能导致危险•人为失误无法完全避免•需要系统方法确保控制系统的可靠性相关国际标准安全控制系统架构安全控制系统的核心是通过冗余设计和故障诊断确保单一故障不会导致安全功能失效一个完整的安全控制系统包括输入、逻辑处理和输出三个部分,传感器输入安全控制器执行器输出检测防护装置状态、急停按钮、光幕信号等安全相关输处理安全逻辑,监控系统状态,诊断故障采用双通道或双处控制动力源的接通与断开,执行停机指令采用强制导向继入关键传感器采用冗余配置互相监督理器架构互相校验运算结果电器或双通道固态输出确保可靠断电,,,•安全互锁开关双通道•冗余处理单元•安全继电器模块•急停按钮强制断开触点•看门狗定时器•接触器冗余控制•安全光幕自诊断功能•程序流监控•制动器控制故障诊断与记录能量隔离装置••冗余设计的基本原则关键安全功能必须采用冗余架构确保单一故障不会导致安全功能失效同时配备故障诊断功能及时发现并处理潜在故障避免累积形成危险失效:,,,急停系统设计急停系统是机械安全的最后一道防线,在紧急情况下能够快速停止机器运行,防止事故扩大急停系统的设计必须遵循严格的标准要求,确保可靠性和有效性急停按钮布局原则易于触及:在所有操作位置和维护位置都应设置急停按钮,操作人员无需移动即可触及醒目标识:红色蘑菇头按钮配黄色背景,符合ISO13850标准不易误触:按钮高度和位置应防止意外触发,但紧急时能快速按下数量充足:大型设备或多人操作设备应设置多个急停按钮响应时间要求•从按下急停按钮到机器完全停止的总时间必须在安全范围内•考虑控制器响应时间、接触器动作时间、机械惯性制停时间•必须通过计算和实测验证停止性能案例分享某自动化生产线安全控制系统设计:项目背景某汽车零部件制造企业建设新的自动化装配生产线,包括6台工业机器人、自动输送系统和多个工作站生产线采用围栏防护,设置多个进入点,需要设计可靠的安全控制系统,确保人员进入时机器停止,同时实现高效的生产节拍安全控制系统方案故障诊断与报警系统系统配备完善的故障诊断功能,能够自动检测以下故障:01双通道安全控制器•安全互锁开关触点焊接或短路采用西门子S7-1500F系列安全PLC,双CPU架构,实现SIL3级安全完•光幕发射器或接收器故障整性控制器具备自诊断功能,能够检测内部故障•急停回路断线或短路•安全继电器触点粘连02•控制器通信中断安全互锁防护门发现故障时系统立即停机并报警,在操作面板显示故障位置和类型,所有进入点安装带电磁锁的安全互锁开关,防护门打开时机器停止,指导维护人员快速排查所有故障记录存储在控制器中,便于追溯分析关闭后需要按下复位按钮才能重新启动,防止意外启动项目成效03安全光幕检测•系统投运两年来零安全事故•安全停机响应时间小于200ms在机器人工作区设置4级安全光幕,当有人员或物体进入时触发安全•故障诊断准确率98%以上停机光幕具有自检功能,故障时自动切换到安全状态•通过了第三方安全认证04分区安全管理将生产线划分为多个安全区域,每个区域独立控制维护某一区域时,其他区域可以继续生产,提高效率安全控制系统的核心要素图示展示了一个完整的安全控制系统框架重点突出冗余架构和诊断功能的实现方式双,通道输入、双处理、双通道输出形成完整的冗余链配合故障诊断功能确保系统达CPU,,到所需的安全完整性等级每个环节的失效都能被及时发现和处理避免累积形成危险失,效第四章小结功能安全是机械安全的核心保障现代机械高度依赖控制系统实现安全功能通过系统的功能安全设计方法,采用冗余架构和故障诊断技术可以确保控制系统在故障情况下仍能保护人,员安全这是机械安全的基石,控制系统设计必须符合国际标准和等国际标准为安全控制系统的设计提供了清晰IEC62061ISO13849-1的技术要求和验证方法遵循标准不仅能够满足法规要求更能确保设计的,科学性和有效性降低安全风险,急停系统是最后的安全防线无论控制系统多么先进都必须配备可靠的急停系统急停系统的设计必须,简单可靠采用硬件直接断开方式确保在任何情况下都能快速停机为操作,,,人员争取宝贵的逃生时间第五章安全设计的实际应用与案例分析理论必须与实践相结合才能真正发挥作用本章通过两个典型行业的实际案例展示如,,何将前面学习的安全设计原则应用到具体项目中从半导体设备到工业机器人从传统制,造到人机协作我们将看到安全设计如何适应不同的应用场景,案例一:半导体设备机械结构安全设计项目概述某半导体制造设备供应商开发新一代晶圆处理设备,设备包含真空腔体、机械手传输系统、精密定位平台等复杂机械结构设备需要满足SEMI S2安全标准,并通过CE认证才能进入欧洲市场主要安全挑战

1.真空腔体承受大气压力,结构失效可能导致内爆

2.机械手高速运动,存在碰撞和夹伤风险

3.设备含有高压电气、激光、有毒气体等多种危险源

4.洁净室环境对防护装置的材料和设计有特殊要求结构受力分析与优化泄压保护设计疲劳寿命评估有限元分析设计泄压阀和防爆片,当腔体压力异常时自动泄压同时设计泄压通道,引导气流远离操作人员考虑频繁的压力循环,评估关键部件的疲劳寿命选用高强度耐腐蚀材料,在焊缝等高风险部位增加补强对真空腔体进行详细的有限元分析,模拟极端压力下的应力分布识别高应力区域,优化结构设计,确保安全系数大于4案例二:工业机器人安全防护传统机器人防护方案传统工业机器人采用围栏隔离的方式,将机器人工作区完全封闭这种方案安全可靠,但存在占地面积大、人机隔离、柔性差等缺点安全围栏与光幕应用物理围栏:高度至少

1.8米,网格间距小于40mm,防止人员翻越或伸入互锁安全门:进入点设置带互锁的安全门,门打开时机器人停止运行安全光幕:在门口设置光幕,提供额外保护,防止门关闭后人员仍在内部警示灯光:机器人运行时黄灯闪烁,急停时红灯常亮,状态一目了然人机协作安全设计协作机器人Cobot的出现打破了传统的隔离模式,允许人与机器人在同一空间工作这对安全设计提出了更高要求力限制与碰撞检测速度与分离监控安全限位与工作空间限制协作机器人配备高灵敏力矩传感器,实时监测各关节受力当检测到意外接触时,机器人立即停止或降速,使用安全扫描仪实时监测人员位置当人员远离机器人时,机器人高速运行;当人员接近时,机器人降速;当通过软件限制机器人的运动范围和速度,防止超出安全工作空间关键危险区域设置虚拟围栏,机器人无避免伤害操作人员力限制阈值根据ISO/TS15066标准设置人员进入危险区域时,机器人停止实现效率与安全的平衡法进入,即使程序错误也不会造成危险案例对比总结85%40%60%未来趋势智能安全设计与数字化风险管理:随着工业

4.0和智能制造的发展,机械安全设计也在向数字化、智能化方向演进新技术为安全管理带来了新的可能性,同时也提出了新的挑战物联网与实时监控将各种传感器联网,实时采集设备运行数据、环境参数、人员位置等信息云平台汇总分析多台设备的数据,全面掌握安全状况,异常情况及时预警例如,振动传感器监测机械部件状态,温度传感器监测电气设备,气体传感器监测环境安全,摄像头监控人员行为,形成全方位的安全监控网络AI辅助风险预测利用人工智能技术分析历史数据,识别潜在风险模式,预测可能发生的故障和事故机器学习模型可以发现人类难以察觉的异常征兆,实现从被动响应到主动预防的转变预测性维护系统分析设备运行数据,在故障发生前发出警报,安排维护工作,避免突发故障导致的安全风险数字孪生与虚拟验证建立设备的数字孪生模型,在虚拟环境中进行风险评估和安全验证可以模拟各种极端工况和故障场景,测试安全措施的有效性,而无需在真实设备上冒险实验数字孪生还可用于操作培训,让新员工在虚拟环境中学习安全操作,降低培训风险和成本AR辅助安全操作增强现实技术可以在操作人员的视野中叠加安全提示、操作指导、危险区域标识等信息维护人员佩戴AR眼镜,可以看到设备的安全状态、操作步骤、注意事项,减少误操作远程专家可以通过AR与现场人员协作,实时指导复杂的维护操作,确保安全规程得到正确执行技术与人的关系:尽管技术日新月异,但人始终是安全的核心智能技术是工具,是辅助手段,最终还是要靠人的安全意识和正确操作来保障安全技术可以降低风险,但不能完全消除风险培养安全文化,提升全员安全意识,永远是安全工作的重中之重课程总结与行动呼吁安全设计是每个设计师的责任持续学习法规标准,提升安全意共同打造零事故的安全生产环境识作为设计师和工程师我们的每一个设计决策都可零事故不是空想而是可以实现的目标通过科学,,能影响他人的生命安全安全不是附加功能,而是法规标准在不断更新完善新技术新工艺带来新的的风险评估、严格的安全设计、可靠的防护措,设计的核心要求从项目立项开始就要将安全融施、有效的管理制度我们可以将事故风险降到最,安全挑战我们必须保持学习的态度及时了解最,,入设计的每个环节这是我们的职业责任也是我们低让我们携手努力用专业知识和责任担当为每,,新的安全要求和最佳实践参加专业培训阅读技,,,对社会的承诺术文献与同行交流让安全知识不断丰富让安全一位操作人员营造安全的工作环境,让每个人都能,,,平安回家意识持续提升安全第一从设计开始感谢您的学习让我们将今天学到的知识应用到实际工作中让安全设计成为我们的职业习惯记住最好的安全措施就是在危险发生之前就将其消除!,:,。