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非自鎖關(guān)節(jié)的延時去使能安全檢測

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發(fā)布時間：2025-08-25 10:08:06 更新時間：2025-08-24 10:08:07

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測中心

非自鎖關(guān)節(jié)的延時去使能安全檢測：原理、方法與標(biāo)準(zhǔn)解析

在現(xiàn)代工業(yè)自動化與機(jī)器人系統(tǒng)中，非自鎖關(guān)節(jié)（Non-locking Joint）因其高靈活性與動態(tài)響應(yīng)能力被廣泛應(yīng)用于協(xié)作機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、精密裝配設(shè)備等高安全要求的場景。然而，由于其不具備自鎖特性，一旦控制系統(tǒng)斷電或發(fā)生故障，關(guān)節(jié)可能在重力或外部負(fù)載作用下發(fā)生意外位移，帶來嚴(yán)重的安全隱患。因此，對非自鎖關(guān)節(jié)實(shí)施“延時去使能安全檢測”成為保障系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。該檢測機(jī)制的核心在于：當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出去使能指令或檢測到異常狀態(tài)時，系統(tǒng)不會立即切斷驅(qū)動電源，而是通過設(shè)定一個可配置的延時時間（通常在100ms至200ms之間），在此期間持續(xù)監(jiān)測關(guān)節(jié)位置、速度與力矩狀態(tài)，以判斷是否存在非預(yù)期運(yùn)動。若在延時期間檢測到關(guān)節(jié)出現(xiàn)失穩(wěn)或異常位移，系統(tǒng)將自動觸發(fā)安全制動或緊急停機(jī)，從而有效防止設(shè)備損壞或人員傷害。這一檢測流程不僅依賴于高精度的傳感器數(shù)據(jù)采集，更需要符合國際安全標(biāo)準(zhǔn)的硬件與軟件架構(gòu)支持，以確保其可靠性與可重復(fù)性。

關(guān)鍵檢測項(xiàng)目

延時去使能安全檢測涉及多個核心檢測項(xiàng)目，主要包括：

關(guān)節(jié)位置穩(wěn)定性檢測：在去使能指令發(fā)出后，持續(xù)監(jiān)測關(guān)節(jié)角度是否在設(shè)定閾值范圍內(nèi)波動。若位移超過預(yù)設(shè)值（如±0.5°），則判定為異常。
速度與加速度變化檢測：通過編碼器或陀螺儀獲取實(shí)時速度數(shù)據(jù)，判斷在延時期間是否出現(xiàn)非正常加速或反轉(zhuǎn)運(yùn)動。
力矩/轉(zhuǎn)矩反饋檢測：檢測電機(jī)輸出力矩是否持續(xù)為零或出現(xiàn)異常波動，以判斷是否存在外部負(fù)載導(dǎo)致的非主動運(yùn)動。
系統(tǒng)響應(yīng)時間一致性：驗(yàn)證從去使能指令發(fā)出到安全執(zhí)行動作之間的時間延遲是否在允許范圍內(nèi)，確保系統(tǒng)具備可預(yù)測的安全響應(yīng)能力。

常用檢測儀器與設(shè)備

為實(shí)現(xiàn)精確可靠的延時去使能檢測，需配備高精度、高響應(yīng)速度的檢測儀器，主要包括：

高分辨率增量式/絕對式編碼器：用于精確獲取關(guān)節(jié)位置與速度信息，分辨率通常需達(dá)到16位及以上。
數(shù)字信號處理器（DSP）或?qū)崟r控制器：如TI C2000系列、National Instruments CompactRIO等，支持毫秒級響應(yīng)與閉環(huán)控制。
振動與加速度傳感器（IMU）：用于監(jiān)測關(guān)節(jié)在去使能過程中的動態(tài)變化，輔助判斷是否存在非預(yù)期運(yùn)動。
安全繼電器模塊與安全PLC：如SICK、Phoenix Contact等品牌的安全控制模塊，用于實(shí)現(xiàn)冗余邏輯判斷與安全輸出。
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（DAQ）：用于記錄延時期間的關(guān)鍵信號波形，支持后期分析與故障診斷。

主流檢測方法

目前，非自鎖關(guān)節(jié)延時去使能安全檢測主要采用以下幾種方法：

基于時間窗口的位移閾值檢測法：設(shè)定一個固定時間窗口（如150ms），在該時間內(nèi)若關(guān)節(jié)位移超過預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)安全機(jī)制。
動態(tài)速度積分法：計(jì)算延時期間速度的積分值，若位移積分超過安全限值（如0.1mm），則判定為異常。
雙重冗余傳感器交叉驗(yàn)證法：采用編碼器與IMU雙重?cái)?shù)據(jù)源，通過比較兩者結(jié)果一致性來判斷是否發(fā)生可信運(yùn)動。
AI輔助異常檢測模型：基于歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練機(jī)器學(xué)習(xí)模型，實(shí)時識別非自鎖關(guān)節(jié)在去使能過程中的異常模式（如振動頻率突變、非線性位移等）。

相關(guān)檢測標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范

為確保延時去使能檢測系統(tǒng)的安全性與合規(guī)性，必須遵循國際與國家標(biāo)準(zhǔn)，主要包括：

ISO 13849-1:2015《機(jī)械安全 — 控制系統(tǒng)安全相關(guān)部件》：規(guī)定了安全控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、評估與驗(yàn)證流程，要求延時去使能功能達(dá)到PLd或更高安全等級。
IEC 61508:2010《電氣/電子/可編程電子安全相關(guān)系統(tǒng)的功能安全》：適用于高安全關(guān)鍵系統(tǒng)，要求系統(tǒng)具備功能安全完整性等級（SIL）評估，如SIL2及以上。
ISO/TS 15066:2016《工業(yè)機(jī)器人 — 協(xié)作機(jī)器人安全要求》：專門針對協(xié)作機(jī)器人中非自鎖關(guān)節(jié)的安全控制提出明確要求，包括“去使能延時”與“位置保持”功能的實(shí)現(xiàn)規(guī)范。
EN 61508（歐洲等效于IEC 61508）與UL 1998：在美國與歐盟市場，這些標(biāo)準(zhǔn)是安全控制系統(tǒng)認(rèn)證的必要依據(jù)。

綜上所述，非自鎖關(guān)節(jié)的延時去使能安全檢測是一項(xiàng)集傳感器技術(shù)、實(shí)時控制、安全標(biāo)準(zhǔn)與冗余設(shè)計(jì)于一體的綜合性安全措施。通過科學(xué)的檢測項(xiàng)目設(shè)定、先進(jìn)的檢測儀器支持、可靠的方法實(shí)現(xiàn)以及嚴(yán)格遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，可顯著提升自動化系統(tǒng)的本質(zhì)安全性，為工業(yè)4.0時代的人機(jī)協(xié)作環(huán)境提供堅(jiān)實(shí)保障。