Technologies pour la sécurité des machines automatisées

Sep 07, 2023

L'émetteur de la barrière immatérielle contient une série de LED qui projettent un réseau de faisceaux lumineux infrarouges parallèles synchronisés vers le récepteur. Photo publiée avec l'aimable autorisation de Keyence Corp. of America

Assurer la sécurité des travailleurs est un défi quotidien pour tous les fabricants, en particulier ceux qui exploitent une ou plusieurs chaînes de montage automatisées. Pour atteindre cet objectif, de nombreuses entreprises s'assurent que leurs machines sont équipées de composants de sécurité basés sur des capteurs qui répondent aux normes ANSI, ISO, ISA et OSHA. Il s'agit notamment des barrières immatérielles, des scrutateurs laser et des contrôleurs de sécurité, des encodeurs et des interrupteurs de verrouillage.

Les barrières immatérielles aident Robert Bosch GmbH à améliorer la sécurité et la productivité des travailleurs dans son usine de solutions de mobilité à Toluca, au Mexique. Fabriqués par Keyence Corp. of America, les rideaux de la série GL-R sont utilisés autour d'une machine qui installe des roulements à aiguilles dans un arbre de moteur. Plusieurs processus d'assemblage sont également vérifiés dans le poste de travail qui abrite cette machine.

Steve Nyerges, chef de projet dans la division des solutions de détection totale chez Keyence, explique que la réduction des temps de cycle de la ligne de production était une autre raison pour laquelle Bosch a installé les barrières immatérielles en 2014. Le temps de cycle est passé de 14 secondes à 12,3, ce qui a augmenté la production de la machine de 257 à 292 pièces par heure.

« Auparavant, le cycle de protection physique de la machine prenait 2 secondes supplémentaires », explique Nyerges. "L'opérateur devait attendre que la porte soit complètement fermée avant de démarrer le cycle. Désormais, la machine s'arrête automatiquement lorsque le rideau est interrompu par une personne ou un objet."

La sécurité des opérateurs de tours CNC est une grande priorité pour le fabricant de transmissions de puissance Tsubakimoto Chain Co. Shawn Martel, vice-président et ingénieur commercial chez PowerSafe Automation (PSA), un intégrateur de systèmes, explique que PSA équipe chaque broche de tour d'un encodeur, d'un capteur de proximité et d'un interrupteur de verrouillage de porte sans contact pour optimiser la sécurité de l'opérateur.

"Des protections rigides et une porte à poignée enferment le tour", note Martel. "Avant, lorsque le travailleur ouvrait la porte, la broche tournait pendant environ 15 secondes avant de s'arrêter. Aujourd'hui, le simple fait de se tenir trop près du tour provoque l'arrêt de la machine par le capteur de proximité. Une fois que la broche s'arrête, le mécanisme de verrouillage de la porte est libéré."

Cet arrêt automatique de la machine protège les travailleurs des coupures graves ainsi que des doigts et des mains écrasés, fracturés, disloqués et amputés. Tout aussi important, les interrupteurs de verrouillage et autres produits de sécurité permettent aux fabricants d'éviter les amendes OSHA coûteuses, tout en maintenant le fonctionnement normal de la machine. Un avantage supplémentaire est que ces technologies sont plus faciles que jamais à mettre en œuvre et à entretenir.

Les barrières immatérielles ont considérablement gagné en popularité depuis leur introduction dans les années 1950 en tant que technologie de détection de produits. Les rideaux ne doivent être utilisés que lorsque l'une ou l'ensemble des conditions suivantes s'applique : La machine peut s'arrêter constamment et immédiatement n'importe où dans son cycle ou sa course ; les travailleurs doivent accéder fréquemment à la zone surveillée ; et les gardes physiques seraient un obstacle. Les fournisseurs disent que les barrières immatérielles ne doivent jamais être utilisées sur les machines à embrayage ou celles qui nécessitent une révolution complète avant de s'arrêter.

Initialement, les barrières immatérielles utilisaient des lampes à incandescence enchaînées avec une ligne correspondante de détecteurs de lumière. La barrière immatérielle d'aujourd'hui est un capteur photoélectrique allongé composé d'un émetteur et d'un récepteur. L'émetteur contient une série de LED qui projettent un ensemble de faisceaux lumineux infrarouges parallèles synchronisés vers le récepteur. Si un objet opaque bloque l'un des faisceaux, la barrière immatérielle envoie un signal d'arrêt à la machine protégée.

La barrière immatérielle de type 4 de la série GL-R de Keyence est dotée d'une surface de lentille encastrée de 9 millimètres de large qui protège complètement la barrière des dommages causés par les chocs. Il comprend également un corps en aluminium extrudé de 3 millimètres d'épaisseur, un système de câblage à une ligne et des supports à ajustement rapide. Le système de câblage permet à l'émetteur du rideau d'être connecté directement au récepteur avec un seul câble, ce qui réduit considérablement les erreurs de câblage. Les supports à ajustement rapide se vissent dans le canal arrière du boîtier du rideau et se fixent au cadre de l'équipement standard sans matériel de protection spécial.

"Les fabricants de nombreuses industries utilisent des barrières immatérielles car elles remplacent efficacement les protections rigides", déclare Nyerges. "Les barrières immatérielles sont particulièrement populaires auprès des équipementiers automobiles et des Tier 1 et Tier 2 qui font fonctionner des machines plus petites, telles que celles pour l'assemblage de barres de combustible."

Martel affirme que 90 à 95 % des installations liées aux rideaux de son entreprise sont simples et nécessitent peu de temps d'arrêt. Le câblage passe directement des rideaux à un boîtier de sécurité sur mesure pour une communication fiable du signal entre l'émetteur et le récepteur.

La résolution de la barrière immatérielle (le plus petit objet qu'elle puisse détecter) dépend de ce qui doit être détecté. Une résolution de 12 à 14 millimètres est utilisée pour détecter les doigts, 30 millimètres est standard pour la détection des mains et 100 à 300 millimètres sont utilisés pour détecter les personnes.

En avril dernier, OMRON Automation and Safety a présenté sa série de barrières immatérielles F3SG-RR avec un boîtier métallique résistant à l'huile et classé IP67G. Les rideaux sont particulièrement efficaces dans les zones de travail où fonctionnent des centres d'usinage CNC et d'autres machines qui utilisent de l'huile, note Matt Dodds, responsable du marketing des produits de sécurité chez OMRON. Jusqu'à trois rideaux peuvent être connectés en série dans une conception en cascade pour s'adapter à différentes hauteurs de protection et produire un réseau de jusqu'à 255 faisceaux dans le plan de détection.

La résolution est de 14 ou 30 millimètres. La zone optique des deux modèles est entièrement recouverte de caoutchouc pour produire un joint étanche. La connectivité Smartclick assure une connexion fiable et accélère l'installation. L'installateur insère simplement chaque câble M12 du rideau dans un connecteur homologue, le tourne d'1/8 de tour et entend un clic.

Les rideaux EZ-SCREEN LS de Banner Engineering sont spécialement conçus pour protéger divers types de petites stations d'assemblage, explique John Klesk, responsable du marketing technique chez Banner. Indicateurs d'alignement bicolores intégrés sur toute la longueur des installateurs d'aides au récepteur et des préposés à l'entretien. Les voyants verts indiquent que le capteur est correctement aligné et que la fenêtre du récepteur est propre. Les lumières deviennent rouges lorsqu'une zone du capteur est mal alignée ou que la fenêtre est sale. Un boîtier en aluminium épais, des embouts en métal et une fenêtre encastrée empêchent les dommages dus aux chocs. Des indicateurs à distance en option permettent de visualiser l'état du rideau à distance pour soutenir la productivité dans un environnement de fabrication allégée.

Le défi de la protection de grandes zones dangereuses est mieux relevé avec un scrutateur laser de sécurité, qui peut être utilisé dans des applications fixes ou mobiles. Ce type de scanner est un dispositif optoélectronique qui utilise la réflexion diffuse de la lumière émise pour détecter l'intrusion d'une personne ou d'un objet dans une zone spécifiée, telle que l'intérieur des cellules de travail robotiques.

« De plus en plus, les fabricants installent des scanners laser de sécurité au lieu de tapis de sécurité pour les applications de protection à grande échelle », affirme Jason Hitchcock, responsable de l'ingénierie des applications chez ATC Automation, un intégrateur de systèmes d'automatisation et de test d'assemblage. "C'est parce que les scanners sont facilement programmables, et plus rentables et robustes. De plus, les tapis occupent un espace précieux au sol et sont sensibles à l'usure de l'opérateur et aux dommages causés par les chutes de pièces."

SICK fabrique le scanner laser microScan3 qui utilise la technologie safeHDDM (mesure de distance haute définition) pour réduire l'occurrence de faux déclenchements et les temps d'arrêt associés. Tyler Glieden, chef de produit national chez SICK, déclare que safeHDDM émet plus de 80 000 impulsions par balayage, ce qui se traduit par plus de données disponibles pour le scanner à évaluer. Ces données, combinées à des algorithmes intelligents, permettent au scanner de filtrer la poussière, la lumière ambiante, les étincelles de soudure et la saleté sur l'écran.

Le scanner est compact, mais offre une portée de balayage de 5,5 mètres et un angle de balayage de 275 degrés pour la surveillance de zone et d'accès. Il utilise la connectivité M12 standard et l'intégration optionnelle de CIP Safety sur Ethernet/IP, et offre des diagnostics par bouton-poussoir. Selon Glieden, le scanner est fréquemment utilisé par les constructeurs automobiles pour les applications robotiques de soudage et d'assemblage.

Avec une résolution angulaire allant jusqu'à 0,071 degré, la série R2000 de scanners de détection de Pepperl & Fuchs détecte facilement des objets aussi petits que 1 millimètre de large. Le modèle standard évite les collisions avec les pièces saillantes d'un transstockeur ou d'un système de convoyeur suspendu, tandis que l'unité haute densité est conçue pour les tâches robotiques. Les deux modèles sont capables de scanner à 360 degrés, mais ce dernier scanner fournit 84 000 points de numérisation par seconde et une résolution angulaire optimisée jusqu'à 0,043 degré.

Helge Hornis, directeur de la technologie chez Pepperl & Fuchs, explique que la technologie de télémétrie par impulsions dans le scanner fournit des mesures précises et des temps de réponse courts dans diverses conditions ambiantes et d'objets. Une fois qu'un opérateur a défini les paramètres directement sur l'appareil, l'écran interactif du scanner fournit des informations textuelles, graphiques et de diagnostic pendant le fonctionnement.

Le scanner de sécurité Keyence SZ-V dispose d'une caméra intégrée qui capture des images et des vidéos lorsqu'un objet ou une personne pénètre dans la zone protégée. Selon Nyerges, les utilisateurs du scanner comprennent des fabricants de gros produits, tels que des pneus pour machines agricoles. Le scanner offre une zone de protection de 8,4 mètres, une zone d'avertissement de 26 mètres et un champ de vision de 190 degrés.

La communication réseau via Profinet, PROFIsafe, Ethernet/IP ou UDP est possible. Les autres caractéristiques comprennent un écran amovible, une prise de mémoire système et une surveillance multizone.

Les contrôleurs de sécurité SC26-2 et XS26-2 de Banner sont désormais capables d'envoyer des données aux appareils connectés via le protocole de communication Profinet. Le contrôleur SC26-2 configurable fournit des fonctions d'arrêt et de démarrage pour les machines à mouvement dangereux, tandis que le XS26-2 prend en charge jusqu'à huit modules d'E/S d'extension.

Klesk dit que les utilisateurs du SC26-2 comprennent plusieurs équipementiers automobiles et Tier 1, des fabricants de dispositifs médicaux et des entreprises alimentaires et de boissons. Les applications robotiques comprennent les cellules de soudage et les équipements de palettisation.

Les deux modèles peuvent être configurés avec jusqu'à 256 sorties d'état virtuelles, qui peuvent être utilisées pour envoyer des signaux d'état non liés à la sécurité aux API, aux voyants lumineux et aux dispositifs similaires. Ils prennent également en charge les entrées virtuelles non sécurisées, y compris la réinitialisation manuelle, les commandes marche-arrêt, l'activation de la sourdine et l'annulation du délai d'arrêt.

Le contrôleur de sécurité OMRON série NX-SL5 prend en charge la connectivité directe à n'importe quel dispositif de sécurité à l'aide d'une connexion CIP Safety sur Ethernet/IP. Il est compact, puissant et s'adapte facilement à une large gamme d'applications impliquant des dispositifs de protection, des E/S locales ou déportées et des robots industriels avec une connexion de sécurité CIP. La conception modulaire de l'unité permet une extension évolutive, d'un petit système avec quelques points d'E/S, à de grandes applications nécessitant jusqu'à 2 032 points. Le logiciel Sysmac Studio permet une programmation automatique basée sur un éventail de conditions. La vérification en ligne de la fonction de sécurité enregistre les données du flux de travail pour une traçabilité complète.

Les codeurs de sécurité fonctionnelle génèrent des informations sur la position, l'angle et le nombre de tours, avec un accent particulier sur la sécurité mécanique et électrique. La série RVS58S de Pepperl & Fuchs possède une interface sinus-cosinus et est capable de compter 1 024 et 2 048 impulsions. Ils sont certifiés TÜV et utilisables dans des applications avec un niveau d'intégrité de sécurité jusqu'à 3, selon la norme IEC 61508.

Hornis indique que les codeurs sont fréquemment utilisés pour surveiller les moteurs dans les systèmes de convoyage et de manutention, les élévateurs à ciseaux et les presses à rouler. Les codeurs délivrent une fréquence de sortie maximale de 200 kilohertz à des températures de fonctionnement de -20 à 80 C. Ils sont conçus pour supporter des charges axiales sur l'arbre de 40 newtons à 6 000 tr/min ou 10 newtons à 12 000 tr/min ; et des charges radiales sur l'arbre de 60 newtons à 6 000 tr/min ou 20 newtons à 12 000 tr/min.

Jim est rédacteur en chef de ASSEMBLY et possède plus de 30 ans d'expérience éditoriale. Avant de rejoindre ASSEMBLY, Camillo était rédacteur en chef de PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal et Milling Journal. Jim a un diplôme d'anglais de l'Université DePaul.