使用光幕提升安全性及測量物體

光幕是一項用途廣泛的技術。這種技術常和安全性的應用有關，實際用途五花八門，包括機器防護和建立保護區；在處理材料時偵測是否存在物體或測量通過物的大小；在包裝和分揀應用中確保物體正確放置或對齊；以及限制區的入侵偵測和門禁控制。

如欲瞭解光幕與安全雷射掃描器的異同，並檢閱掃描器的實際應用，請參閱本系列的第 1 篇文章《安全雷射掃描器如何保護人員和機器》。

本文會先說明重要的光幕規格和效能標準，接著搭配一些光幕的實際應用範例，進而探討如何在安全與門禁控制系統中使用光幕，以及如何測量光幕的運作。文中還會介紹 Panasonic、IDEC、Omron、Banner Engineering 的一些優良光幕產品。

安全光幕的相關標準與類型

國際電工委員會 (IEC) 61496 機械安全 - 電敏保護設備 (ESPE) 中定義了四種安全效能。相關類型包括 Type 2、Type 3 和 Type 4。Type 1 並不適用於安全光幕應用。

除了 IEC 61508 中的安全完整性等級 (SIL) 定義和國際標準化組織 (ISO) 13849 對效能等級 (PL) 的定義之外，IEC 61496 還增添額外的要求。

SIL 介於 1 到 3 之間，其中 SIL 3 是最高等級；PL 則介於「a」到「e」之間，其中 PLe 要求最高。儘管某些光幕被列為 Type 3 裝置，但根據 IEC 61496 的分類，光幕通常屬於 Type 2 及 Type 4。安全雷射掃描器符合 Type 3 的要求。Type 分類中的一些重要因素包括：

Type 2 裝置必須達到 SIL 1 及 PLc。這種裝置適合用於低風險應用，在這些應用中，故障可能會導致腫塊或挫傷、撞傷、輕微割傷和擦傷等傷勢，或是被夾住但未被壓傷。IEC 61496 要求裝置啟動時必須執行自我檢測，運作時也需定期執行。這些裝置缺乏 Type 4 光幕中包含的備援自動自我檢測電路。定義視野的有效孔徑角度 (EAA) 必須為 ±5 度或是更窄。這可能會引發光學干擾和誤差。

Type 3 ESPE (例如安全雷射掃描器和某些光幕) 必須達到 SIL 2 和 PLd，而且「不會因單一故障而發生危險，但可能因逐漸累積故障而發生危險」。在電磁相容性 (EMC) 方面，這些裝置的要求也比 Type 2 裝置更為嚴格。Type 3 裝置適用於十分講求安全性的應用。

Type 4 光幕則專用於以安全為主要考量的應用，因此必須符合 PLe 和 SIL 3 這兩項最高標準。這種光幕「不會因單一故障或故障逐漸累積而發生危險」。Type 4 光幕的 EAA 較小 (±2.5 度)，因此較不易受光學干擾的影響，並且能更輕易辨識物體。其還必須滿足最嚴格的 EMC 要求。

由於 Type 2 光幕採用較低價的光學元件和較簡易的故障偵測電路，因此其成本比 Type 4 光幕低 30%。在解析度方面，Type 4 光幕涵蓋的範圍較廣，包括 14 mm (用於識別手指)、30 mm (識別手部)、50 mm (識別腿部)，以及 90 mm (識別人身)。相較之下，Type 2 光幕通常則限於較高的解析度 (圖 1)。

圖 1：Type 4 光幕的最低解析度，通常比 Type 2 光幕來得小。(圖片來源：IDEC)

除了偵測不同大小的物體外，光幕中的光束還能單獨控制，以提供更高階的功能，例如屏蔽、消隱以及測量物體的大小和數量。

屏蔽和消隱光幕

屏蔽 (muting) 和消隱 (blanking) 光幕是指在特定情況下關閉全部光幕，或關閉其中一部分。屏蔽流程是一個自動化流程，通常是在機器工作週期的非危險階段，暫停全部或部分光幕的保護。此時能讓材料進入工作區，不會阻止任何危險活動。一旦材料進入工作區，光幕便會重新啟動完整保護功能。

屏蔽的典型應用包括：

• 讓堆垛機棧板能在非運作期間進出
• 執行自動化製程時，材料能出入不同的區域，同時能在機器啟用時，保障人員安全

圖 2：屏蔽光幕能方便特定尺寸的物體通過，而無需中斷機器運作 (左)，不過會偵測到手或手指等其他物體 (右) 並使機器停止運作。(圖片來源：Panasonic)

消隱是關閉光幕的一部分，且機器本身仍受到保護。其也能限制人員在安全期間進入區域的權限。消隱的典型應用包括：

• 在安全期間伸手進入機器人工作站，以放上或卸下物體
• 在運作期間取用液壓式沖床

Type 2 光幕

IDEC 的 Type 2 SG2 系列光幕提供護手和實體存在保護型號。例如，型號 SG2-90-030-OO-X 針對實體存在偵測所設計，其控制高度為 300 mm，解析度為 90 mm。此型號包含測試／重新啟動功能以及整合校準系統，有助於加速部署。旋轉安裝支架則進一步加速簡化收發裝置的安裝與校準，即使該應用使用鏡子或工作距離遠達 19 m 亦然。

在嚴苛環境中進行屏蔽和消隱

若要在溫度低至 -30°C 的冷藏倉庫、金屬加工製程 (例如需要 IP67G 防油侵入防護等級的沖壓機)，以及其他惡劣塵土環境的作業 (例如汽車製造和機床) 使用安全光幕，可以選擇 Omron 的 F3SG-SR 系列。這些 Type 4 光幕包含屏蔽以及固定和浮動消隱功能。

F3SG-SR 光幕的防護高度介於 160 mm 和 2,480 mm 之間。若需要偵測手部或其他直徑為 25 mm 的物體時，安全系統設計人員可選擇 F3SG-4SRA0280-25-F；該型號支援以 40 mm 的增量彈性調整長度，最長可達 1,000 mm，並且使用 27 道光束，防護高度為 280 mm (圖 3)。

圖 3：此光幕支援以 40 mm 的增量彈性調整長度，防護高度為 280 mm。(圖片來源：Omron)

抗扭轉、抗翹曲和抗撞擊

若光幕可能需要抗撞擊和抗扭轉功能時，系統設計人員可選擇 Panasonic 的 SF4D 系列 Type 4 光幕。型號 SF4D-H32-0 長 630 mm，具有 IP67 防護等級、25 mm 解析度 (用於保護手部)，以及整合式消隱與屏蔽功能。

這些光幕堅固耐用，其內部單元經過重新設計，使外殼具有最佳的穩健性和剛性。內部單元佔用的體積不到舊型號的 40%，可大幅增加外殼厚度 (圖 4)。即使內部單元較小，但光學輸出有所增加，控制輸出的 OFF 反應時間為 10 ms 或更短，串聯或並聯時則為 18 ms 或更短。

圖 4：內部單元更為小巧，支援更高的光學輸出，並且大幅增加外罩厚度。(圖片來源：Panasonic)

利用光幕進行測量

用於物體測量的光幕，通常有三種模式：連續掃描、單邊掃描、雙邊掃描。主要規格包括最小物體偵測尺寸 (MODS) 和邊緣解析度 (ER)。

連續掃描模式通常是預設模式，即光束從顯示端依序掃描至陣列的另一端。只要遇到第一道未受阻的光束，量測結果就此確定。使用低對比度模式進行連續掃描時，典型靈敏度為 5 mm 的 MODS 和 5 mm 的 ER。如果使用高過量增益掃描器模式，MODS 為 10 mm，ER 為 5 mm。單邊和雙邊掃描則可提供 10 mm 的 MODS 和 2.5 mm 的 ER。

單邊掃描是從第一道受阻的光束 (最低光束) 開始進行，受阻表示有物體存在。之後，光幕會檢查中間光束。掃描器會檢查底部四分之一光束，看看中間光束是否並未受阻。掃描器會檢查頂部四分之一光束，看看中間光束是否受阻。

一旦確定頂部或底部四分之一光束是否受阻後，會繼續將光束數目分為兩半，直到找到物體的頂緣為止。

若第一道光束未必確實受阻，可採用雙邊掃描模式，此模式首先要選擇步階，通常是 1、2、4、8、16 或 32，具體依實際應用而定。首先，光幕會啟動光束 1。如果光束受阻，則代表已找出第一個邊。如果未受阻，光幕會啟用下一道光束，此光束由步階決定。例如，如果步階為 4，則會啟用光束 5。

如果啟用的光束未受阻，光幕將繼續步進流程，直到找到受阻的光束為止。此時會對起點執行二分搜尋，以識別第一道受阻的光束，並識別相應的邊緣。此流程會重複執行，這次使用已識別的邊緣作為參考點，然後繼續步進流程以識別未受阻的光束，接著回溯識別最多有幾道光束受阻，進而確定第二個邊緣。

圖 5：雙邊掃描的光束序列範例。(圖片來源：Banner Engineering)

用於測量的光幕

Banner Engineering 的 A-GAGE EZ-ARRAY 測量光屏，專為即時產品尺寸和輪廓分析、邊緣導引與中心導引、孔洞偵測、零件計數等應用所設計。發射器和接收器的距離介於 150 至 2,400 mm (5.9 至 94.5 in) (圖 6)。例如，型號 EA5E600Q 長 600 mm (23.6 in)，具有 120 道光束。這些光幕支援精確的高速流程監控和檢查、輪廓分析以及糾偏系統。其他特點包括：

• 多種掃描選項：
  • 16 種掃描分析 (量測) 模式
  • 三種掃描方法
  • 可選光束消隱
• 六腳位 DIP 開關，適用於設定掃描模式、量測模式、類比斜率，以及設定離散以進行補充量測或警報操作。

圖 6：A-GAGE EZ-ARRAY 系列測量光幕的長度介於 150 mm 至 2,400 mm 之間。(圖片來源：Banner Engineering)

結論

光幕能提供保護，防止人員和機器進入危險與敏感區，但其功能遠遠不僅於此。光幕可利用消隱和屏蔽功能協助控制進出，以提高生產力。另外，還能支援非接觸式測量技術，快速、高效率量測多種尺寸的物體。