광 커튼을 사용한 안전 강화 및 물체 측정

광 커튼은 다양한 기능을 갖춘 기술입니다. 주로 안전 응용 분야에서 사용하는 경우가 많지만, 기계 보호, 보호 구역 설정, 물체가 있는지 감지하거나 통과하는 물체의 크기를 측정하는 자재 관리, 포장 및 분류 응용 분야를 위한 물체의 적절한 배치 또는 정렬 보장, 제한 구역 침입 감지 및 접근 제어 등 다양한 용도로 사용할 수 있습니다.

광 커튼과 안전 레이저 스캐너를 비교하고 스캐너 응용 분야를 검토하려면 이 시리즈의 1부 '안전 레이저 스캐너로 사람과 기계를 보호하는 방법'을 참조하십시오.

이 기사에서는 중요한 광 커튼 사양과 성능 표준을 살펴보고, 광 커튼이 안전 및 접근 제어 시스템에서 사용되는 방법과 측정용 광 커튼의 작동 방식에 대한 응용 사례를 알아봅니다. 그 과정에서 Panasonic, IDEC, Omron 및 Banner Engineering의 대표적인 광 커튼을 소개합니다.

안전 광 커튼 표준 및 유형

안전 성능의 네 가지 유형은 국제 전자기술 위원회(IEC) 61496, 기계 안전 - 전기 감지 보호 장비(ESPE)에 정의되어 있습니다. 2, 3, 4 유형이 안전 광 커튼 관련 유형입니다. 유형 1은 안전 광 커튼 응용 분야에 대해 정의되어 있지 않습니다.

IEC 61496은 성능 수준(PL)을 정의하는 IEC 61508 및 국제표준화기구(ISO) 13849의 안전 무결성 수준(SIL) 정의보다 한층 강화된 요구 사항을 추가합니다.

SIL 등급은 1부터 3까지 지정되고 SIL 3이 가장 높은 수준이며, PL 등급은 'a'부터 'e'까지 지정되고 PLe가 가장 까다롭습니다. IEC 61496의 분류를 사용할 때 광 커튼은 일반적으로 유형 2와 4에 속하지만, 일부는 유형 3 장치로 분류됩니다. 안전 레이저 스캐너는 유형 3의 요구 사항을 충족합니다. 유형 분류의 몇 가지 중요한 요소는 다음과 같습니다.

유형 2 장치는 SIL 1 및 PLc를 충족해야 합니다. 이러한 장치는 결함으로 인해 혹, 타박상, 넘어짐, 경미한 자상, 찰과상 등의 부상을 입거나 압착되지 않는 갇힘 사고로 이어질 수 있는 저위험 응용 분야에 사용하기 위한 것입니다. IEC 61496에서는 장치의 시동을 걸 때, 그리고 작동 중에 주기적으로 자체 점검을 수행하도록 요구합니다. 이러한 장치에는 유형 4 광 커튼의 중복 자동 자체 점검 회로가 없습니다. 시야각을 정의하는 유효 애퍼처 각도(EAA)는 ±5도 이하여야 합니다. 이로 인해 광학적 전파 방해와 오류가 발생할 수 있습니다.

유형 3 ESPE(예: 안전 레이저 스캐너 및 일부 광 커튼)는 SIL 2 및 PLd를 충족해야 하며 ‘단일 결함으로 인해 위험에 빠지지 않도록 설계되었지만 결함이 누적되면 위험해질 수 있습니다.’ 또한 이러한 장치에는 유형 2 장치보다 더 엄격한 전자파 적합성(EMC) 요구 사항이 적용됩니다. 유형 3 장치는 안전이 중요하게 고려되는 응용 분야에 적합합니다.

유형 4 광 커튼은 안전이 주요 고려 요소인 경우에 사용하도록 설계되었습니다. 이 장치는 가장 엄격한 표준인 PLe 및 SIL 3을 충족해야 합니다. '단일 결함이나 결함의 누적으로 인해 위험에 빠지지 않도록' 설계되었습니다. EAA가 ±2.5도로 작아서 광학적 전파 방해에 덜 민감하고 물체를 더 쉽게 인식할 수 있습니다. 또한 가장 엄격한 EMC 요구 사항을 충족해야 합니다.

유형 2 광 커튼은 광학 장치가 저렴하고 고장 감지 회로망이 간단하기 때문에 유형 4 광 커튼보다 비용이 최대 30% 저렴합니다. 유형 4 광 커튼은 14mm(손가락 식별용), 30mm(손 식별용), 50mm(다리 식별용), 90mm(신체 식별용) 등 폭넓은 해상도로 제공됩니다. 반면에 유형 2 광 커튼은 일반적으로 더 큰 해상도로 제한됩니다(그림 1).

그림 1: 유형 4 광 커튼은 일반적으로 유형 2 장치보다 더 작은 최소 해상도로 제공됩니다. (이미지 출처: IDEC)

다양한 크기의 물체를 감지하는 것 외에도 광 커튼의 빔을 개별적으로 제어하여 뮤팅, 블랭킹, 물체의 크기 및 개수 측정과 같은 고급 기능을 제공할 수 있습니다.

광 커튼 뮤팅 및 블랭킹

광 커튼 뮤팅 및 블랭킹은 특정 상황에서 광 커튼의 전체 또는 일부를 끄는 것을 말합니다. 뮤팅은 광 커튼의 보호 기능 전체 또는 일부를 일시 중단하는 자동 공정이며 일반적으로 기계 작동 주기의 위험하지 않은 부분에서 발생합니다. 위험한 활동을 중단하지 않고도 재료를 작업 영역에 투입할 수 있습니다. 재료가 작업 영역에 투입되면 광 커튼의 전체 보호 기능이 다시 작동합니다.

뮤팅을 사용하는 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 작업 사이에 적재 기계로 팔레트 입/출고 가능
• 기계가 작동 중일 때 인력을 보호하면서 자동화된 제조 공정의 영역 간에 자재 이동 허용

그림 2: 광 커튼 뮤팅을 사용하면 특정 크기의 물체는 기계 작동을 중단하지 않고 통과할 수 있지만(왼쪽) 손이나 손가락과 같은 다른 물체가 감지되면 기계가 멈춥니다(오른쪽). (이미지 출처: Panasonic)

블랭킹은 기계 보호를 차단하지 않고 광 커튼의 일부를 끄는 것을 말합니다. 또한 안전한 기간 동안 사람들이 해당 영역에 제한적으로 접근할 수 있습니다. 블랭킹의 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 안전한 기간 동안 적재 또는 하역을 위해 로봇 작업 공간 진입
• 업사이클 중 유압식 펀치 프레스에 접근

유형 2 광 커튼

IDEC의 유형 2 SG2 계열 광 커튼은 손 및 존재 보호 모델로 제공됩니다. 예를 들어 SG2-90-030-OO-X 모델은 제어 높이가 300mm이고 해상도 90mm인 존재 감지용으로 설계되었습니다. 테스트/재시작 기능과 통합 정렬 시스템이 포함되어 있어 배포 속도를 높일 수 있습니다. 회전식 실장 브라켓은 거울을 사용하거나 최대 19m 거리에서 작동하는 응용 분야에서도 설치 속도를 높이고 송/수신 장치를 쉽게 정렬할 수 있습니다.

열악한 환경에서 뮤팅 및 블랭킹

영하 30°C까지 내려가는 냉장 저장 창고의 안전 광 커튼 응용 분야, IP67G 방유 침투 보호가 필요한 스탬핑 기계와 같은 금속 작업 공정, 자동차 제조 및 기계 공구와 같이 먼지와 오염이 심한 환경의 기타 작업에는 Omron의 F3SG-SR 계열을 사용할 수 있습니다. 이 유형 4 광 커튼에는 뮤팅 기능과 고정 및 플로팅 블랭킹 기능이 포함되어 있습니다.

F3SG-SR 광 커튼의 보호 높이는 160mm ~ 2,480mm입니다. 손이나 지름 25mm의 다른 물체를 감지해야 하는 경우, 안전 시스템 설계자는 280mm 보호 높이에서 27개의 빔을 사용하여 40mm ~ 1,000mm 단위의 유연한 길이를 지원하는 F3SG-4SRA0280-25-F를 사용할 수 있습니다(그림 3).

그림 3: 이 광 커튼은 280mm 보호 높이로 40mm 단위의 유연한 길이를 지원합니다. (이미지 출처: Omron)

비틀림, 휨 및 충격 내성

충격과 비틀림이 발생할 수 있는 곳에서 광 커튼을 사용하는 경우 시스템 설계자는 Panasonic의 SF4D 계열 유형 4 광 커튼을 사용할 수 있습니다. 630mm 길이의 SF4D-H32-0 모델은 IP67 등급, 손 보호를 위한 25mm 해상도, 내장 블랭킹 및 뮤팅 기능을 갖추고 있습니다.

이 광 커튼의 견고성은 케이스의 내구성과 강성을 최적화할 수 있도록 재설계된 내부 장치로부터 나옵니다. 내부 장치의 부피가 이전 모델의 40% 미만으로 줄어 케이스 두께를 크게 늘릴 수 있습니다(그림 4). 내부 장치는 작아졌지만 광 출력은 증가했으며 제어 출력의 OFF 응답 시간은 10ms 이하(직렬 연결 시) 또는 18ms 이하(병렬 연결 시 )입니다.

그림 4: 콤팩트한 내부 장치에서 높은 광 출력을 지원하면서 매우 두꺼운 하우징을 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Panasonic)

광 커튼으로 측정하기

물체 측정용으로 설계된 광 커튼에는 일반적으로 직선 스캔, 단일 에지 스캔, 이중 에지 스캔의 세 가지 모드가 있습니다. 주요 사양에는 최소 물체 감지 크기(MODS)와 에지 해상도(ER)가 포함됩니다.

직선 스캔은 보통 기본 모드에 해당하며, 디스플레이 끝에서 어레이의 반대쪽 끝으로 빔이 순차적으로 스캔됩니다. 차단되지 않은 첫 번째 빔이 발생하면 측정값이 결정됩니다. 저대비 모드를 사용하는 직선 스캔의 일반적인 감도는 MODS 5mm, ER 5mm입니다. 높은 과잉 이득 스캐너 모드를 사용하는 경우 MODS는 10mm, ER은 5mm입니다. 단일 에지 및 이중 에지 스캔은 MODS 10mm와 ER 2.5mm을 제공합니다.

단일 에지 스캔에서는 우선 첫 번째(가장 낮은) 빔이 차단되는 것으로 물체의 존재를 감지합니다. 그런 다음 커튼에서 중간 빔을 확인합니다. 스캐너는 하단 1/4 빔을 확인하여 중간 빔이 차단되지 않았는지 확인합니다. 또한 상단 1/4 빔을 확인하여 중간 빔이 차단되었는지 확인합니다.

상단 또는 하단 1/4 빔의 차단 여부가 결정되면 빔의 개수를 반씩 나누면서 물체의 상단 에지를 찾습니다.

첫 번째 빔이 반드시 차단되지 않는 상황에서는 이중 에지를 사용할 수 있으며, 응용 분야에 따라 보통 1, 2, 4, 8, 16 또는 32 단계 크기를 선택하여 시작할 수 있습니다. 커튼이 빔 1을 활성화하는 것으로 시작합니다. 해당 빔이 차단되면 첫 번째 에지가 식별된 것입니다. 해당 빔이 차단되지 않으면 커튼은 단계 크기에 따라 다음 빔을 활성화합니다. 예를 들어 단계 크기가 4인 경우 빔 5가 활성화됩니다.

활성화된 빔이 차단되지 않으면 커튼은 차단된 빔을 찾을 때까지 단계별 확인 공정을 계속 진행합니다. 이 지점에서 시작 위치로 되돌아가는 이진 검색을 사용하여 첫 번째 차단된 빔을 식별하면 해당 에지가 식별된 것입니다. 식별된 에지를 기준점으로 삼아 단계별 공정을 통해 차단되지 않은 빔을 식별한 다음, 역추적을 통해 차단된 가장 높은 번호의 빔을 찾아 두 번째 에지를 식별하는 식으로 공정을 반복합니다.

그림 5: 이중 에지 스캔의 빔 시퀀스 예 (이미지 출처: Banner Engineering)

측정용 광 커튼

Banner Engineering의 A-GAGE EZ-ARRAY 측정용 광 스크린은 실시간 제품 크기 지정 및 프로파일링, 에지 가이드 및 중심 가이드, 구멍 감지, 부품 계수 등과 같은 응용 분야에 사용하도록 설계되었습니다. 방출기와 수신기의 길이 범위는 150mm ~ 2400mm(5.9in ~ 94.5in)입니다(그림 6). 예를 들어 EA5E600Q 모델은 길이가 600mm(23.6in)이고 120개의 빔이 있습니다. 이 광 커튼은 정밀한 고속 공정 모니터링 및 검사, 프로파일링, 웹 가이드 시스템을 지원합니다. 추가적인 특징은 다음과 같습니다.

• 다양한 스캔 옵션:
  • 16가지 스캔 분석(측정) 모드
  • 3가지 스캔 방법
  • 선택 가능한 빔 블랭킹
• 스캔 모드, 측정 모드, 아날로그 기울기를 설정하고 보완 측정 또는 경보 작동을 위한 이산 소자를 설정할 수 있는 6접점 DIP 스위치

그림 6: A-GAGE EZ-ARRAY 측정용 광 커튼 제품군은 150mm ~ 2400mm 길이로 제공됩니다. (이미지 출처: Banner Engineering)

결론

광 커튼은 단순히 위험하고 민감한 구역에 대한 접근을 막는 것 이상의 기능을 수행하여 사람과 기계를 모두 보호합니다. 블랭킹 및 뮤팅 기능을 통해 제어된 액세스를 지원하여 생산성을 높일 수 있습니다. 광 커튼은 물체의 여러 치수를 빠르고 효율적으로 측정하는 비접촉 측정 기술도 지원합니다.