GB/T 41997.3-2022 机械电气安全 基于视觉的电敏保护设备 第3部分:采用立体视觉保护器件特殊要求
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资料介绍
ICS 29 . 020 CCS K 09
中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准
GB/T 41997 . 3—2022
机械电气安全 基于视觉的电敏保护设备
第 3 部分 : 采用立体视觉保护器件特殊要求
Electrical safety of machinery—vision based electro-sensitive protective equipment— part 3 : particular requirements for devices using stereo vision techniques
2022-10-12 发布 2023-05-01 实施
国家市场监督管理总局国家标准化管理委员会
发
布
GB/T 41997 . 3—2022
目 次
前言 Ⅲ
引言 Ⅳ
1 范围 1
2 规范性引用文件 1
3 术语和定义 、缩略语 2
3 . 1 术语和定义 2
3 . 2 缩略语 3
4 功能 、设计和环境要求 4
4 . 1 功能要求 4
4 . 2 设计要求 6
4 . 3 环境要求 11
5 试验 12
5 . 1 总体要求 12
5 . 2 功能试验 15
5 . 3 故障条件下的性能试验 17
5 . 4 环境试验 18
6 标识和安全使用标志 26
6 . 1 总体要求 26
6 . 2 专用电源供电的 ESPE 26
6 . 3 内部电源供电的 ESPE 26
6 . 4 调整 26
6 . 5 外壳 26
6 . 6 控制装置 26
6 . 7 端子标记 26
6 . 8 标志耐久性 27
7 随附文件 27
附录 A (规范性) ESPE 的选择功能 28
A. 1 总体要求 28
A. 2 外部装置监控(EDM) 28
A. 3 停止性能监控器(SPM) 28
A. 4 副开关电器(SSD) 28
A. 5 起动联锁 28
A. 6 重新起动联锁 28
I
GB/T 41997 . 3—2022
A. 7 抑制 28
A. 8 设置检测区和/或其他安全相关参数 28
A. 9 选择多个检测区 29
附录 B (规范性) 影响 ESPE 电气设备的单一故障一览表 30
B. 1 总体要求 30
B. 2 导线和连接器 30
B. 3 开关 30
B. 4 分立电气元件 30
B. 5 固态电气元件 30
B. 6 电动机 30
B. 7 成像传感器 30
参考文献 32
图 1 VBPDST 的 3D视图 4
图 2 VBPDST 的 2D视图 5
图 3 背景上的周期性表面结构示例 16
图 4 背景上的间接光干涉试验设置图 23
图 5 有 PAPT相同设计的 VBPDST 的测试设置 23
图 6 敏感装置直接光干扰的试验配置 24
表 1 检测能力要求的验证 13
表 2 光干扰试验概述 19
表 B. 1 电动机故障一览表 30
表 B. 2 成像传感器故障一览表 30
Ⅱ
GB/T 41997 . 3—2022
前 言
本文件按照 GB/T 1 . 1—2020《标准化工作导则 第 1 部分:标准化文件的结构和起草规则》的规定起草 。
本文件是 GB/T41997《机械电气安全 基于视觉的电敏保护设备》的第 3 部分 。GB/T 41997 已经发布了以下部分:
— 第 1 部分:通用技术要求 ;
— 第 2 部分:采用参考模式的视觉保护器件特殊要求 ;
— 第 3 部分:采用立体视觉保护器件特殊要求 。
请注意本文件的某些内容可能涉及专利 。本文件的发布机构不承担识别专利的责任 。
本文件由中国机械工业联合会提出 。
本文件由全国工业机械电气系统标准化技术委员会(SAC/TC231)归口 。
本文件起草单位:国家机床质量监督检验中心 、深圳市艾贝特电子科技有限公司 、厦门三行电子有限公司 、琦星智能科技股份有限公司 、中国石油大学(北京) 、合肥工业大学 、山东莱恩光电科技公司 、北京联华科技有限公司 、广东强劲机电工程有限公司 、广东奥天美数字科技有限公司 、西安凯益金电子科技有限公司 、西安新林达数字科技有限公司 、义乌市宝能模具科技有限公司 。
本文件主要起草人: 薛瑞娟 、王金江 、张凤丽 、吴 文 俊 、胡 进 方 、王 文 浩 、周 旋 、李 东 流 、谢 宏 亮 、黄德峪 、谢增强 、刘绪方 、向梅 、吴财政 、张德银 。
Ⅲ
GB/T 41997 . 3—2022
引 言
电敏保护设备(ESPE)适用于存在人身伤害风险的机械 , 在人员处于危险情况之前 , 它使机械恢复到安全状态以提供保护 。作为机械设备的安全防护装置 , 基于视觉的电敏保护设备关乎工作人员的人身安全和机械设备的稳定运行 。本文件提供基于视觉保护装置(VBPD)的电敏保护设备的设计 、制造和试验有关信息 , 对指导我国电敏保护设备产品的设计 、生产具有重要意义 。 GB/T 41997 由三部分构成 。
— 第 1 部分:通用技术要求 。 目的是确立基于视觉的电敏保护设备的通用技术要求 。
— 第 2 部分:采用参考模式的视觉保护器件特殊要求 。 目 的是确立以被动的参考模式作为背景的电敏保护设备的特殊要求 。
— 第 3 部分:采用立体视觉保护器件特殊要求 。 目的是确立基于立体视觉技术的电敏保护设备的特殊要求 。
GB/T 41997 的三个部分配套 , 共同作为基于视觉的电敏保护设备的技术要求和试验方法的重要依据 , 促进我国电敏保护设备产品性能和行业水平的提高 。
Ⅳ
GB/T 41997 . 3—2022
机械电气安全 基于视觉的电敏保护设备
第 3 部分:采用立体视觉保护器件特殊要求
1 范围
本文件规定了采用立体视觉保护器件的电敏保护设备(ESPE)的设计 、制造和试验要求 , 描述了敏感功能为使用立体视觉技术的电敏保护设备的特殊要求 。
本文件仅限于 ESPE 的功能及其与机械连接的方式 。检测原理是基于对来自不同观察点(立体视图)的评估图像以确定距离信息 。该距离信息用于确定物体的位置 。
本文件适用于:
— 基于视觉的 ESPEs , 其制造期间不同的固定成像装置之间具有固定的距离(立体基座)和方向 ;
— 基于视觉的 ESPEs , 距离敏感装置至检测区的最小距离是立体基座的 4 倍 ;
— 基于视觉的 ESPEs , 可以检测在图像平面上至少有 5 个像素直径的物体 ;
— 基于视觉的 ESPEs , 不要求人为干预检测 ;
— 基于视觉的 ESPEs , 检测进入或存在于检测区的物体 ;
— 使用波长在 400 nm~1 500 nm 范围内的辐射的 VBPDSTs ;
— 检测能力在 200 mm 范围内的 VBPDSTs 。
本文件未涉及:
— 检测区的尺寸或配置及其与任何特定应用的危险部件相关的配置 ;
— 任何机械的危险状态 ;
— 被检测物体的复杂分类或区分所要求的方面 ;
— 移动 ESPE装置的方面 ;
— 电磁兼容(EMC)发射要求 ;
附加要求和试验可适用于下列情况:
— 使用多光谱(彩色)技术 ;
— 除 4 . 1 . 2 图 1 所示以外的设置(例如改变背景 , 光轴相对于地面的水平方向) ;
— 预期户外应用 。
本文件可与保护人体或人体部分如手臂或手指(在 14 mm~200 mm 范围内)以外的应用相关 , 例如保护机器或产品免受机械损坏 。在这些应用中(例如当敏感功能要识别的材料具有与人不同的特性时) , 需要额外的要求 。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款 。其中 , 注 日期的引用文件 , 仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件 , 其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件 。
GB/T41997. 1—2022 机械电气安全 基于视觉的电敏保护设备 第 1 部分:通用技术要求
GB/T 4208—2017 外壳防护等级(IP代码)
GB 7247 . 1—2012 激光产品的安全 第 1 部分:设备分类 、要求
GB/T 15706—2012 机械安全 设计通则 风险评估与风险减小
1
GB/T 41997 . 3—2022
GB/T 16855 . 1—2018 机械安全 控制系统安全相关部件 第 1 部分:设计通则
GB/T 16855 . 2—2015 机械安全 控制系统安全相关部件 第 2 部分:确认
GB/T 19436 . 1—2013 机械电气安全 电敏保护设备 第 1 部分:一般要求和试验GB/T 19876—2012 机械安全 与人体部位接近速度相关的安全防护装置的定位
GB 28526—2012
机械电气安全 安全相关电气 、电子和可编程电子控制系统的功能安全
ISO 20471 : 2013
高能见度服装 试验方法和要求(High visibility clothing—Test methods and re-
quirements)
IEC 62471 :2006
灯具和灯具系统的光生物学安全性(Photobiological safety of lamps and lamp
systems)
3 术语和定义 、缩略语
3 . 1 术语和定义
GB/T 41997 . 1—2022 界定的以及下列术语和定义适用于本文件 。
3 . 1 . 1
检测能力 detection capability
在特定的检测区内检测试件(见 4. 2 . 12)的能力 。
注 : 检测能力通过可检测物体的大小来衡量 。检测能力的提高意味着可以检测到较小的物体 。
[来源: GB/T 41997 . 1—2022 , 3 . 1 . 11] 3.1.2
(VBPDST的)检测区 detection zone(of VBPDST)
通过 VBPDST检测到指定试件的三维空间(例如角锥体或圆锥体的形状) 。
3.1.3
最小检测区 minimum detection zone
确保试件放置在规定的检测区内能被检测到(试件以最大速度移动)的最小的检测区尺寸 。 3.1.4
评估图像 evaluation images
由检测算法使用的一组图像 。
3.1.5
(VBPDST的)图像 image(of VBPDST)
在 VBPDST不同平面上的场景的快照表示形式为二维像素矩阵 。
3.1.6
使用立体视觉技术的基于视觉的保护装置 vision based protective device using stereo vision tech- niques;VBPDST
使用立体视觉技术且具有两个或更多的成像装置的 VBPD。
3.1.7
成像传感器 imaging sensor
产生代表图像特征的电信号的光电装置 。
3.1.8
成像装置 imaging device
作为敏感装置的一部分 , 成像传感器 、光学和处理单元的组合(如适用) 。
3.1.9
工作距离 operating distance
沿敏感装置坐标系统的 ≈ 轴测量的距离 。
2
GB/T 41997 . 3—2022
3 . 1 . 10
(传感器的)像素 pixel(of sensor)
成像传感器的最小光敏元素 。
3 . 1 . 1 1
(图像的)像素 pixel(of image)
可以与相邻元素区分的最小元素的面积 。
3 . 1 . 12
环境照明技术 ambient illumination technique;AIT
依靠场景照明用于照明和对比以获得距离测量的技术 。
3 . 1 . 13
模式投影技术 pattern projection technique;PAPT
使用特殊投影来增强场景对比度的技术 。
3 . 1 . 14
敏感装置坐标系 sensing device coordinate system
面向敏感装置的坐标系 。
注 : 通常该坐标系 z 轴平行于成像装置的光轴 。
3 . 1 . 15
公差带 tolerance zone
容差区
在检测区之外的邻近区域 , 检测到指定试件的检测概率低于检测区内的所要求的概率 。
注 : 公差带对于达到检测区内指定试件的所要求的检测概率是必要的 。
3 . 1 . 16
用户坐标系 user coordinate system
可以由用户配置的坐标系统 。
3 . 1 . 17
检测能力受限区 zone with limited detection capability
在检测区和敏感装置的前部之间的空间 , 未达到规定的检测能力 。
注 : 检测能力受限区或称有限检测区 。
[来源: GB/T 41997 . 1—2022 , 3 . 1 . 19 , 有修改]
3 . 1 . 18
立体基座 stereo base
两个成像装置的入射光瞳之间的距离 。
注 : 基线通常用作立体基座的同义词 。
3 . 1 . 19
位置精度 position accuracy
由 VBPDST测量的物体位置的三维精度 。
3 . 2 缩略语
下列缩略语适用于本文件 。
AIT:环境照明技术(Ambient Illumination Technique)
BTP:黑色试件(Black Test Piece)
GB:灰色背景(Grey Background)
GTP:灰色试件(Grey Test Piece)
LC:低对比度(Low Contrast)
OD:工作距离(Operating Distance)
3
GB/T 41997 . 3—2022
P1:光源的位置 1(Position 1 of the Light source)
P2:光源的位置 2(Position 2 of the Light source)
PTZ:与概率有关的公差带/容差区(Tolerance Zone Related to Probability)
RRTP:逆反射试件(Retro-reflective Test Piece)
sTZ:与系统影响有关的容差区(Tolerance Zone Related to systematic Influences)
TTc:典型试验条件(正常工作试验的试验条件)[Typical Test condition (Test condition for Nor- mal operation Tests)]
TI:典型照明(用于正常工作试验的照明)[Typical Illumination (Illumination used for Normal operation Tests)]
vBPDsT:使用立体 视 觉 技 术 的 基 于 视 觉 的 保 护 装 置 (vision Based Protective Devices using stereo vision)
4 功能 、设计和环境要求
4 . 1 功能要求
4 . 1 . 1 正常工作
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 1 . 1 的规定 。
4 . 1 . 2 敏感功能
4 . 1 . 2 . 1 总体要求
检测区应从检测能力受限区边界开始 , 于最大工作距离结束(见图 1 和图 2) 。
标引序号说明:
① — 最大工作距离 ; ④ — 敏感装置 ; ⑦ — 检测区 ;
② — 用户坐标系 ; ⑤ — 检测能力受限区 ; ⑧ — 公差带 ;
③ — 敏感装置坐标系 ; ⑥ — 立体基座 ; ⑨ — 立体视场 。注 : 图 1 显示了平行轴和垂直于轴的平面上的最大工作距离的系统 。
图 1 VBPDST的 3D视图
4
GB/T 41997 . 3—2022
检测能力受限区内的物体不应降低检测区的检测能力 。任何检测能力的降低应被检测到, VBP- DST应进入锁定状态(见 4 . 2 . 2 . 2) 。
标引序号说明 :
① — 最大工作距离 ; ④ — 敏感装置 ; ⑦ — 检测区 ;
② — 用户坐标系 ; ⑤ — 检测能力受限区 ; ⑧ — 公差带 ;
③ — 敏感装置坐标系 ; ⑥ — 立体基座 ; ⑨ — 立体视场 。
注 : 图 2 显示了平行轴和垂直于轴的平面上的最大工作距离的系统 。
图 2 VBPDST的 2D视图
敏感功能应在规定的检测区内有效 。不使用安全措施(如钥匙 、关键字或工具),应不能调整检测区或检测能力 。
当试件(静止或移动)处于(VBPDST的)检测区内的任何位置时, VBPDST应给出适当的输出信号予以响应 。
供方应规定检测能力限值 。考虑到本文件列出的所有影响因素,供方应考虑最差工况,例如 :
— 信噪比 ;
— 传感器平面图像中的光强度 ;
— 传感器平面图像的对比度 ;
— (VBPDST 的)图像在传感器平面中的位置 。
4 . 1 . 2 . 2 光学性能
VBPDST 的设计和构造应 :
a) 在 400 nm~1 500 nm 范围内,限制暴露于外部辐射时发生故障的可能性 ;
b) 限制环境影响(温度 、振动和冲击 、粉尘 、潮湿 、环境光线 、外部反射 、光照变化 、背景阴影 、背景反射率)的影响 ;
c) 限制正常工作中可能的偏差 。
5
GB/T 41997 . 3—2022
4 . 1 . 3 ESPE的类型
本文件只考虑 3 型 ESPE。机械的供方和/或用户有责任规定此类型是否适用于特定应用 。
3 型 ESPE应满足 4 . 2 . 2 . 2 的故障检测要求 。在正常工作中 , 当敏感装置致动或当电源从装置中移除时 , 3 型 ESPE 的输出信号切换装置(OSSD, 至少两个)中的每一个输出电路应进入断开状态 。
4 . 1 . 4 类型和要求的安全性能
ESPE应符合 GB 28526—2012 和/或 GB/T 16855 . 1—2018 的安全性能等级 。
4 . 1 . 5 要求的 PLr 或 SIL 以及相应的 ESPE类型
除了 ESPE控制系统的电子部件的安全等级不同以外 , ESPE可能提供的风险降低还受到系统能力(例如 , 环境影响 、EMC、光学性能和检测原理)的限制 。
4 . 1 . 6 检测能力受限区
光学窗口和检测区起始端之间的区域称为检测能力受限区 。 由于在光学窗口和检测区之间存在检测能力受限区 , 为了确保在特定应用中不会产生危险 , 其尺寸和适当的使用信息应由供方提供 。
4 . 2 设计要求
4 . 2 . 1 电源
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4 . 2 . 1 的规定 。
4 . 2 . 2 故障检测要求
4 . 2 . 2 . 1 总体要求
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4 . 2 . 2 . 1 的规定 。
4 . 2 . 2 . 2 3 型 ESPE的特殊要求
敏感装置中 , 导致 VBPDST规定的检测能力完全丧失的单一故障 , 应使 ESPE在规定的响应时间内进入锁定状态 。
导致 VBPDST规定的检测能力降低的单一故障应使 ESPE在该故障出现后的 5 s 时间段内进入锁定状态 。
注 : VBPDST检测能力降低的例子包括 :
— 增加最小可检测物体尺寸 ;
— 增加最小可检测对比度 ;
— 降低位置精度 。
导致响应时间的增加超过规定值或阻止 OSSD(至少一个)进入断开状态的单一故障 , 应使 ESPE立即(即在响应时间内)进入锁定状态 , 或立即在下列故障检测需要改变状态的任意一项:
— 制动敏感功能 ;
— 接通/断开 ;
— 复位起动联锁或重起联锁 , 如果提供(见 IEC 61496-1 :2020 的 A. 5 和 A. 6) 。
当引发锁定状态的故障仍然存在时 , ESPE应不能通过例如中断和恢复主电源或任何其他方式实现从锁定状态复位 。
在未检测到不引起 ESPE危险失效的单一故障的情况下(按附录 B 的相关规定) , 一个额外的故障
6
GB/T 41997 . 3—2022
不应引起危险失效 。
这项要求的验证见 5 . 3 . 1 。
4 . 2 . 3 ESPE的电气设备
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 3 的规定 。
4 . 2 . 4 输出信号开关电器(OSSD)
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 4 的规定 。
4 . 2 . 5 指示灯和显示器
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 5 的规定 。
4 . 2 . 6 调整方法
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 6 的规定 。
4 . 2 . 7 子系统的脱开
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 7 的规定 。
4 . 2 . 8 非电元件
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 8 的规定 。
4 . 2 . 9 共因失效
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 9 的规定 。
4 . 2 . 10 集成电路的软件 、编程及功能设计
按照 GB/T 41997 . 1—2022 的 4. 2 . 11 的规定 。
4 . 2 . 1 1 VBPDST检测能力的完整性
4 . 2 . 1 1 . 1 总体要求
VBPDST 的设计应确保检测能力不低于供方和本文件规定的任何限值 , 但不限于下列项 目 :
a) (VBPDST 的)评估图像上物体与参考模式之间的最小对比度 ;
b) 检测区内物体的位置 ;
c) 检测区内物体的数量 ;
d) 检测区内物体的尺寸 ;
e) 自动调整光学和电气特性 ;
f) 光学和电子元件的性质/限制 ;
g) (VBPDST 的)图像中物体位置的准确性 ;
h) 对准和/或调整的限制 ;
i) 组件老化 ;
j) 光学部件的性能和限制 ;
k) 组件容差 ;
l) 改变内部和外部参考点以确保检测能力 ;
7
GB/T 41997 . 3—2022
m) 4 . 3 规定的环境条件 。
在正常工作条件下(见 5 . 1 . 3 . 1) , 单一故障不会导致 VBPDST检测能力的损失 , 但是当出现上述条件的组合将导致这种损失 , 故障连同条件组合(在设计分析期间确定为相关的)应视为单一故障 , VBP- DST应按 4 . 2 . 2 . 2 要求对该单一故障予以响应 。
4 . 2 . 1 1 . 2 低对比度的目标检测
在低对比度下 , 当 VBPDST处于正常工作时 , 应检测试件 。
4 . 2 . 1 1 . 3 高对比度的目标检测
在高对比度下 , 当 VBPDST处于正常工作时 , 应检测试件 。
注 : 高对比度是由背景和试件之间的漫反射值和/或光线变化差异较大造成的 。对比度可能高于成像传感器的动态范围 。
4 . 2 . 1 1 . 4 最小检测区
供方应规定最小检测区 。供方应考虑最差工况 , 例如包括:
— 响应时间 ;
— 试件的最小直径 ;
— 试件的最大速度 。
4 . 2 . 1 1 . 5 响应时间
在规定的响应时间内 , ESPE应检测到检测区内静止或以最高 1 . 6 m/S速度移动的最小可检测尺寸的物体 。供方应考虑最坏情况(例如帧速频率 、评估时间 、试件的最小直径 , 试件的最大速度和检测区内的物体数量以及环境影响)来确定响应时间 。如果供方声明 VBPDST可用于检测速度大于 1 . 6 m/S的物体 , 在任何达到和包括所述最大速度下都应满足要求 。
4 . 2 . 1 1 . 6 检测区和公差带
供方规定的 VBPDST可检测物体的最小尺寸的值应在 200 mm 范围内 。最小可检测物体尺寸可能取决于距离 。
试件(见 4 . 2 . 12)在整个(VBPDST 的)检测区被检测到的最小的检测概率为 (1 × 10 — 7 ~ 2 . 9 × 10 —7 ) 。为了达到这个最小检测概率 , 除了检测区之外 , 还应考虑公差带 。 公差带取决于由系统影响(STZ)和随机影响(PTZ)组成的位置精度 。在公差范围内 , 不需要保持最小的检测概率 。 即使试件的测量距离值落入公差带 , 试件也将确定为被检测到 , 且 OSSD 应进入断开状态或保持在断开状态 。 如果位置误差的部分不会导致危险失效 , 则不需要将其包含在公差带中 。
注 1 : 假设误差是正态分布的 , PTZ将是误差分布标准偏差(5 西格玛)的 5 倍 。
供方应规定公差带并按照 4 . 2 . 11 . 7 中列出的影响 , 考虑最坏工况的关注因素 。
在设置期间 , 当使用参考标记或环境部分(如墙壁或地板)时 , 公差带的规定应考虑确定正确距离和这些参考位置的误差 。
注 2 : 公差带的尺寸受到进入方法(例如行走 、爬行 、沿墙壁滑动)的影响 。如果使用这些信息来计算公差带 , 考虑适当的分析或试验 。
4 . 2 . 1 1 . 7 定位精度
确定位置精度时 , 应考虑下列系统和随机影响 。
a) 敏感装置的校准 。
8
GB/T 41997 . 3—2022
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