Una barrera fotoeléctrica no para una máquina. Inicia una parada, y la máquina sigue moviéndose mientras esa parada transcurre. La distancia entre los haces y el peligro es toda la protección, y sale de un cálculo que cuesta diez minutos y se salta más a menudo que ningún otro paso en la construcción de una máquina.

En una celda que nos pidieron revisar el año pasado, la barrera fotoeléctrica situada delante de una prensa servo estaba montada a 300 mm de la herramienta. Era una barrera de tipo 4, correctamente cableada a un relé de seguridad de doble canal, ensayada en la entrega, y todos los documentos del expediente decían que la celda era segura. La barrera funcionaba exactamente como estaba especificada: detectaba una mano, abría ambos canales y ordenaba una parada en 20 ms. La prensa tardaba después otros 190 ms en detenerse. En esos 190 ms una mano a velocidad ordinaria recorre cerca de 400 mm, y la herramienta estaba a 300 mm. En aquella celda todo era correcto salvo el único número que nadie había calculado.

Este es el hallazgo grave más frecuente que hacemos en máquinas que llegan para retrofit o para una segunda fuente, y conviene escribirlo con claridad. Un dispositivo de protección no para una máquina. Inicia una parada, y la máquina sigue moviéndose mientras esa parada transcurre. La distancia de seguridad es lo que compra ese tiempo. Si la distancia está mal, el resto del sistema de seguridad es decoración.

La fórmula y lo que significa de verdad cada término

La ISO 13855 da el cálculo de la distancia mínima S en milímetros: S = K x T + C. Parece trivial, y el peligro está en el detalle de los tres términos.

K es la velocidad de aproximación supuesta de la parte del cuerpo, en milímetros por segundo. Para una mano o un brazo que se aproximan perpendicularmente a un plano de detección vertical, la norma usa 2000 mm/s. Si el resultado del cálculo supera los 500 mm, el cálculo puede repetirse con 1600 mm/s, pero entonces la respuesta nunca puede ser inferior a 500 mm. No es una conjetura sobre lo rápido que se mueve un operario prudente. Es una cifra conservadora que cubre a una persona que alarga la mano deprisa hacia una pieza atascada, que es justamente cuando las manos van donde no deben.

T es el tiempo total entre el instante en que se corta el haz y el instante en que el movimiento peligroso se ha detenido. Es la suma de al menos dos partes: el tiempo de respuesta del dispositivo de protección y su lógica, que indican las hojas de datos, y el comportamiento de parada de la propia máquina, que no indican. La parte de la máquina incluye la reacción del relé o del controlador de seguridad, el tiempo de caída del contactor o la reacción del variador, la respuesta de una válvula y la deceleración física de la masa en movimiento. En una prensa electromecánica o un cilindro hidráulico, el último término domina y no está en ningún catálogo.

C es la distancia de intrusión: cuánto puede penetrar una parte del cuerpo a través del plano de detección antes de ser detectada. Para una barrera con una capacidad de detección d de 40 mm o menos, C = 8 x (d − 14) mm, y nunca es negativa. Una barrera de protección de dedos con d = 14 mm no añade por tanto nada. Una barrera con d = 30 mm añade 128 mm. Una con d = 40 mm añade 208 mm. Solo este término es la razón por la que una barrera gruesa ahorra menos de lo que parece: lo que no se gasta en el dispositivo se paga en superficie de planta, y a menudo en tiempo de ciclo cuando el operario tiene que andar más.

Un ejemplo resuelto

Tomemos la prensa del primer párrafo y hagamos la aritmética como es debido. La barrera tiene una capacidad de detección de 30 mm, así que C = 8 x (30 − 14) = 128 mm. El tiempo de respuesta de la barrera y su relé es de 20 ms. El tiempo de parada medido de la prensa, en su peor caso de carga y velocidad máximas, es de 180 ms. T es por tanto 0,2 s.

A 2000 mm/s, S = 2000 x 0,2 + 128 = 528 mm. Eso supera los 500 mm, así que el cálculo puede repetirse a 1600 mm/s: S = 1600 x 0,2 + 128 = 448 mm, que queda por debajo del suelo de 500 mm, de modo que la respuesta es 500 mm. La barrera a 300 mm no estaba justa. Le faltaban 200 mm, y esa diferencia no se podía cerrar con mejor cableado, un PLC más rápido o más formación. O la barrera retrocede, o la máquina para más deprisa, o la herramienta se protege de otra manera.

Esa tercera opción importa, porque el cálculo también muestra adónde debería ir el dinero. Montar un variador con función de parada segura que frene el eje servo en 60 ms, en vez de dejar caer un contactor y que la masa se detenga por inercia, baja T a 0,08 s y S a 288 mm. Un tiempo de parada más corto devuelve superficie y alcance, lo que en un puesto de carga manual vale dinero real en cada ciclo. El cálculo de seguridad y el cálculo de productividad son el mismo cálculo.

Las aproximaciones horizontales y oblicuas son otra cuenta

Una barrera tendida horizontalmente sobre una zona de acceso, o un escáner de área que cubre el suelo delante de un robot, no se rige por las mismas constantes. Aquí la velocidad de aproximación se toma como 1600 mm/s y la distancia de intrusión depende de la altura H del plano de detección sobre el suelo: C = 1200 − 0,4 x H, y nunca puede bajar de 850 mm. Un campo de escáner a 300 mm del suelo lleva por tanto un margen de intrusión de 1080 mm antes siquiera de considerar el tiempo de parada. Los planos de detección deben además quedar dentro de los límites de altura que permite la norma, porque un plano montado demasiado alto se puede sortear por debajo y uno demasiado bajo se puede sortear por encima.

Las instalaciones oblicuas, habituales cuando una barrera debe cubrir tanto la abertura como la aproximación a lo largo de un transportador, se tratan como el más exigente de los dos casos. Si la geometría no es claramente vertical ni claramente horizontal, calculamos las dos y tomamos la distancia mayor. Sale más barato que discutirlo durante una recepción en fábrica.

El número que hay que medir

Todo lo anterior depende del tiempo de parada de la máquina, y el tiempo de parada es la única entrada que se degrada. Los forros de freno se desgastan, las válvulas hidráulicas se vuelven lentas con los años, un embrague de prensa mecánica cambia con la temperatura, y una máquina que paraba en 180 ms cuando era nueva puede tardar 260 ms tras dos años a tres turnos. Por eso el comportamiento de parada se mide con un medidor de tiempo de parada en lugar de estimarse, se mide en el peor caso en lugar de en un ajuste cómodo, y se vuelve a medir con un intervalo definido. Escribimos ese intervalo en el plan de mantenimiento, junto con el valor medido y la distancia que justifica, para que el siguiente ingeniero vea de un vistazo si la máquina se ha metido en su propio margen de seguridad.

Merece la pena nombrar dos trampas relacionadas. La primera es el retrofit que añade masa: una herramienta mayor, una pinza más pesada, una carrera más larga. La masa entra en el cálculo mecánico y nadie vuelve al cálculo de seguridad, aunque el tiempo de parada haya cambiado. La segunda es el repuesto montado con prisa, cuando entra un contactor o una válvula con otro tiempo de respuesta porque estaba en el almacén. Las dos se encuentran volviendo a medir, y de ninguna otra forma.

Lo que una barrera no puede hacer

Un cálculo de distancia responde a una pregunta: a qué distancia debe estar el plano de detección. No dice nada sobre si una barrera fotoeléctrica es el dispositivo adecuado. Si una persona puede atravesar el plano y quedarse entre la barrera y el peligro, la máquina rearrancará tan tranquila con alguien dentro. Eso es un acceso de cuerpo entero y exige detección de presencia dentro de la celda, una abertura restringida físicamente, o un vallado con puerta enclavada y una disciplina de llave atrapada o de rearme que haga imposible estar dentro cuando la celda se habilita. Una barrera tampoco hace nada contra piezas proyectadas por una herramienta, contra superficies calientes o cortantes, ni contra las distancias de alcance por encima y alrededor que cubre la ISO 13857. Las superficies reflectantes merecen también una mención: una protección pulida o un utillaje brillante cerca del eje óptico puede reflejar un haz rodeando un obstáculo, y por eso la distancia mínima a superficies reflectantes del manual del dispositivo forma parte del layout y no es una ocurrencia de última hora en el montaje.

El muting merece su propio párrafo, porque es donde más a menudo se tuercen las buenas instalaciones. El muting existe para que un palé pueda atravesar una barrera y una persona no. Solo funciona cuando los sensores de muting están dispuestos de modo que ninguna combinación de estados pueda producirla una persona andando, cuando el tiempo de muting está limitado y cuando la lámpara de muting es visible. Un muting diseñado a base de probar durante la puesta en marcha suele acabar siendo una barrera desconectada durante la cuarta parte de cada ciclo.

Cómo lo tratamos en un proyecto

En nuestras propias máquinas la distancia de seguridad es una cota en el plano de implantación antes de pedir la estructura, no una nota descubierta en el montaje. La evaluación de riesgos nombra el nivel de prestaciones requerido para cada función, de ahí sale la selección del dispositivo, y el cálculo aparece en el expediente con sus entradas: capacidad de detección, tiempos de respuesta de las hojas de datos, tiempo de parada medido, distancia resultante y distancia realmente construida. En la recepción volvemos a medir el tiempo de parada sobre la máquina montada y comprobamos la distancia construida contra la cifra fresca delante del cliente, porque un número en un expediente vale muy poco si nadie volvió a medir después de terminar la máquina.

Nada de esto es complicado. Es una fórmula, tres entradas y una cinta métrica, y cuesta diez minutos. Es también la diferencia entre una protección que protege a una persona y una que solo lo parece, y es lo primero que comprobamos cuando nos llega una máquina de otro sitio.

— Equipo de ingeniería de GANI Engineering