机器人I/O和安全接口PCB，适用于急停、隔离I/O、PL和SIL。

机器人I/O和安全接口PCB将机器人连接到紧急停止按钮、光幕、安全扫描仪、使能开关、联锁装置、工业传感器、执行器和外部控制系统。这些电路板通常实现硬件路径，以便在软件、现场接线或连接的设备发生故障时，将机器人置于安全状态。

本指南从行业角度讲解安全I/O板：双通道架构、PL和SIL目标、隔离式工业输入、输出驱动器、模拟I/O、诊断测试脉冲、故障检测、文档编写和生产测试。常见问题解答部分已根据工程师和采购人员在构建与安全相关的机器人电子设备之前通常会提出的问题进行了重新整理。

机器人安全 I/O PCB 的实际作用

在机器人系统中的作用

机器人 I/O 和安全接口 PCB 板负责机器人与其环境之间的连接，包括外部紧急停止按钮、安全帘、光栅、工业 I/O 以及数字输入输出。这些板卡的独特之处在于它们承载着机器人安全架构——即使上层软件出现故障，也能确保机器人安全运行的硬件路径。安全 I/O 板的具体特性如下：

• 双通道冗余： 安全相关信号通过两个独立的通道传输。差异检测功能确保两个通道的信号一致。
• 交叉监控： 每个通道都相互监控。任何一个通道出现故障都能被迅速检测到。
• 诊断测试脉冲： 定期测试脉冲用于验证安全链是否正常工作。脉冲缺失则表示存在故障。
• 输入输出隔离： 现场接线与控制电子设备之间采用电气隔离。保护控制侧免受现场侧瞬态干扰的影响。
• 认证组件： 具有明确故障模式和诊断范围的安全等级组件。符合 ISO 13849 或 IEC 62061 标准。
• 故障安全默认值： 信号丢失、断电或故障都会使设备进入安全状态。切勿使设备处于危险状态。

控制设计风险

对于安全 I/O PCB，可制造性评估应在连接器位置、外壳适配、夹具操作、散热路径和线束布线最终确定之前进行。后期对这些细节的更改通常会导致机械返工、测试夹具重新设计或可靠性降低，而这些问题原本可以通过早期的可制造性设计 (DFM) 评估来避免。

元器件选择应考虑其生命周期状态、已批准的替代元件、封装可用性、温度等级以及相关的安全或隔离等级。安全 I/O PCB 的生产或使用周期通常比消费电子产品更长，因此，未解决的采购风险不仅会成为采购问题，还会影响现场支持。

在系统层面，电路板的设计应基于功能、环境、使用寿命和测试覆盖率，而不仅仅是原理图。这可以避免常见的错误，即设计出技术上正确但难以装配、难以维护或安装到机器人后不够坚固的PCB。

安全架构必须与主机器人控制器电子设备以及（在受监管的系统中）医疗机器人PCB封装一起进行审查。

安全架构：ISO 13849、IEC 62061、PL、SIL

安全架构的架构选择

机器人I/O板上的安全架构通常实现一种标准安全模式。主要模式包括：

• 第 3 类（ISO 13849）： 容许单点故障。大多数工业机器人安全功能的标准配置。
• 第 4 组别： 在下次需求出现之前检测到故障。更高的要求；更复杂的架构。
• SIL 2（IEC 62061）： 同等工艺安全要求。适用于大多数工业应用。
• SIL 3： 更高的工艺安全要求。在机器人领域较少见。
• 性能等级 d（ISO 13849）： 同等的总体安全要求。协作机器人标准。
• 性能等级 e： 最高安全标准。最严苛应用的标准配置。

安全架构的验证要求

可靠性取决于电路板设计中预留的裕量：铜箔宽度、隔离间距、散热、连接器固定、元件降额以及检测覆盖范围。制造部门应验证这些特性，而不是将PCB视为通用组件，采用通用的合格/不合格测试。

应通过带标签的连接器、易于访问的测试点、清晰的电路板型号以及序列号跟踪来考虑可维护性。当机器人现场发生故障时，良好的电路板级诊断功能可以让维修团队快速定位问题，而无需更换大型组件或退回整个机器人。

实际操作中，应选择满足信号、安全、散热和机械性能要求的最简单的结构。规格过高会增加成本，而规格过低则会导致测试或现场部署期间需要返工。

工业信号的数字输入处理

工业信号数字输入处理的关键设计选择

工业I/O板上的数字输入处理旨在满足工业输入环境的需求。主要考虑因素包括：

• 电压耐受性： 工业数字信号通常为 24V 直流。电路板可承受宽电压范围和反极性。
• 限流： 输入电流受限，以防止线路故障造成的损坏。标准光耦隔离器输入电流典型值为 10 mA。
• 过滤： 输入滤波可滤除噪声和短暂的毛刺。滤波器时间常数根据具体的输入信号而定。
• 隔离： 现场布线与控制电子设备之间采用光隔离。这是工业安全相关输入的标准。
• 测试能力： 通过测试路径验证输入状态。安全相关输入的标准。
• 断线检测： 某些输入会将断线检测为故障。这可以实现对电缆故障的诊断覆盖。

制造和可靠性方面的考虑

测试覆盖率要求会随着可靠性要求而变化。消费类应用所需的测试覆盖率低于工业应用；工业应用所需的测试覆盖率低于医疗应用；医疗应用所需的测试覆盖率低于安全关键型应用。使测试覆盖率与实际需求相匹配，既能控制成本预算，又能提供应用所需的可靠性保障。

制造文档在设计阶段往往投入不足，事后补建成本高昂。生产过程中收集的单元测试记录有助于多年后的现场调查；组件批次追溯性则有助于对现场退货进行事后分析。尽早规划文档的项目能够拥有所需的记录；而后期添加文档的项目往往会丢失原本需要的数据。

数字输出驱动外部设备

数字输出驱动外部设备的关键设计选择

数字输出处理驱动外部设备，例如继电器、接触器、指示器和安全执行器。主要考虑因素包括：

• 当前能力： 输出电流根据所连接负载的大小而定。典型输出电流为每路 100 mA 至 2 A；可通过外部接触器获得更高电流。
• 电压钳位： 感性负载上的续流二极管。继电器和电磁阀驱动的标准配置。
• 隔离： 控制电子元件与现场布线之间采用光学或磁隔离。安全相关输出标配此隔离。
• 诊断覆盖范围： 将输出状态读回与命令进行比较。检测卡死输出的故障。
• 测试脉冲： 对安全输出端进行常规测试脉冲，以验证输出路径是否正常工作。负载必须能够承受这些测试脉冲。
• 短路保护： 输出端具有防止线路短路的保护功能。故障清除后自动恢复。

制造和可靠性方面的考虑

生产过程中的供应链可视性会影响成本和可靠性。具备主动采购能力的制造商能够应对原本会导致生产中断的配额周期；而缺乏主动采购能力的制造商则会将供应问题转嫁给客户。主动采购的价值在行业整体短缺时最高，在供应稳定时最低。

设计迭代周期受益于紧密的设计-制造反馈。能够及时提供DFM反馈的制造合作伙伴可以加快迭代速度；而反馈缓慢或流于表面的合作伙伴则会相应减慢迭代速度。那些部分基于反馈质量选择制造合作伙伴的项目，通常比那些仅以最低报价为选择标准的项目更快地完成原型制作阶段。

用于过程控制和测量的模拟 I/O

用于过程控制和测量的模拟 I/O 的关键设计选择

模拟输入/输出通过测量和模拟控制扩展了数字输入/输出的功能。它常用于过程控制和特殊应用。主要考虑因素包括：

• 4-20 mA 电流环路： 标准工业模拟量程。环路电流与信号成正比。适用于长距离电缆传输，具有良好的抗噪性能。
• 0-10V电压： 标准工业模拟电压。电缆长度比电流回路短。
• 热电偶： 专用的温度模拟接口。冷端补偿和线性化。
• 热电阻： 铂电阻温度检测。精密温度测量。
• 模拟输出： 电流或电压输出，用于驱动外部设备。标准控制接口。
• 隔离： 模拟接口采用电气隔离。工业应用标准。

制造和可靠性方面的考虑

产量区间经济效益对不同生产规模下工艺选择的影响各不相同。年产量100,000万件时有效的工艺，在年产量500件时往往无效；原型制作阶段适用的工艺，在大批量生产时往往不适用。根据实际产量匹配制造方法，才能确保每个产量区间的经济效益。

监管认证义务因应用和市场而异。客户提交的生产证明材料要求可能从极少（例如非监管市场的消费品）到非常详尽（例如保存期限严格的医疗器械）不等。在报价时明确认证要求的项目能够确保生产流程的正确设置；而后期添加认证要求的项目则有时需要对流程进行调整。

只有当诊断覆盖范围有书面的功能测试程序支持，并通过可靠的机器人接口板进行通信时，诊断覆盖范围才有意义。

诊断覆盖范围和故障检测

安全功能要求

安全 I/O 板的诊断和测试功能使其区别于普通 I/O。主要诊断功能包括：

• 交叉监控： 每个安全通道都会监控其他通道。如果出现差异，则表明存在故障。
• 测试脉冲： 通过安全链进行常规测试脉冲。脉冲缺失表明存在故障。
• 反馈验证： 将指令输出与测量输出进行比较。差异表明存在故障。
• 启动时进行自检： 运行前已验证安全链完整性。启动故障可防止不安全操作。
• 定期验证测试： 某些安全功能需要定期进行全面测试，以发现自动诊断系统无法检测到的故障。
• 故障反应： 故障检测后的行为已定义。立即进入安全状态；向主管发出警报；记录故障日志。

证据、诊断和可追溯性

由同一制造合作伙伴集中生产，可以保留跨代产品积累的机构知识。拥有多代类似产品制造经验的合作伙伴深谙具体问题，了解哪些工艺调整可以提高良率，以及哪些设计模式易于制造。这些知识无法轻易转移给新的合作伙伴。

持续的工程制造对话能够随着时间的推移，改善产品本身和供应商关系。反馈给工程部门的良率数据有助于改进设计；反馈给现场的数据则有助于改进设计和制造工艺。积极开展这种对话的项目，其产品在各个世代中都能不断进步。

有关相邻设计决策，请参阅机器人通信 PCB 隔离和 EMC 指南以及工业机器人 PCB 安全架构指南。

Highleap 制造安全 I/O PCB

生产前DFM审查

Highleap 生产的 I/O 板符合安全等级产品所需的工艺规范。具体功能包括：

• 经认证的组件采购： 从授权经销商处购买具有批次可追溯性的安全等级组件。
• 安全组装： 重点关注实现安全功能的组件。进行位置验证和检查。
• 功能测试： 生产测试期间的安全链验证。故障注入测试证实了安全性能。
• 单位安全验证： 每台设备的安全功能均已验证；测试数据已采集，以便追溯。
• 文档： 支持客户认证申请的生产记录。以安全为重点的首件检验。
• 隔离验证： 每台设备进行现场侧和控制侧之间的隔离测试。

测试、可追溯性和构建交接

机器人制造工艺融合了多种传统电子领域的实践经验。例如，消费电子领域注重成本控制和批量生产；工业电子领域强调可靠性工程和长使用寿命；汽车电子领域关注振动和环境适应性；医疗电子领域则强调文档记录和可追溯性。机器人技术正是受益于这些经验的融合。

将制造业视为战略性环节——例如投资于供应商关系、共享预测信息、协调产能——的项目，通常比将制造业视为交易性环节的项目表现更佳。交易性的做法虽然节省了谈判时间，但却错失了长期供应商合作关系带来的累积效益。

机器人 I/O 和安全接口 PCB 常见问题解答

什么是机器人I/O和安全接口PCB？

它是连接机器人与外部输入、输出和安全装置（例如紧急停止按钮、光幕、安全扫描仪、联锁装置和工业传感器）的电路板。它可能包括隔离式数字 I/O、冗余安全通道、诊断电路、输出驱动器以及与主控制器或安全控制器的通信。

标准 I/O 和安全 I/O 有什么区别？

标准 I/O 用于报告和控制正常的机器信号。安全 I/O 的设计目的是检测故障并使系统进入安全状态。安全 I/O 通常采用冗余、交叉监控、测试脉冲、认证组件、已知故障模式分析以及符合所需性能等级或 SIL 目标的文档。

PL和SIL与机器人安全PCB有何关系？

ISO 13849 标准下的性能等级 (PL) 和 IEC 62061 标准下的安全完整性等级 (SIL) 描述了安全功能所需的风险降低程度。PCB 本身并不能达到 PL 或 SIL 等级；完整的安全功能包括传感器、逻辑电路、输出、布线、诊断、软件和验证。电路板必须支持目标架构和验证要求。

为什么使用双通道紧急停止电路？

双通道紧急停止电路允许系统检测单个故障，例如断线、触点熔焊或通道间短路。系统会监测两个通道的信号一致性和时序。如果两个通道的信号不一致或诊断检查失败，安全控制器应发出安全停止指令，而不是仅依赖单个信号。

何时应该对机器人I/O进行电气隔离？

当现场布线离开机壳、连接到工业设备、使用不同的接地参考点或可能承载瞬态信号时，建议采用隔离措施。隔离可以保护控制电子元件免受电压尖峰和接地回路的影响。安全相关信号通常采用隔离和诊断监控相结合的方式，以便及时发现电气故障，避免故障被掩盖。

安全 I/O 中的诊断测试脉冲是什么？

诊断测试脉冲是用于确认输入或输出通道是否仍然连接且未发生短路或卡滞的短信号。安全控制器期望得到已知的响应。脉冲缺失、延迟或异常可能表明存在线路故障、元件故障或通道间短路，需要触发安全状态响应。

生产中应如何测试安全 I/O PCB？

生产测试应验证输入阈值、指定隔离度、输出驱动能力、短路响应、诊断脉冲、通道差异检测、通信、固件编程和安全状态行为。测试记录应与序列号对应，因为安全相关的电路板在审核或现场调查期间通常需要可追溯性。

机器人安全接口板需要哪些文档？

文档通常包括原理图、PCB 文件、包含已批准安全组件的物料清单 (BOM)、隔离等级、安全功能描述、诊断覆盖范围假设、测试计划、生产测试记录、固件版本、变更控制记录和可追溯性数据。认证机构和最终客户可能要求提供这些证据以构成完整的机器安全文件。

发送机器人安全接口PCB文件以进行DFM和测试审核