安全開關(互鎖裝置)
在許多情況下，當人員接近運行中的機械設備時，可能會發生重大事故。因此，有必要透過將人員與運行中的機械設備隔離來確保安全。另一方面，有時需要在人員必須進入機械設備內部進行作業的情況，例如維護、更換設置或清潔等工作。在這種情況下，必須在完全停止機械以確保安全的前提下，才能進入機械設備內部【圖1】。
這些措施被稱為透過「隔離」和「停止」來實現的安全防護，並且是確保機械設備安全的基本理念。
何謂安全開關 | 台灣
另一方面，有時需要在人員必須進入機械設備內部進行作業的情況，例如維護、更換設置或清潔等工作。在這種情況下，必須在完全停止機械以確保安全的前提下，才能進入機械設備內部【圖1】。
這些措施被稱為透過「隔離」和「停止」來實現的安全防護，並且是確保機械設備安全的基本理念。
安全開關（也稱為門互鎖裝置或防護互鎖裝置）通常安裝在如工作機械的前門或工業用機器人周圍安全柵的門部等位置，用於檢測門的開啟與關閉狀態【圖2】。
也就是說，只有當門處於關閉狀態時，才允許機械運行；而當門處於開啟狀態時，則維持機械停止的控制系統，是安全相關部分的一部分。
也就是說，只有當門處於關閉狀態時，才允許機械運行；而當門處於開啟狀態時，則維持機械停止的控制系統，是安全相關部分的一部分。
安全開關的動作
安全開關分為兩種類型：1.非鎖定型：無論機器的狀態如何，均可隨時打開門。2. 鎖定型：僅在滿足特定條件時才能打開門。以下將介紹基本的非鎖定型安全開關。安全開關如【圖2】所示，採用本體與專用促動器分離的結構設計。本體安裝於機械上，專用促動器則安裝於門上。當門開關時（即促動器是否插入安全開關本體），會同步切換本體內部接點的開／關狀態，並將該信號作為門開關的資訊傳輸出去。
【圖3】左側的圖示顯示了門關閉時安全開關的狀態，右側的圖示則顯示了門打開時安全開關的狀態。
如左側圖所示，當門關閉時，安裝在門上的促動器會使內部的凸輪旋轉，NC接點在彈簧的作用下處於ON狀態，電流流通於回路中。此時，控制系統判斷門處於關閉狀態，並將機械設為可運行的狀態。
另一方面，如右側圖所示，當門打開時，促動器使內部的凸輪旋轉，NC接點被凸輪壓下，並處於OFF狀態，回路的電流被切斷。此時，控制系統判斷門已打開，並將機械設為停止狀態。由於機械維持停止狀態，即使操作啟動開關，機械也不會啟動。
為了防止這類安全開關被無效化，如【圖4】所示，採用了特殊的結構設計，使得除了專用的促動器之外，使用螺絲、針、金屬片、鑰匙、硬幣、螺絲刀等日常工具無法使安全開關無效化。
如左側圖所示，當門關閉時，安裝在門上的促動器會使內部的凸輪旋轉，NC接點在彈簧的作用下處於ON狀態，電流流通於回路中。此時，控制系統判斷門處於關閉狀態，並將機械設為可運行的狀態。
另一方面，如右側圖所示，當門打開時，促動器使內部的凸輪旋轉，NC接點被凸輪壓下，並處於OFF狀態，回路的電流被切斷。此時，控制系統判斷門已打開，並將機械設為停止狀態。由於機械維持停止狀態，即使操作啟動開關，機械也不會啟動。
安全開關的結構特色
以下說明安全開關的結構特色。＜防止無效化＞
出於安全考量，為了確保只有在門關閉的狀態下機器才能運行，安全開關會檢測門的開關狀態。然而，有時因為操作上的不便，例如每次進行工件的取放都需要開關門，或者希望在機器運行的同時進行調整作業等原因，可能會導致安全開關被無效化，從而使機器能在門打開的狀態下運行。這種情況極其危險，隨時可能引發重大事故。為了防止這類安全開關被無效化，如【圖4】所示，採用了特殊的結構設計，使得除了專用的促動器之外，使用螺絲、針、金屬片、鑰匙、硬幣、螺絲刀等日常工具無法使安全開關無效化。
此外，為了防止無效化，在將安全開關主體和專用促動器安裝到機器上時，還需要考慮其他事項。
根據 ISO 14119：機械安全－與防護裝置配合使用的互鎖裝置－設計及選擇原則，已明確規定了防止無效化的要求事項。相關的說明已在以下連結中提供，請一併確認。
根據 ISO 14119：機械安全－與防護裝置配合使用的互鎖裝置－設計及選擇原則，已明確規定了防止無效化的要求事項。相關的說明已在以下連結中提供，請一併確認。
＜直接開路動作功能＞
為了確保操作人員或維修人員在進入機器內部時的安全，當門被打開時，需要透過打開安全開關內部的 NC 接點來切斷回路，從而停止機器運行。
因此，安全開關內置的 NC 接點必須具備直接開路動作功能。
所謂的直接開路動作功能，是指促動器與 NC 接點之間僅由非彈性結構材料構成，門打開時所施加的力會直接傳遞為打開 NC 接點的力。正因如此，即使具備直接開路動作功能的 NC 接點發生了※熔著，當門被打開時仍然能夠將所有 NC 接點打開，從而實現機器的停止。
具有直接開路動作功能的 NC 接點會標有如【圖5】所示的箭頭標誌。
※熔著 因超出接點容量的電流通過導致接點相互融解，並造成接點難以分離的現象。
根據門鎖需求進行型號選擇
安全開關大致可分為非鎖定型和鎖定型兩種，鎖定型包括安全用途的鎖定型（彈簧鎖定型）和非安全用途的鎖定型（電磁鎖定型）兩種。關於這三種類型的安全開關，應在何種情況下選擇哪種類型，如【圖6】所示。
如【圖6】的①所示，當門被打開時，機器的危險可動部件能即時停止，且不需要門鎖的情況下，請選擇 非鎖定型安全開關，其設計已在前文中說明。
如【圖6】的②所示，當門被打開時，機器的危險可動部件能即時停止，從安全的角度來看門鎖並非必需，但因生產需求等原因需要鎖定門時，請選擇 電磁鎖定型安全開關。
如【圖6】的③所示，當門被打開後，機器的危險可動部件無法即時停止，並且由於慣性運轉等原因可能對人員造成危害的情況下，請選擇 彈簧鎖定型安全開關。
如【圖6】的②所示，當門被打開時，機器的危險可動部件能即時停止，從安全的角度來看門鎖並非必需，但因生產需求等原因需要鎖定門時，請選擇 電磁鎖定型安全開關。
如【圖6】的③所示，當門被打開後，機器的危險可動部件無法即時停止，並且由於慣性運轉等原因可能對人員造成危害的情況下，請選擇 彈簧鎖定型安全開關。
彈簧鎖型安全開關的用途
【圖7】展示了將彈簧鎖定型安全開關安裝於工作機械門上的範例。此類安全開關主要用於慣性較大且無法立即停止的機械上。在機器運行期間，門會被牢牢鎖定，只有當慣性運轉完全停止後，門才可被打開。這樣的設計能有效防止因機器慣性運轉對人員造成的傷害。
彈簧鎖定型安全開關主要應用於大型加工中心、車床等即使收到停止信號後仍繼續慣性運行一段時間的機器，以及即使在停止信號後仍繼續運行直至循環結束的工業機器人。此外，該安全開關也被廣泛應用於其他存在高機械危害風險的機械上。除了機械性危害外，還可用於隔離如熱危害等需要一定時間才能降低風險的危害源。
彈簧鎖定型安全開關主要應用於大型加工中心、車床等即使收到停止信號後仍繼續慣性運行一段時間的機器，以及即使在停止信號後仍繼續運行直至循環結束的工業機器人。此外，該安全開關也被廣泛應用於其他存在高機械危害風險的機械上。除了機械性危害外，還可用於隔離如熱危害等需要一定時間才能降低風險的危害源。
彈簧鎖定型安全開關的安全特性
【圖8】展示了彈簧鎖定型安全開關的鎖定／解鎖的基本操作方式。
如上【圖8】的左圖所示，當門被關閉且促動器插入後，壓縮彈簧的力量會使轉軸向左移動，進而卡入凸輪的凹部。在此狀態下，由於轉軸限制了凸輪的旋轉，無法拔出促動器，門處於鎖定狀態。
若要解除鎖定，如右圖所示，對電磁線圈通電後會產生磁力，當磁力超過壓縮彈簧的力量時，轉軸向右移動，鎖定解除，凸輪即可旋轉。
採用這種鎖定/解除鎖定方式的原因是出於安全考量，這是為了應對意外停電或斷線故障。如果因意外停電或斷線故障導致鎖定解除，可能會有人被捲入因慣性而無法立即停止的機械，從而發生事故。
當使用彈簧鎖定型的安全開關時，即使發生意外停電或斷線故障，因為無法向電磁線圈供電，所以鎖定無法解除，門無法打開。因此，機械在慣性運轉期間，人不會被捲入機械而導致事故。
因此，對於慣性運轉風險高的機械，為了在意外停電或斷線故障的情況下也能確保安全，必須使用彈簧鎖定型的安全開關。
若要解除鎖定，如右圖所示，對電磁線圈通電後會產生磁力，當磁力超過壓縮彈簧的力量時，轉軸向右移動，鎖定解除，凸輪即可旋轉。
採用這種鎖定/解除鎖定方式的原因是出於安全考量，這是為了應對意外停電或斷線故障。如果因意外停電或斷線故障導致鎖定解除，可能會有人被捲入因慣性而無法立即停止的機械，從而發生事故。
當使用彈簧鎖定型的安全開關時，即使發生意外停電或斷線故障，因為無法向電磁線圈供電，所以鎖定無法解除，門無法打開。因此，機械在慣性運轉期間，人不會被捲入機械而導致事故。
因此，對於慣性運轉風險高的機械，為了在意外停電或斷線故障的情況下也能確保安全，必須使用彈簧鎖定型的安全開關。
彈簧鎖定型安全開關的結構
彈簧鎖定類型安全開關的標準結構如【圖9】所示。
如【圖9】所示的左半部分，其結構與無鎖安全開關幾乎相同。當門開啟或關閉時，安裝在門上的促動器與凸輪聯動旋轉，透過控制門開/關檢測用的接點C的開啟/關閉，實現端子1和端子2之間的電路打開（open）/關閉（close）。
另一方面，【圖9】的右半部分是負責門的鎖定/解鎖部分。【圖9】顯示的是電磁線圈處於無激磁（未施加電壓）狀態，且在壓縮彈簧F的作用下，轉軸B與凸輪的凹部咬合，處於鎖定狀態。
要使機械運行，除了如【圖9】所示門已關閉之外，還需要確保門處於鎖定狀態。因此，透過將接點C和接點D串聯連接，只有當兩者均為開啟（on）時，機械才能運行。
另一方面，【圖9】的右半部分是負責門的鎖定/解鎖部分。【圖9】顯示的是電磁線圈處於無激磁（未施加電壓）狀態，且在壓縮彈簧F的作用下，轉軸B與凸輪的凹部咬合，處於鎖定狀態。
要使機械運行，除了如【圖9】所示門已關閉之外，還需要確保門處於鎖定狀態。因此，透過將接點C和接點D串聯連接，只有當兩者均為開啟（on）時，機械才能運行。
彈簧鎖定型安全開關與門的開閉
【圖10】顯示了彈簧鎖定型安全開關與門的開閉之間的關係。
＜狀態1＞
門關閉並且上鎖，機械處於運轉中的狀態。因為促動器插入本體當中，所以凸輪旋轉使C部NC接點閉合(cloce)。線圈尚未激磁，轉軸因為壓縮彈簧的力量與凸輪的凹部咬合，C部NC接點也呈現閉合(cloce)。這樣的結果，使從端子1到端子2的訊號電流導通，也代表門關閉並且上鎖的狀態。機械處於能夠運轉狀態，或是繼續運轉也沒有問題（安全）的狀態。
＜狀態2＞
機械已停止，處於解鎖狀態。在檢測到因慣性運轉等結束而導致機械停止後，線圈被激磁，D部的NC接點處於開啟（open）狀態。這樣的結果使端子1到端子2的電流被遮斷，機械無法運作。此外，由於線圈已激磁並解除鎖定，使門可以被開啟。
＜狀態3＞
門處於打開狀態。由於促動器被拔出，C部的NC接點被轉軸打開（open）。由於凸輪的旋轉，轉軸保持在與D部的NC接點開啟（open）位置相關的狀態，無論線圈是否激磁。當門處於打開狀態時，C部的NC接點和D部的NC接點都被設置為開啟（open）狀態，以較高可靠性維持機械的停止狀態。
之後，若要讓機械重新運轉，需將門關上並恢復至狀態1。
然而，僅僅關上門就讓機械開始運作，可能會導致意外事故的發生（部分例外情況除外）。因此，必須確保只有在操作人員確認周圍安全後，按下設置於安全位置的另一個啟動按鈕，才能重新啟動機械。
電磁鎖定型安全開關的用途
【圖11】顯示了一個將安全開關安裝在工作機械門上的範例。機械運行時，必須將門關閉，以將人員與危險源隔離開來。如果是門一打開機械就立即停止的情況，出於安全考量，門的鎖定功能並非必要。然而，儘管門一打開機械就停止已經足夠安全，但有時基於生產需求，仍需要將門鎖定，例如避免不必要地停下生產線，或防止加工中的工件受損而造成報廢。
電磁鎖定型安全開關的安全特性
【圖12】說明了電磁鎖定型安全開關的基本鎖定／解鎖動作。在鎖定門時，需先關上門並插入促動器，然後向線圈供電。利用電磁力，轉軸克服壓縮彈簧的力量，與凸輪的凹部咬合，從而實現鎖定。當停止供電時，壓縮彈簧的力量使轉軸向與凸輪相反的方向移動（在【圖12】中為向右），從而解除鎖定。
此外，當門處於關閉且鎖定狀態時，若發生突發性的停電或斷線故障，因電力被切斷，線圈的鎖定功能將被解除，門可以被打開。因此，如果錯誤地將電磁鎖定型安全開關用於具有危險慣性運轉的機械上，當停電或斷線故障時，操作人員可能會打開門以檢查機械內部的狀況，這可能導致操作人員在慣性運轉中的機械上發生事故，極為危險。因此，電磁鎖定型安全開關僅適用於無慣性運轉，並且在接收到停止訊號後可立即停止運轉的機械上使用。
電磁鎖型安全開關與門的開閉
【圖13】顯示了電磁鎖型安全開關與門開閉之間的關係。
＜狀態1＞
門關閉並且上鎖，機器處於可運轉的狀態。進一步觀察可以發現，因為促動器已插入本體，C部的NC接點處於閉合（close）狀態。此外，線圈已導通，轉軸在壓縮彈簧的反作用力下與凸輪的凹槽咬合並被鎖定，因此D部的NC接點也處於閉合（close）狀態。這樣的結果，使從端子1到端子2的訊號電流導通，這表示門已關閉並上鎖，機器處於可運轉狀態（安全狀態）。
＜狀態2＞
當線圈的通電解除後，壓縮彈簧使轉軸從凸輪的凹槽中脫離，凸輪處於可旋轉的狀態。此時，D部的NC接點處於打開（open）狀態。這樣的結果，使端子1到端子2的電流被遮斷，機器處於無法運轉的狀態。由於鎖已解除，門可以被打開。
＜狀態3＞
門處於打開的狀態。由於促動器已拔出，C部的NC接點處於打開（open）狀態。隨著凸輪的旋轉，無論線圈是否導通，D部的NC接點都會保持在打開（open）的狀態以固定轉軸。這樣一來，當門打開時，C部和D部的NC接點均處於打開（open）狀態，從而以較高可靠性維持機器的停止狀態。
之後，若要讓機器重新運轉，需先關上門，再導通至線圈以鎖住門，恢復至狀態1。
安裝安全開關時的注意事項
無論您使用的是非鎖定型安全開關、彈簧鎖定型安全開關或電磁鎖定型安全開關，在安裝至機器時都有需要考量的事項。
例如，應確保在門關閉的狀態下，促動器與安全開關本體之間有適當的間隙，並在門上安裝專用的制動器（如【圖14】所示）。這樣可以防止促動器或門本身撞擊到安全開關本體，導致安裝位置移位或損壞。
此外，還需要注意門快速關閉時的反彈現象（即門的彈跳）。因為門的反彈可能導致以下問題：
●對於非鎖定型安全開關，由於門的反彈對安全開關內部凸輪施加了不完全的力量，可能導致雙重化的NC接點中只有一側打開（open）。結果會被誤判為故障，機器無法啟動運轉。
●對於帶鎖定結構的安全開關，由於門的反彈對鎖定結構施加了力量，可能產生摩擦力，導致轉軸無法正常動作，即使嘗試解鎖，門也無法打開。
●對於帶鎖定結構的安全開關，反覆發生的門反彈可能對鎖定結構施加重複的力量，最終可能導致鎖定結構和／或NC接點的開／閉結構損壞。
機器可運轉條件
要使機器能運轉，必須同時滿足門已關閉且已鎖定的條件。例如，如【圖9】所示，可將門的開／關檢測接點與鎖定／解鎖檢測接點串聯，以滿足此條件。當然，從安全性角度來看，這種方法已經足夠，但需要兩個NC接點，一個用於門的開/關檢測，另一個用於鎖定/解鎖檢測。
另一方面，有些安全開關的結構本身能實現只有在門關閉且鎖定時才會導通的NC接點。此類產品僅需一個NC接點，因此可以相對減少安全開關的體積，同時因接點數量減少而降低成本。這類NC接點上會標示【圖15】所示的鎖定監視標誌，用於表示只有在門關閉且鎖定時才會導通。帶有鎖定監視標誌的NC接點可作為控制系統中，機器運轉的安全條件之一。
然而，若單獨將帶有鎖定監視標誌的NC接點作為安全條件，還需考慮另一個重要問題
若鎖定結構損壞會怎麼樣?例如，當施加超過製造商規範的鎖定狀態下促動器的抗拔強度值的靜態力，或者即使施加的力未超過規範值，但因門的反彈對鎖定機構施加反覆動態力量，都可能導致鎖定結構的損壞。
若鎖定結構損壞且門打開，機器是否會停止（安全側故障）還是繼續運轉（危險側故障）是安全上的關鍵問題。這是因為帶有鎖定監視標誌的安全開關通常用於可能對作業人員造成重大事故的機器。因此，即使鎖定結構損壞，也必須確保機器停止運轉，以防止作業人員遭遇重大事故。
因此，在選擇彈簧鎖定型安全開關時，建議選用帶有【圖15】所示鎖定監視標誌的產品，並確認鎖定構損壞時的故障狀態。
如果彈簧鎖定型安全開關的鎖定結構損壞，導致機器未停止運轉（危險側故障），或無法確定是危險側故障還是安全側故障，則需要額外在門上安裝非鎖定型安全開關或安全極限開關。 此外，若系統需要達到PL=e、類別4的安全等級，則同樣需要在門上額外安裝非鎖定型安全開關或安全極限開關，以符合標準規範。
因此，在選擇彈簧鎖定型安全開關時，建議選用帶有【圖15】所示鎖定監視標誌的產品，並確認鎖定構損壞時的故障狀態。
如果彈簧鎖定型安全開關的鎖定結構損壞，導致機器未停止運轉（危險側故障），或無法確定是危險側故障還是安全側故障，則需要額外在門上安裝非鎖定型安全開關或安全極限開關。 此外，若系統需要達到PL=e、類別4的安全等級，則同樣需要在門上額外安裝非鎖定型安全開關或安全極限開關，以符合標準規範。