大功率光纤激光器安全控制系统技术方案

激光器安全控制系统配置有耦接到AC源的电源模块。电源模块包括电流隔离的DC/DC变换器以及安全机构。安全机构配置有独立操作的第一和第二安全通道。各安全通道均包括关断电路和放电电路。关断电路可操作用于将电源模块的正常操作机制切换为安全机制。在正常操作机制下，电压模块的DC输出具有较高电压，而在安全机制下，具有比所述较高电压低的较低电压。放电电路可操作用于在安全机制下将与DC/DC变换器的输出相耦接的输出电容器放电至所述较低电压。激光器安全控制系统还包括激光器模块，包括大功率光纤激光器系统以及接收所述DC输出的激光器泵浦系统，其中所述较低电压低于激光器泵浦系统的发射阈值。

Safety Control System of High Power Fiber Laser

【技术实现步骤摘要】
大功率光纤激光器安全控制系统本申请是申请日为2015年03月04日且题为“大功率光纤激光器安全控制系统”的国际申请PCT/US2015/018778所对应的中国国家申请(申请号：201580012020.3，进入中国国家阶段日期：2016年09月05日)的分案申请。
本专利技术涉及激光器安全系统领域，具体地，描述了一种用于通过集成在激光器电源中的功能来将大功率光纤激光器电学上置于安全状态的方法。
技术介绍
用半导体泵浦的大功率激光器(例如，光纤激光器)被广泛用于加工各种材料。当各种人体组织(特别是眼睛)直接暴露于大功率的激光辐射时，这种激光辐射对于人体是危险的。因此，系统整合者应提供用于保护在运行的大功率激光器的周围工作的工作人员的安全措施。这些措施通常涉及在要进行激光加工的工件周围构造封闭的保护工作台(booth)。工作台防止激光辐射穿透到工作台的边界外，且可以访问工作台，例如，以便改变工作件或出于其它目的。显然，当访问工作台时，必须将激光器置于不产生激光辐射的安全状态/机制下。通常激光器本身被布置在保护性工作台之外，通过传输光纤将激光辐射传导到工作台内。在这种配置下，必须监控激光器本身的完整性和传输光纤的完整性，以便一旦需要就将激光器置于安全机制下。安全措施需要激光器开发者向系统整合者提供将激光器置于无法产生激光辐射的安全状态下的可能性(接口)。现有的机器安全标准(诸如ISO13849-1)根据安全系统响应于单个或多个故障而出现故障的可能性，来定义安全系统类别(性能等级)。根据ISO13849-1，现有的针对大功率激光器的安全系统的最低限是Cat.3PL_D，其要求安全系统的单个故障不应导致丧失安全功能，且只要合理可行，在接收到对安全功能的下一需求时或在接收对安全功能的下一需求之前，应检测到该单个故障。用于将激光器以及其它电学机器置于安全状态的现有常用方法之一包括：借助串联连接的并经由安全继电器进行控制的两个冗余接触器，断开(断电)它们与电力网的连接，其中安全继电器同样在工作过程中监控它们的状态。图1中示出了该系统的示例。当接触器断开时，激光器与能量源断开连接。如果系统中的电容能够存储足够产生危险辐射的能量，则必须对电容进行放电以便将激光器置于安装状态下。可以通过接触器的辅助、常闭触点来执行放电。上述方案在应用于必须快速且频繁地将激光器置于安全机制的情况下存在不足，诸如，应用于加工输送线，在该情况下加工周期持续不超过几秒。在这种情况下，接触器的机械寿命耗尽非常快，导致它们频繁更换。此外，每次接触器被切换到闭合位置时，激光器系统“冷”启动，这需要相对较长时间来使该系统准备就绪进行工作。这样导致在输送线的操作中出现昂贵的延迟。提供所需安全措施的备选方案包括在激光辐射的路径中安装专用快门(光学安全快门)。然而，在光纤激光器或具有辐射传输光纤的其它类型激光器的情况下，这种布置不可避免地需要辐射从光纤出射且随后输入回光纤中，这样降低了该辐射的质量(亮度)并对整个系统的可靠性造成不利影响。此外，这种布置明显提高了系统的价格。
技术实现思路
在本专利技术的框架内，公开了一种安全系统，所述安全系统可操作用于在集成在激光器系统的电源中的专用功能的帮助下，电学地使激光器系统能够切换到安全机制下。在所公开的激光器系统中，安全功能被确定为：通过对电源的DC-DC变换器进行双通道(冗余)关断并在预定时间范围内将其输出电容器双通道(冗余)放电至安全等级，来停止该系统的激光辐射。需要激光器系统的安全机制的情况包括以下情况：从外部安全接口移除允许信号；破坏辐射传输光纤的完整性；破坏激光器壳体的完整性；以及根据激光器系统的具体实现方案，驱动任何其它安全系统传感器。更具体地，本专利技术的方面之一涉及一种创造性的激光器安全控制系统，其中所述激光器安全控制系统配置有直接耦接到AC源的电源模块。电源模块包括具有输出电容器的电流隔离(galvanicallyisolated)DC/DC变换器以及安全机构。安全机构操作用于对输出电容器进行放电，并在正常和安全机制之间切换电源模块。正常机制的特征在于电源的高电压DC输出，而在安全机制下，DC输出低于正常机制下的DC输出。根据本方面的创造性激光器安全系统还包括激光器模块。激光器模块配置有大功率光纤激光器系统和接收DC输出的激光器泵浦系统。安全机制下的DC输出低于激光器泵浦系统的发射阈值。根据另一方面，创造性的激光器控制系统配置有直接耦接到AC源的电源模块。电源模块包括具有输出电容器的电流隔离DC/DC变换器，以及可操作用于对输出电容器进行放电并可控地工作于安全和正常机制下的安全机构。正常机制的特征在于电源的高电压DC输出，而在安全机制下，DC输出低于正常机制下的DC输出。将低DC输出选择为低于接收DC输出的大功率光纤激光器的泵浦源的发射阈值。安全机构配置有彼此独立操作的第一和第二安全通道，且每个安全通道配置有：关断电路，用于将电源模块从正常操作机制切换到安全机制；以及放电电路，可操作用于在安全机制下将输出电容器放电至低于期望阈值的电压。在另一方面，上述方面中的任一方面所公开的安全系统还具有安全控制器，配置为响应于分别来自外部和内部安全相关传感器的报警信号，控制电源的操作。安全控制器可操作用于当所有的外部和内部传感器都不输出相应报警信号时，产生被耦接到安全机构的启用信号，以便在正常操作机制下启用电源。安全控制器还可操作用于响应于外部和内部传感器中的至少一个传感器的报警信号，结束启用信号。安全机构的安全通道均配置为在没有启用信号的情况下，将电源模块的正常操作机制切换到安全机制，并对输出电容器进行放电。本专利技术的另一方面涉及如上述方面中的任一方面公开的激光器安全系统，其中所述激光器安全系统还包括一个或更多个附加电源模块。根据本专利技术的另一方面，上述方面中的任一方面的激光器安全系统配置有安全机构，其中各安全通道的放电电路均在关断电路之后或与关断电路同时进行操作。根据本专利技术的另一方面，上述方面中的任一方面所述的安全系统配置有安全机构，其中所述安全机构包括监控可执行组件的完整性的多个多元传感器(multiplesensors)。将传感器集成在安全机构的每个安全通道中。根据本专利技术的另一方面，上述方面中的任一方面的激光器安全系统包括安全机构的安全通道，其中每个安全通道包括多个输出组件。输出组件均可操作用于当电源模块处于安全机制下且可执行组件正确地运作时，向安全控制器提供相应输入。根据另一方面，上述方面中的任一方面的安全系统包括被耦接到输出电容器的辅助电源。辅助电源可操作用于在电源模块断电的情况下实现安全机制。该系统的主要优点在于没有易受到磨损的机电元件(接触器)、进入就绪状态所需的时间相对较短(小于100ms)、实现的成本相对较低、且在路径中没有其它能量损耗。附图说明根据结合附图的以下详细描述，将更清楚上述特征和优点，附图中：图1示出了现有技术的激光器安全系统之一；图2示出了具有线性泵浦电流控制元件的光纤激光器的泵浦模块的简化结构；图3示出了采用高频PWM(脉冲宽度调制)方法来控制泵浦电流(降压级(buckstage))的泵浦模块的简化结构；图4示出了创造性的安全系统的概览图；图5示出了所公开的电源模块的DC-DC变换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种激光器安全控制系统，包括：电源模块，与AC源相耦接，并包括电流隔离DC/DC变换器以及安全机构，其中所述安全机构被配置有彼此独立操作的第一和第二安全通道，且每个安全通道配置有：关断电路，用于将电源模块从正常操作机制切换到安全机制，其中在所述正常操作机制下，电源的DC输出具有较高电压，而在所述安全机制下，所述DC输出具有比所述较高电压低的较低电压；以及放电电路，可操作用于在安全机制下将与DC/DC变换器的输出相耦接的输出电容器放电至所述较低电压；其中各安全通道的放电电路均在关断电路之后进行操作或与关断电路同时进行操作；以及激光器模块，包括大功率光纤激光器系统以及接收所述DC输出的激光器泵浦系统，其中所述较低电压低于激光器泵浦系统的发射阈值。

【技术特征摘要】
2014.03.04 US 61/947,5811.一种激光器安全控制系统，包括：电源模块，与AC源相耦接，并包括电流隔离DC/DC变换器以及安全机构，其中所述安全机构被配置有彼此独立操作的第一和第二安全通道，且每个安全通道配置有：关断电路，用于将电源模块从正常操作机制切换到安全机制，其中在所述正常操作机制下，电源的DC输出具有较高电压，而在所述安全机制下，所述DC输出具有比所述较高电压低的较低电压；以及放电电路，可操作用于在安全机制下将与DC/DC变换器的输出相耦接的输出电容器放电至所述较低电压；其中各安全通道的放电电路均在关断电路之后进行操作或与关断电路同时进行操作；以及激光器模块，包括大功率光纤激光器系统以及接收所述DC输出的激光器泵浦系统，其中所述较低电压低于激光器泵浦系统的发射阈值。2.根据权利要求1所述的激光器安全控制系统，还包括：安全控制器，配置为响应于分别来自外部和内部安全相关传感器的报警信号控制电源模块的操作，当所有的外部和内部传感器都不输出相应报警信号时，所述安全控制器产生被耦接到两个安全通道的启用信号，以便在正常操作机制下启用电源，以及所述安全控制器响应于内部和外部传感器中的至少一个的报警信号，移除启用信号，其中两个安全通道中的任一通道可操作用于在没有启用信号的情况下将电源模块的正常操作机制切换为安全机制并对输出电容器进行放电。3.根据权利要求1所述的激光器安全控制系统，还包括一个或更多个附加电源模块。4.根据权利要求1所述的激光器安全控制系统，其中各安全通...

【专利技术属性】
技术研发人员：瓦伦顿·沃罗登，谢尔盖·古斯科夫，
申请(专利权)人：IPG光子公司，
类型：发明
国别省市：美国,US