大功率光纤激光器安全控制系统的制作方法
【专利摘要】激光器安全控制系统配置有直接耦接到AC源的电源模块。电源模块包括电流隔离的DC/DC变换器以及安全机构，其中电流隔离的DC/DC变换器具有至少一个输出电容器。安全机构配置有彼此独立操作的第一和第二安全通道，以便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，DC输出具有比所述较高电压低的较低电压。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关断DC/DC变换器。放电电路可操作用于将输出电容器放电至期望值以下。关断DC/DC变换器并对输出电容器进行放电定义了电源模块的安全机制。激光器安全控制系统还包括大功率光纤激光器系统和激光器泵浦系统，其中激光器泵浦系统从电源接收DC输出，并在电源的安全机制下防止激光器泵浦系统辐射发射，这是由于在安全机制下所述较低电压不足以产生激光发射。
【专利说明】
大功率光纤激光器安全控制系统
技术领域
[0001 ]本发明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。
【背景技术】
[0002]用半导体栗浦的大功率激光器(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)。工作台防止激光福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。
[0003]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。
[0004]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ISO 13849-1)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.3 PL_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。
[0005]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。
[0006]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。
【发明内容】
[0007]在本发明的框架内，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:
[0008]从外部安全接口移除允许信号；
[0009]破坏辐射传输光纤的完整性；
[0010]破坏激光器壳体的完整性；以及
[0011]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。
[0012]更具体地，本发明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(galvanically isola ted)DC/DC变换器以及安全机构。
[0013]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。
[0014]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输出的激光器栗浦系统。安全机制下的DC输出低于激光器栗浦系统的发射阈值。
[0015]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栗浦源的发射阈值。
[0016]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:
[0017]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
[0018]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。
[0019]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。
[0020]本发明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。
[0021]根据本发明的另一方面，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。
[0022]根据本发明的另一方面，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。
[0023]根据本发明的另一方面，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。
[0024]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。
[0025]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问相对较短(小于10ms)、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】
[0026]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:
[0027]图1示出了现有技术的激光器安全系统之一；
[0028]图2示出了具有线性栗浦电流控制元件的光纤激光器的栗浦模块的简化结构；
[0029]图3示出了采用高频PWM(脉冲宽度调制)方法来控制栗浦电流(降压级(buckstage))的栗浦模块的简化结构；
[0030]图4示出了创造性的安全系统的概览图；
[0031]图5示出了所公开的电源模块的DC-DC变换器的结构图；以及
[0032]图6示出了所公开的对DC-DC变换器进行双通道关断以及对电源模块的输出电容进行双通道放电的原理。
【具体实施方式】
[0033]图2示出了具有线性栗浦电流控制元件22的光纤激光器的栗浦模块，其中线性栗浦电流控制元件22是M0SFET。
[0034]图3示出了采用高频PWM(脉冲宽度调制)方法来控制栗浦电流(降压级)的光纤激光器的栗浦模块的简化结构。与图2不同，图3中的控制元件26工作在高频的开关模式下(几百千赫)。
[0035]如果向栗浦二极管施加的电压低于定义二极管产生阈值电流的特定值，则二极管无法照射出产生危险激光发射等级的足够能量。我们将这种安全电压值暂时指定为20伏，此外，栗浦模块的正常操作需要大约75伏量级的供电电压。通过串联连接为一个电路的栗浦二极管21的总数以及一个二极管上的正向电压降，来确定所述值20V。
[0036]根据图2和3，清楚的是:在这两种情况下，二极管上的电压无法高于栗浦模块供电电压，这意味着为了实现激光器的安全状态，确保栗浦模块供电电压值或电源输出电压(相同概念)低于20V(安全输出电压或S0V)就足矣。
[0037]图4示出了所提出的创新构思的概览图。电源单元11与电力网(AC供电源)10直接相连，将在下文描述电源单元11的操作。根据激光器系统的所需功率，可以改变电源单元以及栗浦和光纤激光器模块12的数量。该系统具有安全控制器13，安全控制器13—方面从外部接收需要将系统置于安全状态的命令，并且还从内部传感器接收需要立即关断激光器的命令。另一方面，安全控制器13控制电源单元11，在电源单元11中，专门构造安全关断和输出放电机制。同样包括在该系统中的CPU 14控制激光器的操作，诸如，发射功率，而不干扰安全系统的操作。然而，CPU 14可以从安全控制器13接收诊断信息。
[0038]如图2和图3的示例所示，为了将激光器置于安全状态，确保在栗浦模块12的输入处的供电电压不超过SOV就足够了。从电源单元的布置的角度，如果停止从初级电路向次级电路传送能量，且电源单元11的所有输出电容(以及与它们并联连接的栗浦模块12的输入电容)被放电，则可以满足这种条件。
[0039I图5示出了电源单元11的DC-DC部分的结构图。所示电路是双管正向变换器(dualforward converter)的变型，被称作交错式双晶体管正向变换器。来自PffM控制器32的驱动脉冲通过开关30被放大至所需等级，并进入栅极驱动变压器31。栅极驱动变压器31的输出线圈与电力开关33相连，电力开关33开关在电源变压器35中的电流。由于来自控制器32的驱动脉冲相对彼此是不同相的(相差180度)且每个通道内脉冲的占空比不超过50%，将这种变换器与普通整流器(元件36)以及平滑滤波器(元件37和38)相连是合理的。驱动脉冲的频率是几十或甚至几百千赫，这样确保整个电源相对紧凑。
[0040]所公开的系统的突出特征之一在于:从初级电路向次级电路的能量传送的安全性是任何电流隔离变换器(变压器)所固有的。根据该特征，不可能在没有来自控制器32的驱动脉冲的情况下，从初级电路向次级电路传送能量，与元件30、31、33、34是否操作无关。换言之，如果没有来自控制器32的驱动脉冲，则元件30、31、33、34的任何故障都不会导致自发性的能量传送。应从安全标准要求的视角检查这种重要特性，其中安全系统中的任何单个故障必须不能导致危险状态。
[0041]因此，为了执行如上所述的安全功能，确保没有来自控制器32的驱动脉冲并将变换器输出放电至安全SOV等级(如下所述)就足够了。这使得可以无需监控元件30、31、33、34的完整性。应注意，上述内容不仅针对所公开的正向变换器，而且对于在能量传输路径中具有变压器形式的电流隔离的任何其它变换器(诸如，半桥式、全桥式、反激式、推挽式等)均是正确的。
[0042]图6示出了对变换器进行双通道关断以及对输出电容进行双通道放电的原理。为了符合安全要求，由两个通道执行关断和放电方案，这对于Cat.3 IS013849-1结构而言是典型设置。
[0043]在该方案中，两个通道彼此独立工作，且即使在发生任何单个故障的情况下仍能够将激光器置于安全状态。输入光耦合器40、41从图4的安全控制器13接收命令。没有信号意味着关闭电源单元的命令(断电为首要)。来自光耦合器40(通道I)的信号进入PffM控制器32的专用关断输入，从而可以将其关闭。
[0044]器件44或看门狗监控在控制器32的输出端处存在/缺少脉冲，且实际上控制关断通道I的操作的完整性。如果关闭电源单元的命令通过通道I进入且看门口 44确认在控制器32的输出处没有脉冲，则逻辑元件“与”49将对通道I的放电命令进一步传送至放电单元。关断通道2以类似原理进行操作。两个附加Mosfet驱动器43布置在控制器32的输出处，从另一Mosf et驱动器42向它们供电，其中Mosf et驱动器42又由来自光耦合器41的接通/关断命令来控制。
[0045]比较器47形式的器件监控驱动器43上的供电电压的存在/缺失，并实际上控制关断通道2的操作完整性。如果关闭电源单元的命令通过通道2进入且同时比较器47确认驱动器43处没有电力供给，则逻辑元件“与”48将对通道2的放电命令进一步传送至放电单元。图6的中心示出了 DC-DC变换器45，其中可以根据图5的方案或根据具有变压器的任何其它变换器的方案，来设置所述DC-DC变换器45。
[0046]通过使用放电电阻器50、51和开关52、53，根据双通道方案，设置输出电容46的放电单元，其中开关52、53将电阻器50、51连接到电源单元输出。当存在来自两个关断通道中的任一通道的至少一个命令时，两个放电通道相接合。在DC变换器被切换至安全机制之后，或备选地，与之同时，各放电通道均可以对输出电容器进行放电。用于监控放电通道操作完整性的器件54、56可以控制例如如下参数:
[0047].在放电命令时存在放电电流，直到输出电压降至SOV以下；
[0048].在没有放电命令的情况下没有放电电流;以及
[0049]?输出电压的等级。
[0050]监控单元44、47、54、56可以控制其它参数，以便检测安全电路中的故障，从而增加诊断覆盖率(DC)，进而增加整个系统作整体上的性能等级(PL)(这两个术语均在ISO13849-1标准的意义下使用)。
[0051]通常，电源单元具有低电力的辅助家用电源以供内部需要。为了确保这种电源的故障不会导致丧失安全功能，存在一个或更多个预留电源55，以供内部需要。这种电源55由电源单元的输出来馈电，且是可操作的直到电源的输出电压的等级降低至SOV值为止。因此，即使在缺少任何外部供电的情况下，仍确保安全功能。
[0052]如果电源单元输出上的电压低于SOV值，并且监控单元44、47、54、56没有记录到故障，则输出光耦合器57、58向安全控制器13传送(高电平)电源单元处于安全状态下的事实。
[0053]图4所示的安全控制器13可以具有它自己的监控功能。例如，它可以将来自光耦合器57、58的输出的信号进行交叉比较。此外，它可以通过测量关断命令到达输入光耦合器40、41处与从输出光耦合器57、58根据关断命令到达而确认安全状态之间的延迟值，来控制放电时间。如果在一个电源单元11的安全系统的操作中检测到错误，则可以强制将激光器系统的其它电源单元11置于安全状态。以上列举的措施旨在进一步增加安全系统的性能等级(PL)。
[0054]所公开的安全系统提供相当大的实际优势。例如，W02014063151和WO 2014063153所公开且本申请共有的激光焊接枪配置有激光源。在所公开的枪中，通过复杂和高成本的电光开关来实现激光安全。通常，沿着激光器下游的光路布置光开关。作为任何机械器件，它具有相对较长的时间响应，这样明显增加了暴露于kW-MW激光输出的风险。此外，这些激光源需要转储装置(dump means)，转储装置可能包括附加的光纤和安全空间结构，这二者均是不希望的。使用当前公开的安全系统消除了对开关和转储装置的需要。在另一示例中，假设多激光系统具有多个激光源，所述多个激光源依次工作在彼此不同的相应波长下。通常，提供对这些激光源的选择使用的一个或更多个波束开关具备上述所有缺点。用均根据本发明来配置的激光源代替波束开关明显增加多激光系统的安全性和高效性。
[0055]尽管以所公开的示例描述了本公开，然而在不脱离所附权利要求的范围和精神的前提下，本领域技术人员应清楚对上述实施例的多种修改和/或添加。
【主权项】
1.一种激光器安全控制系统，包括: 电源模块，与AC源直接相耦接，所述电源模块包括具有输出电容器的电流隔离DC/DC变换器以及安全机构，其中所述安全机构可操作用于: 在正常操作机制和安全机制之间切换电源模块，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 对输出电容器进行放电；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输出的激光器栗浦系统，其中所述较低电压低于激光器栗浦系统的发射阈值。2.根据权利要求1所述的激光器安全控制系统，其中所述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。3.根据权利要求2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。4.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。5.根据权利要求2所述的激光器安全控制系统，其中各安全通道中的放电电路均在关断电路之后进行操作。6.根据权利要求2所述的激光器安全控制系统，其中每个安全通道的关断和放电电路同时进行操作。7.根据权利要求2所述的激光器安全控制系统，其中各安全通道包括监控可执行组件的完整性的多个传感器。8.根据权利要求7所述的激光器安全控制系统，其中各安全通道还包括多个输出组件，所述多个输出组件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。9.根据权利要求1所述的激光器安全控制系统，还包括与输出电容器相耦接并可操作用于在所述电源模块断电的情况下实现安全机制的辅助电源。
【文档编号】H01S3/13GK106063057SQ201580012020
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2015年3月4日 公开号201580012020.3, CN 106063057 A, CN 106063057A, CN 201580012020, CN-A-106063057, CN106063057 A, CN106063057A, CN201580012020, CN201580012020.3, PCT/2015/18778, PCT/US/15/018778, PCT/US/15/18778, PCT/US/2015/018778, PCT/US/2015/18778, PCT/US15/018778, PCT/US15/18778, PCT/US15018778, PCT/US1518778, PCT/US2015/018778, PCT/US2015/18778, PCT/US2015018778, PCT/US201518778
【发明人】瓦伦顿·沃罗登, 谢尔盖·古斯科夫
【申请人】Ipg光子公司