АКТИВНАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА БЕЗОПАСНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ
ACTIVE AUTOMATED SECURITY SYSTEM OF A LASER PROCESSING TECHNOLOGICAL COMPLEX

Изобретение относится к области систем обеспечения безопасности лазерных установок и может быть использовано для обеспечения безопасности работы с технологическими комплексами, применяющими в своем составе лазерную обработку материалов.
Высокомощные лазеры (мощностью от сотен ватт до десятков киловатт) широко используются для обработки различных материалов. Мощное лазерное излучение является опасным для человека в случае его воздействия на различные органы человека, в особенности глаза. Таким образом, при построении устройств, применяющих лазерную обработку, необходимо обеспечивать защиту персонала от воздействия лазерного излучения. Как правило, основным способом обеспечения безопасности персонала является создание защитного ограждения вокруг технологической установки, осуществляющей лазерную обработку.
Так, например, известна система защиты для станка лазерной резки (RU №2727372 С1 от 21.07.2020 Бюл. №21), в состав которой входят: рама, верхний защитный узел, центральный защитный экран, нижний защитный узел, лазерная головка, причем указанный верхний защитный узел, указанный центральный защитный узел и указанный нижний защитный узел съемным образом установлены на указанной раме, причем указанный верхний защитный узел, указанный центральный защитный узел и указанный нижний защитный узел образуют камеру, охватывающую по существу только указанную лазерную головку, при этом указанный нижний защитный узел соединен с указанным центральным защитным экраном магнитным соединением.
Недостатками данной системы является то, что:
1) защитный экран, предусмотренный конструкцией, используется только в пассивном режиме, то есть данный экран не позволяет определять факт попадания на его поверхность лазерного излучения и генерировать соответствующий сигнал или набор сигналов для системы управления технологического комплекса лазерной обработки, то есть не может быть интегрирован в систему управления технологического комплекса лазерной обработки. В случае изменения траектории прохождения лазерного луча (например - при его отражении от обрабатываемой поверхности или при наличии ошибок в программировании траекторий перемещения), решение об остановке работы технологического комплекса лазерной обработки принимается оператором комплекса самостоятельно;
2) защитный экран не предназначен для длительного облучения лазерным излучением большой мощности;
3) данная система может применяться только для случаев лазерной обработки, выполняемой в одной плоскости (например, раскрой плоского листа на двух- или трехосевом станке с числовым программной управлением). В тоже время на сегодняшний день для решения промышленных задач широко внедряются образцы оборудования с более сложными кинематическими схемами. Примером такого оборудования могут служить промышленные роботы-манипуляторы, осуществляющие перемещение выходной оптики лазера по сложным пространственным траекториям. Такие роботы-манипуляторы, как правило, содержат 5…7 осей вращения и в пределах рабочей зоны могут позиционировать инструмент (выходную оптику лазера) в широком диапазоне углов наклона относительно всех трех координатных осей;
Задачей заявляемого изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик систем защиты лазерных установок.
Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, состоит в использовании защитного ограждения технологического комплекса лазерной обработки в активном режиме, то есть: определение факта попадания лазерного излучения на поверхность ограждения и генерирование сигналов для системы управления ограждения технологического комплекса лазерной обработки осуществляется автоматически с применением сигналов с соответствующих датчиков, входящих в состав системы.
Существенные признаки, характеризующие изобретение.
Ограничительные: Активная автоматизированная система безопасности технологического комплекса лазерной обработки, выполненная в виде защитного ограждения, ограничивающего зону выполнения лазерной обработки.
Отличительные: защитное ограждение выполнено в виде конструкции, состоящей из набора отдельных унифицированных сегментов защитного ограждения, представляющих из себя полые объекты с непрозрачными стенками, внутри которых расположены датчики, фиксирующие появление излучения от нагрева стенки сегмента лазерным излучением, причем для обработки сигналов с датчиков и взаимодействия с системой управления технологического комплекса используются два типа систем: индивидуальные системы обработки сигналов каждого сегмента и общая аналитико-коммуникационная система; при этом сигналы с датчиков, расположенных внутри конкретного сегмента, обрабатываются индивидуальной системой обработки сигналов данного сегмента, которая в случае обнаружения сигналов, соответствующих попаданию лазерного излучения на поверхность сегмента, подает сигнал о возникновении опасной ситуации на общую аналитико-коммуникационную систему, при этом общая аналитико-коммуникационная система передает системе управления технологического комплекса сигнал об обнаружении факта попадания лазерного излучения в виде некоторого цифрового сигнала, а также номер сегмента защитного ограждения, на котором зафиксировано попадание лазерного излучения; стенки сегментов защитного ограждения изготавливаются из непрозрачного материала, способного выдерживать без проплавления лазерное излучение максимальной интенсивности, которое может попасть на поверхность стенки, в течение времени, достаточного для определения факта попадания излучения и принятия необходимых мер по обеспечению безопасности со стороны системы управления технологического комплекса; отдельные унифицированные сегменты защитного ограждения механически соединяются в стенки необходимых габаритов, которые в дальнейшем ограничивают зону расположения технологического комплекса, внутри которой происходит лазерная обработка и по периметру которой необходимо обеспечивать защиту, при этом соединение сегментов и стенок защитного ограждения выполняется таким образом, чтобы не допустить выхода лазерного излучения за пределы ограждения через места соединения сегментов или стенок, в том числе (при необходимости) - чтобы обеспечить защиту в необходимых направлениях (набор вертикальных и горизонтальных стенок из сегментов защитного ограждения для предотвращения выхода излучения в стороны и вверх/вниз из рабочей зоны комплекса); в сегменты защитного ограждения встроены датчики, определяющие уровень светового и/или теплового излучения внутри данного сегмента защиты, при этом уровни сигналов на выходах датчиков при отсутствии лазерного излучения и при его воздействии на стенки сегмента должны быть различимы с точки зрения индивидуальной системы обработки сигналов сегмента; для контроля выполнения технологических операций внутри защитного ограждения применяются видеокамеры, установленные на внутренних поверхностях стенок и/или потолка защитного ограждения.
i
Схема системы приведена на фигурах. Фиг. 1 - пример возможной конфигурации защитного ограждения: а) вид сверху; б) вид сбоку, где 1 -технологический комплекс лазерной обработки; 2 - боковые стенки защитного ограждения; 3 - пол (фундамент технологического комплекса); 4 - горизонтальная плоскость защитного ограждения. Фиг. 2 - пример конфигурации соединения унифицированных сегментов защитного ограждения в стенку (пол/потолок), где 5 - унифицированные сегменты защитного ограждения; 6 - зоны соединения сегментов. Фиг. 3 -унифицированный сегмент защитного ограждения: а) общий вид; б) вид сбоку в) вид с торца, где 7 - места установки датчиков внутри унифицированного сегмента защитного ограждения. Фиг. 4 последовательность обработки и передачи сигналов в рамках активной автоматизированной системы безопасности технологического комплекса лазерной обработки, где Д - датчик; У - схема усиления сигнала с датчика; ЛПР - логический преобразователь; ИИC - индивидуальная система обработки сигналов i-го унифицированного сегмента; ОАКС - общая аналитико-коммуникационная система; СУ - система управления технологического комплекса лазерной обработки.
Изобретение реализуют следующим образом. Защитное ограждение строится вокруг технологического комплекса 1 в рамках которого применяется лазерная обработка и имеется риск выхода излучения за пределы комплекса. Защитное ограждение строится в виде набора вертикальных (боковых) стенок 2 и горизонтальных плоскостей (пол 3), потолок 4 - по необходимости). Для каждого конкретного технологического комплекса габариты и конфигурация защитного ограждения определяется отдельно. На фиг.1 приведен пример возможной конфигурации защитного ограждения.
Каждая из стенок и горизонтальных плоскостей защитного ограждения строится из унифицированных сегментов 5. Сегменты соединяются в боковую стенку (или в пол/потолок) таким образом, чтобы не допустить выхода лазерного излучения за пределы ограждения через места соединения сегментов или стенок 6 - например, стыкуются внахлест друг с другом.
Каждый из унифицированных сегментов защитного ограждения выполняется в виде плоского полого объекта с непрозрачными стенками. Такая конфигурация позволяет обеспечить отсутствие во внутреннем пространстве унифицированного сегмента защитного ограждения теплового или светового излучения (за исключением естественного теплового излучения от материала стенок, соответствующего температуре окружающей среды). Внутри унифицированного сегмента устанавливаются датчики 7, определяющие уровень светового и/или теплового излучения внутри данного сегмента защиты. Использование светового/теплового излучения в качестве показателя попадания лазерного луча на поверхность защитного ограждения обусловлено высокими мощностями лазеров, используемых при обработке материалов (единицы - десятки киловатт), и высокой скоростью процессов, связанных лазерной обработкой. Пример конфигурации унифицированного сегмента защитного ограждения с расположением датчиков внутри него приведен на фиг.3. Датчики подбираются таким образом, чтобы обеспечивалась возможность распознавания интенсивности теплового излучения материала стенок сегмента, соответствующего температуре окружающей среды, и излучения, вызванного нагревом от попадания на стенки сегмента лазерного луча. При этом выходные сигналы датчиков при отсутствии воздействия лазерного луча и при его наличии должны быть четко распознаваемы с точки зрения последующих систем, осуществляющих преобразование и обработку сигналов.
cm
cm
Стенки унифицированного сегмента должны изготавливаться из листового материала, способного выдерживать попадание лазерного луча в течение некоторого времени t. В качестве такого материала рекомендуется использование металла. Время t, в течение которого металл стенок должен выдерживать попадание лазерного луча без проплавления, определяется как сумма:
где  - время нагрева металла стенки сегмента защиты до уровня уверенного распознавания аварийной ситуации;
- время, затрачиваемое на преобразование сигнала с датчика в вид, пригодный для дальнейшей обработки;
- суммарное время, затрачиваемое на передачу преобразованного сигнала с датчика к системе управления технологического комплекса;
- суммарное время, необходимое системе управления технологического комплекса на обработку полученного сигнала, принятие решения и выполнение действий по предотвращению аварийной ситуации.
Обработка сигналов с датчиков осуществляется следующим образом. Наиболее быстродействующими датчиками для определения интенсивности теплового и/или светового излучения являются датчики с аналоговыми выходными сигналами. Для дальнейшей обработки таких сигналов требуется их усиление и последующее преобразование в цифровой вид. Необходимость преобразования в цифровой вид связана с большим количеством датчиков в рамках одной системы. Таким образом, для построения активной автоматизированной системы безопасности технологического комплекса лазерной обработки используется два уровня систем: индивидуальные системы обработки сигналов каждого сегмента и общая аналитико-коммуникационная система.
Графически последовательность обработки и передачи сигналов в рамках активной автоматизированной системы безопасности технологического комплекса лазерной обработки поясняется фиг.4.
Датчики Д осуществляют постоянное преобразование контролируемой величины (интенсивность теплового и/или светового излучения внутри унифицированного сегмента защитного ограждения). Выходные сигналы с датчиков Д усиливаются схемами усиления У. Усиленные сигналы со всех датчиков, входящих в состав унифицированного сегмента защитного ограждения, поступают на логический преобразователь ЛПР данного сегмента. ЛПР осуществляет преобразование усиленных сигналов с датчиков в цифровой вид, их анализ и формирование сигналов для вышестоящей общей аналитико-коммуникационной системы. В состав сигналов, формируемых ЛПР, входит состояние данного сегмента защиты (наличие или отсутствие лазерного излучения), а также - номер данного сегмента.
Наборы сигналов со всех ЛПР, входящих в систему защиты, поступает на общую аналитико-коммуникационную систему ОАКС.ОАКС анализирует все поступающие сигналы на предмет наличия воздействия лазерного излучения на каком-либо из сегментов защитного ограждения. В случае обнаружения воздействия лазерного излучения хотя бы на одном сегменте защитного ограждения, ОАКС передает на систему управления технологическим комплексом лазерной обработки (СУ) сигнал аварии, а также набор номеров соответствующих сегментов. Переданные номера в дальнейшем могут быть использованы при диагностике и отладке управляющих программ технологического комплекса, а также - для восстановления или замены сегментов защитного ограждения, подвергавшихся воздействию лазерного излучения. В случае отсутствия сигнала с какого-либо из ЛПР, входящих в систему, ОАКС передает на СУ сигнал предупреждения о потере связи с сегментом защитного ограждения и номер такого сегмента.
Предлагаемая структура активной автоматизированной системы безопасности технологического комплекса лазерной обработки позволяет реализовывать защиту технологических комплексов лазерной обработки различных конфигураций и габаритов. За счет применения унифицированных сегментов защитного ограждения систему можно перестраивать и модифицировать под изменяющиеся конфигурации оборудования. Также структура из отдельных сегментов позволяет реализовывать ворота и двери в ограждении для доступа к оборудованию комплекса, технологические окна для подачи и заготовок и выгрузки готовых изделий. Так как для обеспечения максимальной защиты предполагается конфигурирование защиты без применения окон для наблюдения за ходом процесса обработки, то на внутренних поверхностях защитного ограждения предусмотрена установка камер видеонаблюдения, позволяющих реализовать контроль за выполнением процессов лазерной обработки без нарушения целостности защиты.