СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ВЫСОКОМОЩНОГО ВОЛОКОННОГО ЛАЗЕРА
OPERATING SAFETY MAINTENANCE SYSTEM OF HIGH-POWER FIBER LASER

Область техники, к которой относится настоящее изобретение
Настоящее изобретение относится к области систем обеспечения эксплуатационной безопасности лазерных установок, и, в частности, раскрыт способ переведения высокомощного волоконного лазера в безопасное состояние при помощи электроники и с использованием функций, интегрированных в источник питания лазера.
Предшествующий уровень техники настоящего изобретения
Высокомощные лазеры с полупроводниковой накачкой, например, волоконные лазеры, широко используются для обработки различных материалов. Мощное лазерное излучение является опасным для человека в случае его прямого воздействия на различные органы человека, в особенности глаза. Таким образом, специалисты по системной интеграции должны обеспечить меры безопасности для защиты персонала, работающего в непосредственной близости от функционирующих высокомощных лазеров. Как правило, эти меры направлены на создание закрытого защитного ограждения вокруг обрабатываемого лазером изделия. Ограждение не дает лазерному излучению выйти за свои границы, при этом имеется возможность доступа во внутреннее пространство ограждения, например, для замены обрабатываемого изделия или других целей. Очевидно, что при осуществлении доступа во внутреннее пространство ограждения необходимо перевести лазер в безопасное состояние/режим, в котором отсутствует генерирование лазерного излучения.
Как правило, сам лазер расположен за пределами защитного ограждения, при этом лазерное излучение направляют в ограждение при помощи волокна для доставки импульса. В последней конфигурации необходимо осуществлять мониторинг целостности как самого лазера, так и волокна для доставки импульса, чтобы при необходимости перевести лазер в безопасный режим.
Согласно технике безопасности требуется, чтобы разработчик лазера предоставил специалисту по системной интеграции возможность (интерфейс) приведения лазера в безопасное состояние, в котором генерирование лазерного излучения невозможно. Действующие промышленные стандарты по технике. безопасности, такие как ISO 13849-1, определяют категории систем обеспечения безопасности (уровень эффективности защиты) исходя из вероятности отказа системы обеспечения безопасности в ответ на одиночный отказ или множество отказов.; текущим минимумом для систем обеспечения безопасности для мощных лазеров является Категория 3 PL_D в соответствии с ISO 13849-1, согласно которой одиночный отказ системы обеспечения безопасности не должен повлечь за собой потерю функции обеспечения безопасности, а также в случаях, когда это практически осуществимо, одиночный отказ должен быть обнаружен во время или перед получением следующего запроса в отношении функции обеспечения безопасности.
Один из распространенных в настоящее время способов переведения не только лазеров, но также других электрических машин в безопасное состояние предусматривает их отсоединение (отключение) от электрической сети при помощи: двух дублирующих контакторов, соединенных последовательно и управляемых при помощи защитного реле, которое также контролирует их состояние в процессе работы. Пример этой системы изображен на фиг. 1. При размыкании контакторов происходит отсоединение лазера от источника энергии. Если в системе предусмотрены емкости, способные хранить энергию, достаточную для генерирования опасного излучения, они должны быть разряжены с тем, чтобы перевести лазер в безопасное состояние. Разрядка емкостей может быть осуществлена при помощи вспомогательных, обычно замкнутых контактов контакторов. Такому решению присущи недостатки в случае практических применений, где необходимо быстро и часто переводить лазер в безопасный режим, например, на производственных конвейерных линиях, на которых цикл обработки длится не более нескольких секунд. В этом случае контакторы очень быстро износятся, что приводит к необходимости частой замены контакторов. Кроме того, каждый раз при переключении контакторов в замкнутое положение, происходит запуск системы лазера из холодного состояния, что занимает относительно долгое время перед тем, как система снова будет готова к работе. Это приводит к дорогостоящим задержкам в работе конвейерных линий.
Альтернативное решение, обеспечивающие требуемые меры безопасности, предусматривает установку специального прерывателя (оптического предохранительного прерывателя) на пути лазерного излучения. Однако в случае волоконного. лазера или другого типа лазера с волокном для доставки импульса излучения, эта компоновка неизбежно требует, чтобы излучение испускалось из волокна, а затем обратно направлялось в волокно, что ухудшает качество (яркость) излучения и отрицательно влияет на надежность всей системы. Кроме того, такая компоновка значительно повышает стоимость всей системы.
Краткое раскрытие настоящего изобретения
Настоящее изобретение относится к системе обеспечения безопасности, которая позволяет системе лазера переключаться в безопасный режим посредством электроники и с помощью специальной функции, интегрированной в источник питания системы лазера. В контексте раскрытой системы лазера под функцией обеспечения безопасности следует понимать остановку лазерного излучения системы при помощи двухканальцого (дублированного) отключения преобразователя напряжения постоянного тока источника питания и двухканальной (дублированной) разрядки выходных емкостей до безопасного уровня в рамках предварительно заданного временного интервала. К ситуациям, требующим переключение системы лазера в безопасный режим, относится следующее:
прекращение подачи разрешающих сигналов из внешнего интерфейса обеспечения безопасности;
нарушение целостности волокна для доставки импульса излучения;
нарушение целостности корпуса лазера; и
срабатывание любых других датчиков системы обеспечения безопасности, в зависимости от конкретной реализации системы лазера.
Более конкретно, один из аспектов настоящего изобретения относится к системе обеспечения эксплуатационной безопасности лазера, которая сконфигурирована с модулем источника питания, непосредственно присоединенным к источнику переменного тока. Модуль источника питания содержит гальванически развязанный Преобразователь напряжения постоянного тока с выходной емкостью, а также механизм обеспечения безопасности.
Механизм обеспечения безопасности выполнен с возможностью разрядки выходной емкости и переключения модуля источника питания между нормальным и безопасным режимами. Нормальный режим характеризуется выдачей источником питания постоянного тока с высоким напряжением, тогда как в безопасном режиме выход постоянного тока характеризуется более низким напряжением, чем в нормальном режиме.
Предлагаемая система обеспечения эксплуатационной безопасности лазера в соответствии с этим аспектом дополнительно содержит модуль лазера. Указанный модуль сконфигурирован с системой высокомощного волоконного лазера и системой накачки лазера, в которую подается выход постоянного тока. Выход постоянного тока в безопасном режиме недостаточен для преодоления порога излучения системы накачки лазера.
В соответствии с другим аспектом предлагаемая система управления лазером сконфигурирована с модулем источника питания, непосредственно присоединенным к источнику переменного тока. Модуль источника питания содержит гальванически развязанный преобразователь напряжения, постоянного тока с выходной емкостью, а также механизм обеспечения безопасности, выполненный с возможностью разрядки выходной емкости и управляемого функционирования в нормальном и безопасном режимах. Нормальный режим характеризуется выдачей источником питания постоянного тока с высоким напряжением, тогда как в безопасном режиме выход постоянного тока характеризуется более низким напряжением, чем в нормальном режиме. Выход постоянного тока с низким напряжением выбран ниже порога излучения системы накачки для высокомощного волоконного лазера, в которую подается выход постоянного тока.
Механизм обеспечения безопасности сконфигурирован с первым и вторым каналами безопасности, которые работают независимо друг от друга, при этом каждый канал содержит
цепь отключения, предназначенную для переключения модуля источника питания из нормального режима работы в безопасный режим, и
цепь разрядки, функционирующую для разрядки выходной емкости до напряжения ниже желаемого порога в безопасном режиме.
Согласно другому аспекту раскрытая система обеспечения эксплуатационной безопасности лазера по любому из раскрытых выше аспектов также характеризуется наличием контроллера безопасности, сконфигурированного для управления работой источника питания в ответ на получение аварийных сигналов от соответствующих внешних и внутренних связанных с обеспечением безопасности датчиков. Контроллер безопасности выполнен с возможностью генерирования разрешающего сигнала, направляемого в механизм обеспечения безопасности, чтобы разрешить источнику питания работать в нормальном режиме, когда от внешних и внутренних датчиков не поступают соответствующие аварийные сигналы. Контроллер безопасности также выполнен с возможностью прекращения подачи разрешающего сигнала в ответ на получение аварийного сигнала от по меньшей мере одного из внутренних и внешних датчиков. Каждый из каналов безопасности механизма обеспечения безопасности сконфигурирован таким образом, чтобы осуществлять переключение модуля источника питания из нормального режима работы в безопасный режим и разрядку выходной емкости при отсутствии разрешающего сигнала.
Еще один аспект настоящего изобретения относится к системе обеспечения эксплуатационной безопасности лазера по любому из описанных выше аспектов, которая также содержит один или несколько дополнительных модулей источников. питания.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения система обеспечения эксплуатационной безопасности лазера по любому из описанных выше аспектов сконфигурирована с механизмом обеспечения безопасности, в котором каждая цепь разрядки, входящая в состав соответствующих каналов безопасности, срабатывает после или одновременно с цепью отключения.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения система обеспечения эксплуатационной безопасности лазера по любому из описанных выше аспектов сконфигурирована с механизмом обеспечения безопасности, который содержит множество различных датчиков, осуществляющих мониторинг целостности исполнительных элементов. Датчики интегрированы в каждый из каналов безопасности, входящих в состав механизма обеспечения безопасности.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения система обеспечения эксплуатационной безопасности лазера по любому из описанных выше аспектов содержит каналы безопасности механизма обеспечения безопасности, каждый из которых содержит множество выходных элементов. Каждый из выходных элементов выполнен с возможностью предоставления соответствующих входных сигналов в контроллер безопасности, когда модуль источника питания находится в безопасном режиме и исполнительные элементы исправно функционируют.
В соответствии с дополнительным аспектом система обеспечения эксплуатационной безопасности лазера по любому из описанных выше аспектов содержит вспомогательный источник питания, который соединен с выходной емкостью. Вспомогательный источник питания предназначен для обеспечения перехода в безопасный режим при обесточивании модуля электропитания.
Главные преимущества этой системы заключаются в отсутствии подверженных износу электромеханических элементов (контакторов), относительно быстром приведении системы в состояние готовности (менее 100 мс), относительно низкой стоимости реализации, а также в отсутствии дополнительных потерь энергии в пути.
Краткое описание фигур
Описанные выше признаки и преимущества станут более очевидными при ознакомлении с представленным ниже подробным раскрытием, которое выполнено со ссылками на фигуры, где:
на фиг. 1 представлена одна из систем обеспечения эксплуатационной безопасности лазера, известных из уровня техники;
на фиг. 2 представлена упрощенная структура модуля накачки волоконного лазера с элементом линейного управления током накачки;
на фиг. 3 представлена упрощенная структура модуля накачки, в котором для управления током накачки используется способ высокочастотной широтноимпульсной модуляции (ШИМ) (ступень понижения напряжения);
на фиг. 4 представлена общая схема системы обеспечения безопасности согласно настоящему изобретению;
на фиг. 5 представлена структурная схема преобразователя напряжения постоянного тока, входящего в состав раскрытого модуля электропитания; и
на фиг. 6 представлена принципиальная схема раскрытого двухканального отключения преобразователя напряжения постоянного тока и двухканальной разрядки выходной емкости, входящей в состав модуля электропитания.
Подробное раскрытие настоящего изобретения
На фиг. 2 представлен модуль накачки волоконного лазера с элементом 22 линейного управления током накачки, который является полевым транзистором с МОП-структурой.
На фиг. 3 представлена упрощенная структура модуля накачки волоконного лазера, при этом способ высокочастотной широтноимпульсной модуляции (ШИМ) используется для управления током накачки (ступень понижения напряжения). В отличие от структуры, изображенной на фиг. 2, элемент 26 управления на фиг. 3 работает в режиме переключения с высокой частотой (сотни кГц).
Диоды накачки не могут испускать достаточное количество энергии для генерирования опасного уровня лазерного излучения, если напряжение, прикладываемое к этим диодам, ниже определенного значения, которое определяет пороговый ток диодного генерирования. Давайте условно обозначим значение безопасного напряжения равным 20 В, при этом для нормальной работы модуля накачки необходимо питающее напряжение порядка 75 В. Значение 20 В определяется общим числом диодов 21 накачки, соединенных последовательно в одной цепи, а также падением напряжения в режиме прямого тока на одном диоде.
Из фиг. 2 и 3 очевидно, что напряжение на диодах в обоих случаях не может превышать питающее напряжение модуля накачки, а значит для достижения безопасного, состояния лазера достаточно обеспечить, чтобы значение питающего напряжения модуля накачки или (что одно и то же) выходное напряжение источника питания не превышало 20 В (безопасное выходное напряжение или БВН).
На фиг. 4 представлена общая схема предложенной новой концепции. Блок 11 электропитания, работа которого будет рассмотрена ниже, непосредственно соединен с электрической сетью (источником питания переменного тока) 10. В зависимости от требуемой мощности системы лазера может быть изменено количество блоков электропитания, а также модулей 12 накачки и волоконного лазера. Система характеризуется наличием контроллера 13 безопасности, который, с одной стороны, принимает команды от внешнего источника с требованием приведения системы в безопасное состояние, а также команды от внутренних датчиков с требованием аварийного отключения лазера. С другой стороны, контроллер 13 безопасности управляет блоками 11 электропитания со специально встроенным механизмом безопасного отключения и разрядки выходной емкости. Центральный процессор 14 (ЦП), который также встроен в систему, управляет работой лазера, например, мощностью излучения, не мешая функционированию системы обеспечения безопасности. Однако он может получать диагностическую информацию от контроллера 13 безопасности.
Как изображено в примерах, представленных на фиг. 2 и фиг. 3, для того чтобы перевести лазер в безопасное состояние, достаточно обеспечить, чтобы напряжение питания на входе модуля 12 накачки не превышало БВН. Исходя с точки зрения компоновки блока электропитания, это условие можно выполнить, если прекратить передачу энергии из первичной цепи во вторичную цепь, а также разрядить все выходные емкости блока 11 электропитания (а также входные емкости модулей 12 накачки, присоединенные параллельно выходным емкостям).
На фиг. 5 представлена структурная схема участка преобразования напряжения постоянного тока, входящего в состав блока 11 электропитания. Изображенная цепь является вариантом двойного прямоходового преобразователя, известного в качестве прямоходового двухтранзисторного преобразователя с поочередным включением. Управляющие импульсы от ШИМ контроллера 32 усиливают до необходимого уровня при помощи ключей 30 и трансформаторов 31 управления затвором. Выходные обмотки последних соединены с силовыми ключами 33, которые переключают ток в силовых трансформаторах 35. Поскольку управляющие импульсы от контроллера-32 сдвинуты, по фазе относительно друг друга на 180 градусов и коэффициент заполнения импульсов в каждом канале не превышает 50%, целесообразно присоединить этот преобразователь к общему выпрямителю на элементах 36, а также к сглаживающему фильтру на элементах 37 и 38. Частота управляющих импульсов составляет несколько десятков или даже сотен кГц, что обеспечивает относительную компактность всего источника питания.
Одна из существенных особенностей раскрытой системы касается безопасности передачи энергии от первичной цепи к вторичной цепи, которая присуща любому гальванически развязанному преобразователю (трансформатору). Согласно этой особенности невозможно передать энергию от первичной цепи во вторичную цепь без поступления управляющих импульсов от контроллера 32, независимо от того, работают ли элементы 30, 31, 33, 34 или нет. Иначе говоря, любой отказ, вызванный элементами 30, 31, 33, 34, не может привести к самопроизвольной передаче энергии, если отсутствовали управляющие импульсы из контроллера 32. Это важное свойство должно быть рассмотрено с точки зрения требований стандартов безопасности, где любой одиночный отказ в системе обеспечения безопасности не должен приводить к возникновению опасного ситуации.
Таким образом, для того чтобы реализовать описанную выше функцию обеспечения безопасности, достаточно обеспечить отсутствие управляющих импульсов от контроллера 32 и разгрузить выход преобразователя до уровня БВН (рассмотрено ниже). Это позволяет не контролировать целостность элементов 30, 31, 33, 34. Следует отметить, что отмеченное выше верно не только для описанного прямоходового преобразователя, но также для любого другого преобразователя, который характеризуется наличием на пути передачи энергии гальванической развязки в форме трансформатора, такого как полумостовой преобразователь, мостовой преобразователь, трансформатор строчной развертки, двухтактный трансформатор и т.п.
На фиг. 6 представлен принцип двухканального отключения преобразователя и двухканальной разрядки выходной емкости. Для того чтобы соответствовать требования безопасности, схема отключения и разрядки реализуется двухканальной, что типично для структур Категории 3 в соответствии с ISO 13849-1.
Оба канала работаю независимо друг от друга и способны перевести лазер в безопасное состояние даже в случае возникновения любого единичного отказа в указанной схеме. Входные оптосоединители 40, 41 получают команды от контроллера 13 безопасности, изображенного на фиг. 4. Отсутствие сигнала означает команду на выключение блока электропитания (принцип отключения). Сигнал от оптосоединителя 40 (канал 1) поступает на определенный вход отключения ШИМ контроллера 32, в результате чего может произойти его отключение.
Устройство 44 или сторожевое устройство осуществляет мониторинг присутствия/отсутствия импульсов на выходе контроллера 32 и, фактически, контролирует целостность работы канала 1 отключения. Если команда на отключение блока электропитания поступает по каналу 1 и сторожевое устройство 44 подтверждает отсутствие импульсов на выходе из контроллера 32, то логический элемент «И» 49 передает команду разрядки канала 1 далее в блок разрядки. Канал 2 отключения работает по аналогичному принципу. Два дополнительных драйвера 43 на полевых транзисторах с МОП-структурой расположены на выходе из контроллера 32, и питание на эти устройства поступает от другого драйвера 42 на полевых транзисторах с МОП-структурой, который, в свою очередь, управляется командой «влючение-выключение» от оптосоединителя 41.
Устройство в форме компаратора 47 осуществляет мониторинг присутствия/отсутствия питающего напряжения на драйверах 43 и, фактически, осуществляет контроль операционной целостности канал 2 отключения. Если по каналу 2 поступила команда на отключение блока электропитания и, вместе с этим, компаратор; 47 подтвердил отсутствие питания на драйверах 43, то логический элемент: «И» 48 направит команду разрядки канала 2 далее в блок разрядки. В центре фиг. 6 изображен преобразователь 45 напряжения постоянного тока, который может быть выполнен в соответствии со схемой на фин. 5 или подобно любому другому преобразователю, характеризующемуся наличием трансформатора.
Блок разрядки выходной емкости 46 выполнен в соответствии с двухканальной схемой с использованием разрядных резисторов 50, 51 и ключей 52, 53, которые соединяют резисторы 50, 51 с выходом блока электропитания. При поступлении по меньшей мере одной команды по любому из двух каналов отключения происходит активация, обоих каналов разрядки. Каждый канал разрядки может осуществить разрядку выходной емкости после переключения преобразователя постоянного тока в безопасный режим или, альтернативно, одновременно с ним. Устройства 54, 56, предназначенные для осуществления мониторинга целостности работы каналов разрядки, могут контролировать следующие параметры:
- наличие разрядного тока во время команды разрядки до тех пор, пока выходное напряжение не упадет ниже БВН;
- отсутствие разрядного тока при отсутствии команды разрядки; и
- уровень выходного напряжения.
Блоки 44, 47, 54, 56 мониторинга могут контролировать другие параметры для того, чтобы обнаруживать отказы в цепях безопасности с целью повышения диагностического охвата (ДО) и, следовательно, уровня эффективности защиты (УЭЗ) всей системы в целом (оба термина использованы в контексте стандарта ISO 13849-1).
Как правило, блок электропитания характеризуется наличием вспомогательного служебного электропитания низкой мощности для обеспечения внутренних потребностей. Чтобы убедиться в том, что неисправность этого источника не приведет к утрате функции обеспечения безопасности, предусмотрен один или несколько резервных источников 55 питания для внутренних потребностей. Источник 55 запитывается от выхода блока электропитания и работает до тех пор, пока уровень выходного напряжения источника питания не снизится до значения БВН. Следовательно, функция обеспечения безопасности обеспечивается даже при отсутствии внешнего электропитания.
Выходные оптосоединители 57, 58 передают (высокий уровень) в контроллер 13 безопасности тот факт, что блок электропитания находится в безопасном состоянии, если напряжение на его выходе ниже значения БВН и отказы не были дополнительно зарегистрированы блоками 44, 47, 54, 56 мониторинга.
Контроллер 13 безопасности, изображенный на фиг. 4, может характеризоваться наличием своих собственных функций мониторинга. Например, контроллер может осуществлять сравнение между собой сигналов, поступающих из выходов оптосоединителей 57, 58. Кроме того, он может контролировать время разрядки путем измерения значения задержки между командами отключения, поступающими, на входные оптосоединители 40, 41, и подтверждением безопасного состояния посредством команд, поступающих от выходных оптосоединителей 57, 58. Ноли ошибки обнаружены в работе системы обеспечения безопасности одного блока 11 электропитания, контроллер может принудительно перевести остальные блоки 11 электропитания, входящие в состав системы лазера, в безопасное состояние. Перечисленные выше меры предназначены для дополнительного увеличения уровня эффективности защиты (УЭЗ) системы обеспечения безопасности.
Раскрытая система обеспечения безопасности предоставляет значительные практические преимущества. Например, лазерные сварочные пистолеты, раскрытые в документах WO 2014063151 и WO 2014063153, которые принадлежат владельцу настоящей заявки, оснащены лазерными источниками. В раскрытых пистолетах безопасность эксплуатации лазера реализована за счет использования сложных и дорогостоящих электрооптических ключей. Как правило, оптический ключ расположен вдоль светового пути ниже по потоку от лазера. Как и любое механическое устройство, ему присуще относительно продолжительное время срабатывания, что значительно увеличивает риск поражения лазером мощностью от нескольких кВт до нескольких МВт. Кроме того, для этих лазерных источников необходимо средство разгрузки, которое может содержать дополнительные волокна и отвечающую за безопасность пространственную конструкцию, что является нежелательным. Применение раскрытой в настоящем документе системы обеспечения безопасности устраняет необходимость в использовании ключей и средства разгрузки. В качестве другого примера рассмотрим многолазерную систему, характеризующуюся наличием множества лазерных источников, которые работают последовательно с соответствующими значениями длины волны, отличными друг от друга. Как правило, в таких системах применяется одни или несколько переключателей лучей, обеспечивающих селективное использование этих источников, со всеми рассмотренными выше недостатками. Очевидно, что замена переключателя или переключателей лучей на лазерные источники, каждый из которых сконфигурирован в соответствии с настоящим изобретением, увеличит безопасность и эффективность многолазерной системы.
Хотя настоящее изобретение было описано в контексте раскрытого примера, многочисленные модификации и/или дополнения раскрытых выше вариантов осуществления будут очевидны специалисту в данной области техники без отступления от объема и сути прилагаемой формулы изобретения.