CN109014195B - 一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统及其控制方法，安全控制系统中，急停按钮、重启按钮、手套箱安全传感器、安全门开关、驱动器和变频器EDM端、安全继电器和接触器监视触点接入安全输入模块，安全继电器线圈接入安全输出模块，驱动器和变频器STO端、加热基板接触器线圈以及激光器安全回路接入安全继电器触点，铺粉轴接触器和成型缸接触器接入相应驱动器报警端，铺粉轴和成型缸正负限位开关经过安全栅接入PLC输入端，信号灯、蜂鸣器以及安全门开关螺线管接入PLC输出端。所述安全控制方法包括急停按钮监视、安全门开关监视、手套箱安全传感器监视以及限位开关触发处理。本发明采用的方案对SLM设备存在的主要安全风险进行了防护。

Description

一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统及其控制方法
技术领域
本发明属于金属3D打印领域，具体涉及一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统及其控制方法。
技术背景
激光选区熔化技术(SLM)具有小批量、个性化等优点，非常适合具有复杂形状结构的金属零件，SLM能够直接制造致密度、尺寸精度和力学性能良好的金属零件，成为当今增材制造领域的研究热点。SLM设备作为实现激光选区熔化成型的主体，集激光、电气、机械、加热等装置于一体，因而存在很多安全风险，主要包括以下几个方面：
1)激光照射造成人员眼睛和皮肤的伤害；
2)驱动器、变频器、鼓风机、真空泵等使用交流220V电压，因此存在人员触电的风险；
3)SLM设备成型缸上安装有加热基板，最高温度可达200度，存在人员烫伤的风险；
4)成型腔体内部在打印的过程中会存在大量的可燃性粉尘，如果粉尘与氧气混合成合适的比例，点燃时将发生巨大的爆炸；金属粉尘扩散到空气中，被人员吸入会对身体健康造成不利影响；
5)SLM设备存在铺粉碾压的风险，刮刀高速运行时一旦失控，会对人员造成冲撞的危险；另外，成型腔体还存在真空、高压等危险情况。
从以上分析可知，SLM设备存在多方面的危险，一旦人员误操作或者设备发生故障很容易造成人员伤亡和财产损失。为了避免发生危险，实际中主要采用以下几个措施：
1)采取本质安全设计措施，即通过适当选择设备的设计特性或暴露人员与设备的交互作用来消除或者减少风险；
2)采取安全防护及补充保护措施，采用防护装置和保护装置来保障人员的安全，此外还可能要采用包括附加设备(如急停设备)在内的补充保护措施；
3)如果采用了上述两种措施后设备仍旧存在剩余风险，这时就需要通过视觉信号(如闪光灯)、听觉信号(如报警器)或者标志符号来明确剩余风险。
针对SLM设备的安全性需求，结合上述措施提出一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统及其控制方法，以期保证人员和设备的安全。
发明内容
本发明解决的主要技术问题是提供一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统及其控制方法，避免了人员误操作和设备发生故障时造成人员伤亡或者设备损坏，解决了SLM设备的安全性问题。
为了解决上述问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统，包括急停按钮、重启按钮、安全门开关、安全传感器、安全输入模块、安全逻辑模块、安全输出模块、安全继电器、安全栅、铺粉轴驱动器、成型缸驱动器、变频器、激光器、铺粉轴接触器、成型缸接触器、加热基板接触器、铺粉轴正负限位开关、成型缸正负限位开关、可编程逻辑控制器(PLC)、24V开关电源、信号灯，其中，
所述急停按钮具有两个常闭触点，以两个平行冗余回路的形式接入安全输入模块，两个常闭触点都具有直接断开结构；
重启按钮为自复位式按钮，接入安全输入模块；
所述安全门开关采用机械锁定的方式，当安全门关闭时会自动锁定，只有当安全门开关螺线管通电时，安全门才能被打开；安全门开关为两个触点串联的正负动作组合模式，接入安全输入模块；
所述安全传感器安装在手套箱门处，采用磁感应原理，具有两个常闭触点，以两个平行冗余回路的形式接入安全输入模块；
所述安全逻辑模块是设备安全控制系统的核心，安全输入模块和安全输出模块均与安全逻辑模块进行通讯；
所述安全继电器线圈接入安全输出模块，安全继电器触点具有强制导向结构；
所述铺粉轴驱动器、成型缸驱动器和变频器安全转矩关闭端接入安全继电器触点；铺粉轴驱动器和成型缸驱动器报警输出端分别串联继电器线圈，相应的继电器触点再分别串联铺粉轴接触器和成型缸接触器；
所述激光器安全回路接入安全继电器触点；
所述加热基板接触器线圈串联到安全继电器触点上；
所述铺粉轴正负限位开关和成型缸正负限位开关接入安全栅，然后再由安全栅接入PLC；
所述信号灯与PLC连接，通过开关电源控制；
铺粉轴驱动器、成型缸驱动器以及变频器的EDM(External Device Monitor)端，加上安全继电器监视触点和加热基板接触器监视触点均接入安全输入模块。
本发明采用的另一个技术方案是：提供一种用于激光选区熔化设备的安全控制方法，包括急停按钮监视、安全门开关监视、安全传感器监视、限位开关触发处理，其中，
当急停按钮被按下时，铺粉轴驱动器、成型缸驱动器和变频器的功率电路被关闭，实现伺服电机和鼓风机的0类停机，同时铺粉轴接触器、成型缸接触器、加热基板接触器、激光器安全回路被切断，基板加热停止，激光器立刻停止出光，信号灯变为红色闪烁状态，蜂鸣器发出报警声；另外，急停按钮手动复位后设备仍旧存在报警信息，直到操作人员确认安全后按下重启按钮；
在安全门开关关闭和锁定前，激光器和基板加热功能不能开启，铺粉轴和成型缸不能运动；在安全门开关关闭好锁定后，打印过程才可以开始。安全门开关本身的关闭和锁定不会开启打印过程；在打印过程中以及打印完成但基板未冷却到安全温度时，安全门应当保持关闭和锁定的状态；另外，安全门关闭和锁定后设备仍旧存在报警信息，直至操作人员确认安全后按下重启按钮；
在手套箱门关闭前，激光器和基板加热功能不能开启，刮刀和成型缸不能运动；在打印的过程中，如果打开手套箱门，则立即发出停机指令，激光器关闭、基板停止加热、铺粉轴和成型缸停止运动；在手套箱门关闭后，打印过程可以开始，但是手套箱门本身的关闭不应启动打印过程；另外，手套箱门关闭后设备仍旧存在报警信息，直至操作人员确认安全后按下重启按钮；
当铺粉轴限位开关和成型缸限位开关被触发后，伺服电机立刻反向运动直至限位开关复位才停止。
本发明所构思的技术方案从急停系统、安全门系统、手套箱门系统以及限位开关几个方面对SLM设备存在的主要安全风险进行了防护，最大限度地避免了人员误操作和设备故障所造成的危险，使设备安全等级最大能够达到国家相关标准中3级安全标准的要求。
附图说明
图1是本发明实施例的激光选区熔化设备示意图。
图2是本发明实施例的安全控制系统示意图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图以及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
参照图1和图2，一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统，包括急停按钮1、重启按钮2、安全门开关3、安全传感器4、安全输入模块5、安全逻辑模块6、安全输出模块7、安全继电器8、安全栅9、铺粉轴驱动器10、成型缸驱动器11、变频器、激光器、铺粉轴接触器14、成型缸接触器15、加热基板接触器16、铺粉轴正负限位开关17、成型缸正负限位开关18、可编程逻辑控制器(PLC)19、24V开关电源、信号灯20，其中，
所述急停按钮1具有两个常闭触点，以两个平行冗余回路的形式接入安全输入模块5，两个常闭触点都具有直接断开结构；
重启按钮2为自复位式按钮，接入安全输入模块5；
所述安全门开关3采用机械锁定的方式，当安全门25关闭时会自动锁定，只有当安全门开关螺线管通电时，安全门25才能被打开；安全门开关3为两个触点串联的正负动作组合模式，接入安全输入模块5；安全门25螺线管接入可编程逻辑控制器(PLC)19；
所述安全传感器4安装在手套箱门26处，采用磁感应原理，具有两个常闭触点，以两个平行冗余回路的形式接入安全输入模块；
所述安全逻辑模块6是设备安全控制系统的核心，安全输入模块5和安全输出模块7均与安全逻辑模块进行通讯；
所述安全继电器8线圈接入安全输出模块7，安全继电器8触点具有强制导向结构；
所述铺粉轴驱动器10、成型缸驱动器11和变频器安全转矩关闭端接入安全继电器触点；铺粉轴驱动器10和成型缸驱动器11报警输出端分别串联继电器线圈，相应的继电器触点再分别串联铺粉轴接触器14和成型缸接触器15；
所述激光器安全回路接入安全继电器8触点；
所述加热基板接触器16线圈串联到安全继电器8触点上，加热基板电源由两个接触器串联控制；
所述铺粉轴正负限位开关和成型缸正负限位开关接入安全栅，然后再由安全栅接入可编程逻辑控制器(PLC)19；
所述信号20灯与可编程逻辑控制器(PLC)19连接；
铺粉轴驱动器10、成型缸驱动器以11及变频器EDM(External Device Monitor)端，加上安全继电器8监视触点和加热基板接触器16监视触点均接入安全输入模块5；
铺粉轴驱动器10、成型缸驱动器11和变频器安全转矩关闭端，以及激光器安全回路29、加热基板接触器16线圈均由两个不同安全继电器上的触点串联起来控制。
本发明采用的另一个技术方案是：提供一种基于上述用于激光选区熔化设备的安全控制方法，包括急停按钮监视、安全门开关监视、安全传感器监视、限位开关触发处理，其中，
当急停按钮被按下时，铺粉轴驱动器10、成型缸驱动器11和变频器的功率电路被关闭，实现伺服电机和鼓风机的0类停机，同时铺粉轴接触器14、成型缸接触器15、加热基板接触器16、激光器安全回路29被切断，基板加热停止，激光器立刻停止出光，信号灯20变为红色闪烁状态，蜂鸣器发出报警声；另外，急停按钮手动复位后设备仍旧存在报警信息，直到操作人员确认安全后按下重启按钮；
在安全门开关关闭和锁定前，激光器和基板加热功能不能开启，铺粉轴和成型缸不能运动；在安全门开关关闭好锁定后，打印过程才可以开始。安全门开关本身的关闭和锁定不会开启打印过程；在打印过程中以及打印完成但基板未冷却到安全温度时，安全门应当保持关闭和锁定的状态；另外，安全门关闭和锁定后设备仍旧存在报警信息，直至操作人员确认安全后按下重启按钮；
在手套箱门关闭前，激光器和基板加热功能不能开启，刮刀和成型缸不能运动；在打印的过程中，如果打开手套箱门，则立即发出停机指令，激光器关闭、基板停止加热、铺粉轴和成型缸停止运动；在手套箱门关闭后，打印过程可以开始，但是手套箱门本身的关闭不应启动打印过程；另外，手套箱门关闭后设备仍旧存在报警信息，直至操作人员确认安全后按下重启按钮；
当铺粉轴限位开关和成型缸限位开关被触发后，伺服电机立刻反向运动直至限位开关复位才停止。
当按下重启按钮后，如果安全继电器和接触器触点发生粘连，或者驱动器和变频器STO端28发生故障，设备重启将无法完成，这能够提醒操作人员去排查故障。
综上所述，本发明所采用的技术方案能够有效避免人员误操作和设备故障所造成的危险。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡是在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于激光选区熔化设备的安全控制系统，其特征在于，包括急停按钮、重启按钮、安全门开关、安全传感器、安全输入模块、安全逻辑模块、安全输出模块、安全继电器、安全栅、铺粉轴驱动器、成型缸驱动器、变频器、激光器、铺粉轴接触器、成型缸接触器、加热基板接触器、铺粉轴正负限位开关、成型缸正负限位开关、PLC、开关电源、信号灯，其中，所述急停按钮具有两个常闭触点，以两个平行冗余回路的形式接入安全输入模块，两个常闭触点都具有直接断开结构；重启按钮为自复位式按钮，接入安全输入模块；所述安全门开关采用机械锁定的方式，当安全门关闭时会自动锁定，只有当安全门开关螺线管通电时，安全门才能被打开；安全门开关为两个触点串联的正负动作组合模式，接入安全输入模块；所述安全传感器安装在手套箱门处，采用磁感应原理，具有两个常闭触点，以两个平行冗余回路的形式接入安全输入模块；所述安全逻辑模块是设备安全控制系统的核心，安全输入模块和安全输出模块均与安全逻辑模块进行通讯；所述安全继电器线圈接入安全输出模块，安全继电器触点具有强制导向结构；所述铺粉轴驱动器、成型缸驱动器和变频器安全转矩关闭端接入安全继电器触点；铺粉轴驱动器和成型缸驱动器报警输出端分别串联继电器线圈，相应的继电器触点再分别串联铺粉轴接触器和成型缸接触器；所述激光器安全回路接入安全继电器触点；所述加热基板接触器线圈串联到安全继电器触点上；所述铺粉轴正负限位开关和成型缸正负限位开关接入安全栅，然后再由安全栅接入PLC；所述信号灯与PLC连接，通过开关电源控制；铺粉轴驱动器、成型缸驱动器以及变频器的EDM端，加上安全继电器监视触点和加热基板接触器监视触点均接入安全输入模块。
2.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化设备的安全控制系统，其特征在于，所述安全门开关螺线管接入PLC。
3.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化设备的安全控制系统，其特征在于，所述加热基板电源由两个接触器串联控制。
4.根据权利要求1所述的用于激光选区熔化设备的安全控制系统，其特征在于，所述铺粉轴驱动器、成型缸驱动器和变频器安全转矩关闭端，以及激光器安全回路、加热基板接触器线圈均由两个不同安全继电器上的触点串联起来控制。
5.一种基于权利要求1-4中任意一项用于激光选区熔化设备的安全控制系统的控制方法，其特征在于，包括急停按钮监视、安全门开关监视、安全传感器监视、限位开关触发处理；其中，当急停按钮被按下时，铺粉轴驱动器、成型缸驱动器和变频器的功率电路被关闭，实现伺服电机和鼓风机的0类停机，同时铺粉轴接触器、成型缸接触器、加热基板接触器、激光器安全回路被切断，基板加热停止，激光器立刻停止出光，信号灯变为红色闪烁状态，蜂鸣器发出报警声；另外，急停按钮手动复位后设备仍旧存在报警信息，直到操作人员确认安全后按下重启按钮；在安全门开关关闭和锁定前，激光器和基板加热功能不能开启，铺粉轴和成型缸不能运动；在安全门开关关闭好锁定后，打印过程开始；安全门开关本身的关闭和锁定不会开启打印过程；在打印过程中以及打印完成但基板未冷却到安全温度时，安全门保持关闭和锁定的状态；另外，安全门关闭和锁定后设备仍旧存在报警信息，直至操作人员确认安全后按下重启按钮；在手套箱门关闭前，激光器和基板加热功能不能开启，刮刀和成型缸不能运动；在打印的过程中，如果打开手套箱门，则立即发出停机指令，激光器关闭、基板停止加热、铺粉轴和成型缸停止运动；在手套箱门关闭后，打印过程开始，但是手套箱门本身的关闭不启动打印过程；另外，手套箱门关闭后设备仍旧存在报警信息，直至操作人员确认安全后按下重启按钮；当铺粉轴限位开关和成型缸限位开关被触发后，伺服电机立刻反向运动直至限位开关复位才停止。
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