CN109940289B - 一种具有速度安全监控的3d激光切割系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有速度安全监控的3D激光切割系统，包括安全门锁、数控系统、驱动器、安全控制器、接触器、编码电机；安全控制器与安全门锁通信连接，安全控制器还与接触器的控制端连接，接触器的输入输出端分别与电源和驱动器连接；安全控制器包括门锁检测模块、速度检测模块和控制模块，控制模块连接至接触器的控制端，门锁检测模块根据安全门锁的锁定状态发送控制信息给控制模块，控制模块对应控制信息控制接触器导通与断开，速度检测模块根据编码电机的速度发送控制信息给控制模块，控制模块根据对应的控制信息控制接触器导通与断开。本发明能够能够提升用户在使用时的安全性，确保用户使用3D激光切割系统时的人身安全。

Description

一种具有速度安全监控的3D激光切割系统

技术领域

本发明涉及激光切割技术领域，具体为一种具有速度安全监控的3D激光切割系统。

背景技术

激光加工是利用光的能量经过透镜聚焦后在焦点上达到很高的能量密度，靠光热效应来加工的，激光加工不需要工具、加工速度快、表面变形小，可加工各种材料，用激光束对材料进行各种加工，如打孔、切割、划片、焊接、热处理等。

在以往2D激光切割的运用场合，一般采用外围封闭试保证操作者的安全，当机械的安全门被打开时，切断伺服驱动器的电源保证安全。但当发展到3D激光切割时传统的安全方式已经不能满足需求。存在2种情况：

a.使用机械安全门时不容易观察3D切割的轨迹模拟，

b.不使用机械安全门时有不能保证操作者的安全。

由于上述的缺陷，导致现有的3D激光切割系统安全性仍然不足，并且现有的3D激光切割系统的设备规格大，一旦有安全问题，造成的伤害是难以估量的，因此确保3D激光切割系统的安全性具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有速度安全监控的3D激光切割系统，能够提升用户在使用时的安全性，确保用户使用3D激光切割系统时的人身安全。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种具有速度安全监控的3D激光切割系统，包括安全门锁、数控系统、驱动器、安全控制器、接触器、编码电机；所述驱动器与编码电机连接，以控制编码电机转动并获取编码电机的实际转速，所述驱动器还与数控系统通信连接，以获取数控指令及反馈主控信息给数控系统；所述安全控制器与安全门锁通信连接，以获取安全门锁的锁定状态，所述安全控制器还与接触器的控制端连接，以控制接触器导通或断开，所述接触器的输入输出端分别与电源和驱动器连接；所述安全控制器包括门锁检测模块、速度检测模块和控制模块，所述门锁检测模块和速度检测模块均连接至控制模块，所述控制模块连接至接触器的控制端，所述门锁检测模块与安全门锁通信连接，所述门锁检测模块根据安全门锁的锁定状态发送控制信息给控制模块，控制模块根据对应的控制信息控制接触器导通与断开，所述速度检测模块与编码电机通信连接，以获取编码电机的实际转速，所述速度检测模块根据编码电机的速度发送控制信息给控制模块，控制模块根据对应的控制信息控制接触器导通与断开。

作为本发明的进一步改进，所述速度检测模块与数控系统通信连接，以获取设定转速；所述速度检测模块实时比对实际转速和设定转速，当实际转速与设定转速不匹配时，速度检测模块发送断开通电的控制信息给控制模块，控制模块控制接触器断开连接。

作为本发明的进一步改进，所述速度检测模块与数控系统通信连接，以获取设定转速；所述速度检测模块内设置有误差参数，当速度检测模块获得的实际转速超出设定转速与误差参数叠加的范围时，速度检测模块发送断开通电的控制信息给控制模块，控制模块控制接触器断开导通。

作为本发明的进一步改进，所述控制模块接收门锁检测模块和速度检测模块的控制信息并控制接触器导通与断开时，速度检测模块发送的控制信息优先级高于门锁检测模块，当速度检测模块和门锁检测模块同时发送对应断开通电的控制信息时，控制模块根据速度检测模块发送的控制信息断开接触器的导通。

作为本发明的进一步改进，所述数控系统包括用于启动自动切割的切割模式和用于调试切割轨道的轨迹模拟模式；当数控系统处于切割模式时，速度检测模块暂停接收编码电机的实际转速数据；当数控系统处于轨迹模拟模式时，门锁检测模块暂停检测安全门锁的锁定状态。

作为本发明的进一步改进，所述安全控制器内还设置有烟雾检测模块，以获取实际烟雾检测信息给控制模块，所述烟雾检测模块与控制模块连接，所述烟雾检测模块与数控系统通信连接，以获取数控系统中的烟雾参数，当实际烟雾检测信息与烟雾参数不匹配时，所述烟雾检测模块发送对应断开通电的控制信息给控制模块，控制模块控制接触器断开导通。

作为本发明的进一步改进，所述烟雾检测模块发送控制信息的优先级高于速度检测模块和门锁检测模块。

作为本发明的进一步改进，所述烟雾检测模块与速度检测模块和门锁检测模块之间均设置有MOS管，其中MOS管的栅极连接至烟雾检测模块，该栅极还连接有电阻R2后接到板内电源，所述MOS管的源极连接有电阻R1后连接至板内电源，其漏极连接至速度检测模块或门锁检测模块，当烟雾检测模块发送对应断开通电的控制信息给控制模块时，烟雾检测模块发送断电信号给MOS管，MOS管接收到断电信号后断开板内电源与速度检测模块或门锁检测模块之间的导通。

作为本发明的进一步改进，所述控制模块连接有电阻R3后连接至MOS管的漏极，以获取漏极的通电状态。

本发明的有益效果，在切割头运动轨迹的调试中，如果编码电机出现失控状态，例如用户已经停止对切割头移动的操作，但是切割头仍然在移动，或者用户控制切割头缓慢移动，但是切割头却快速移动，这种状况容易出现切割头失控造成移动超范围，容易碰撞到人体，此时对包围内的操作人员就容易造成伤害，同时也容易使切割头对其他部件造成碰撞，使设备收到损伤。本方案中设置的速度检测模块在用户进行切割头运动模拟时，实时检测编码电机的转速，并且通过该转速来与用户通过数控系统对编码电机进行操作时的设定转速进行比对，如果检测到编码电机当前的实际转速与设定转速不匹配时，速度检测模块就会发送断开通电的控制信息给控制模块，此时控制模块就会控制接触器断开连接，此时外部电源停止对驱动器进行供电，进而断开驱动器对编码电机转动的控制，由此避免编码电机的失控。另外，当用户通过数控系统让切割头进行自动切割时，用户离开包围并关上包围的门，门锁检测模块就会检测到安全门锁上锁的锁定状态，此时编码电机就会按照设定的转动方式进行转动，进而带动切割头按照设定的轨迹进行自动切割，当安全门锁被打开时，门锁检测模块就会检测到包围的门被打开，此时门锁检测模块就发送对应断开通电的控制信息给控制模块，此时控制模块控制接触器断开连接，进而让驱动器停止驱动编码电机转动，由此可以避免切割头在进行切割时，开门进入包围的人员被切割产生高温高热以及火花溅射造成伤害，通过本方案，用户在不同的操作过程中都会具备完善的保障，提高安全性，避免人员伤害和设备损坏。

附图说明

图1为本发明的电路框图；

图2为本发明的烟雾检测模块的电路连接结构示意图。

附图标号：1、安全门锁；2、数控系统；3、驱动器；4、安全控制器；41、门锁检测模块；42、烟雾检测模块；43、速度检测模块；44、控制模块；5、接触器；6、编码电机。

具体实施方式

下面将结合附图所给出的实施例对本发明做进一步的详述。

参照图1-2所示，本实施例的一种具有速度安全监控的3D激光切割系统，包括安全门锁1、数控系统2、驱动器3、安全控制器4、接触器5、编码电机6；驱动器3与编码电机6连接，以控制编码电机6转动并获取编码电机6的实际转速，驱动器3还与数控系统2通信连接，以获取数控指令及反馈主控信息给数控系统2；安全控制器4与安全门锁1通信连接，以获取安全门锁1的锁定状态，安全控制器4还与接触器5的控制端连接，以控制接触器5导通或断开，接触器5的输入输出端分别与电源和驱动器3连接；安全控制器4包括门锁检测模块41、速度检测模块43和控制模块44，门锁检测模块41和速度检测模块43均连接至控制模块44，控制模块44连接至接触器5的控制端，门锁检测模块41与安全门锁1通信连接，门锁检测模块41根据安全门锁1的锁定状态发送控制信息给控制模块44，控制模块44根据对应的控制信息控制接触器5导通与断开，速度检测模块43与编码电机6通信连接，以获取编码电机6的实际转速，速度检测模块43根据编码电机6的速度发送控制信息给控制模块44，控制模块44根据对应的控制信息控制接触器5导通与断开。

速度检测模块43与数控系统2通信连接，以获取设定转速；速度检测模块43实时比对实际转速和设定转速，当实际转速与设定转速不匹配时，速度检测模块43发送断开通电的控制信息给控制模块44，控制模块44控制接触器5断开连接。

首先需要说明的是，方案中提到的门锁检测模块41和速度检测模块43均为现有的集成模块，其中门锁检测模块41用于检测3D激光切割系统的门锁，当用户调试完毕之后离开3D激光切割系统的包围后，关闭包围的门并且上锁，此时门锁检测模块41检测到门上锁，其具体的可以采用磁力感应的现有检测模块；其中速度检测模块43为获取编码电机6反馈的编码信号并将该编码信号转换为转速的集成模块，该集成模块通过普通单片机即可实现。

在用户使用3D激光切割系统时，一般需要先对激光切割头的运动轨迹进行模拟规划，此时就需要不断的进行调试，但是人如果站在包围外进行调试，则大大增加了调试的困难，如果在包围内进行调试，现有的3D激光切割系统的安全性不够，容易给用户带来安全隐患。在本方案中，用户首先可以通过数控系统2设定转速，此后用户数控系统2让切割头模拟设定的轨迹进行运动，并查看切割头的运动轨迹是否符合设定的轨迹，在此过程中，如果编码电机6出现失控状态，例如用户已经停止对切割头移动的操作，但是切割头仍然在移动，或者用户控制切割头缓慢移动，但是切割头却快速移动，这种状况容易出现切割头失控造成移动超范围，容易碰撞到人体，此时对包围内的操作人员就容易造成伤害，同时也容易使切割头对其他部件造成碰撞，使设备收到损伤。本方案中设置的速度检测模块43在用户进行切割头运动模拟时，实时检测编码电机6的转速，并且通过该转速来与用户通过数控系统2对编码电机6进行操作时的设定转速进行比对，如果检测到编码电机6当前的实际转速与设定转速不匹配时，速度检测模块43就会发送断开通电的控制信息给控制模块44，此时控制模块44就会控制接触器5断开连接，此时外部电源停止对驱动器3进行供电，进而断开驱动器3对编码电机6转动的控制，由此避免编码电机6的失控。另外，当用户通过数控系统2让切割头进行自动切割时，用户离开包围并关上包围的门，门锁检测模块41就会检测到安全门锁1上锁的锁定状态，此时编码电机6就会按照设定的转动方式进行转动，进而带动切割头按照设定的轨迹进行自动切割，当安全门锁1被打开时，门锁检测模块41就会检测到包围的门被打开，此时门锁检测模块41就发送对应断开通电的控制信息给控制模块44，此时控制模块44控制接触器5断开连接，进而让驱动器3停止驱动编码电机6转动，由此可以避免切割头在进行切割时，开门进入包围的人员被切割产生高温高热以及火花溅射造成伤害，通过本方案，用户在不同的操作过程中都会具备完善的保障，提高安全性，避免人员伤害和设备损坏。

作为上述方案的优化采取的另一改进的实施方式，速度检测模块43与数控系统2通信连接，以获取设定转速；速度检测模块43内设置有误差参数，当速度检测模块43获得的实际转速超出设定转速与误差参数叠加的范围时，速度检测模块43发送断开通电的控制信息给控制模块44，控制模块44控制接触器5断开导通。

通过上述技术方案，设定的误差参数能够让设定转速与实际转速之间具备一定的误差范围，此时避免设备长期使用后本身的细微控制偏差或响应速度造成的干扰被当做工作异常而断开供电，避免因此印象到操作。另外该误差参数可以通过数控系统2进行输入，然后传递到速度检测模块43内。

作为进一步优化的实施例，控制模块44接收门锁检测模块41和速度检测模块43的控制信息并控制接触器5导通与断开时，速度检测模块43发送的控制信息优先级高于门锁检测模块41，当速度检测模块43和门锁检测模块41同时发送对应断开通电的控制信息时，控制模块44根据速度检测模块43发送的控制信息断开接触器5的导通。

通过上述技术方案，由于设备在实际应用中容易受到各种干扰，为了减小干扰带来的影响，对速度检测模块43与门锁检测模块41的优先级进行设置，通过将速度检测模块43的优先级设置为高于门锁检测模块41，此时优先判断速度检测模块43是否发送断开通电的控制信息给控制模块44，避免信号冲突造成判断干扰，提高控制的稳定性，进而为安全性提供保障。

作为更高稳定性的一种优化实施方式，数控系统2包括用于启动自动切割的切割模式和用于调试切割轨道的轨迹模拟模式；当数控系统2处于切割模式时，速度检测模块43暂停接收编码电机6的实际转速数据；当数控系统2处于轨迹模拟模式时，门锁检测模块41暂停检测安全门锁1的锁定状态。

通过上述技术方案，用户需要对切割头的运动轨迹进行模拟时，可以通过数控系统2选择进入轨迹模拟模式，此时控制模块44发送暂停检测信号给门锁检测模块41，门锁检测模块41接收到暂停检测信号后暂停对安全门锁1的锁定状态的检测，此时只有速度检测模块43进行检测，进一步提高判断的稳定性，由于在轨迹模拟模式下不需要进行实际切割操作，所以不需要离开包围的门，此时暂停安全门锁1的判断仍旧可以保证安全性；另外，在用户需要进行自动切割时，通过数控系统2选择进入切割模式，此时只有门锁检测模块41进行检测，暂停速度检测模块43检测，此时用户需要离开包围的门，并且关上包围的门，让安全门锁1进入锁定状态，然后门锁检测模块41检测到安全门锁1锁定时，此时门锁检测模块41发送可通电的控制信息给控制模块44，控制模块44控制接触器5导通；如果门锁检测模块41检测到安全门锁1处于解锁状态，意味着包围的门没关上，此时门锁检测模块41发送断电的控制信息给控制模块44，控制模块44控制接触器5断开通电，通过上述方式，用户只要一打开门，接触器5就会断开通电，进而停止对驱动器3的供电，以确保安全性，同时能够提高判断的稳定性。

作为改进的一具体实施方式，安全控制器4内还设置有烟雾检测模块42，以获取实际烟雾检测信息给控制模块44，烟雾检测模块42与控制模块44连接，烟雾检测模块42与数控系统2通信连接，以获取数控系统2中的烟雾参数，当实际烟雾检测信息与烟雾参数不匹配时，烟雾检测模块42发送对应断开通电的控制信息给控制模块44，控制模块44控制接触器5断开导通。

烟雾检测模块42可以采用现有的气敏传感器结合单片机构成的集成电路模块。通过该模块可以对控制中的烟雾和气体进行检测。

由于在切割头进行切割模式时，用户离开包围，并且内部运作状态较难观察，其内部设置烟雾检测模块42，通过检测是否有烟雾产生或者获取的实际烟雾检测信息是否符合设定的烟雾参数，当设备工作异常产生对应的烟雾时，例如烟雾检测模块42检测到设备过载导致发热产生的烟雾时，烟雾检测模块42就会发送对应断开通电的控制信息给控制模块44，控制模块44控制接触器5断开通电，用户可以通过数控系统2设定对应的烟雾参数，并传输给烟雾检测模块42，烟雾检测模块42将检测到的实际烟雾检测信息与烟雾参数进行比对，当实际烟雾检测信息与烟雾参数不匹配时，烟雾检测模块42就发送对应断开通电的控制信息给控制模块44。用户可以根据需要通过数控系统2加入不同的烟雾参数，以满足当前操作的需要，进而达到进一步提高安全性的效果。

作为上述方案优化的实施方式，烟雾检测模块42发送控制信息的优先级高于速度检测模块43和门锁检测模块41。

通过上述技术方案，烟雾检测模块42发送对应断开通电的控制信息时，意味着设备工作异常或者设备着火等发出烟雾的情况，该情况下需要紧急断电，断开切割头的控制，同时断开激光放射等。并且在设备工作异常或者设备着火时，并不一定影响编码电机6的转动和安全门锁1的检测，此时在不注意的情况下就会造成严重损失，配合烟雾检测模块42设置的优先级，还能够提高信号接收的稳定性，避免信号冲突，导致判断不准确，进而导致安全的保障性不稳定。

作为进一步的实施方式，烟雾检测模块42与速度检测模块43和门锁检测模块41之间均设置有MOS管，其中MOS管的栅极连接至烟雾检测模块42，该栅极还连接有电阻R2后接到板内电源，MOS管的源极连接有电阻R1后连接至板内电源，其漏极连接至速度检测模块43或门锁检测模块41，当烟雾检测模块42发送对应断开通电的控制信息给控制模块44时，烟雾检测模块42发送断电信号给MOS管，MOS管接收到断电信号后断开板内电源与速度检测模块43或门锁检测模块41之间的导通。

通过上述技术方案，当烟雾检测模块42检测发送对应断电的控制信息给控制模块44时，烟雾检测模块42还发送断电控制信号给MOS管的栅极，此时MOS管断开，停止板内电源对速度检测模块43的供电，进而直接达到终端速度检测模块43检测编码电机6转速的目的，避免速度检测模块43发送控制信息给控制模块44造成干扰而影响烟雾检测模块42判断准确性。在烟雾检测模块42发送断电控制信号给MOS管时，该断电控制信号还通过电阻R2上拉，提高信号强度，提高对MOS管控制的稳定性，另外通过电阻R1的设置，在板内电源对速度检测模块43进行供电时进行限流，避免速度检测模块43接收到的板内电源的电流过大而造成电路损伤。由本方案可以直接避免门锁检测模块41和速度检测模块43对烟雾检测模块42检测到烟雾参数外的烟雾的干扰，能够大大增加抗干扰性，可以让紧急状态下的电路工作更加稳定。

另外需要解释的是，在设备通电后，烟雾检测模块42没有检测到对应的烟雾，此时烟雾检测模块42不发送断电控制信号给MOS管，此时由于电阻R2的上拉作用，MOS管栅极的电压会处于高电平，此时MOS管就会导通，进而对速度检测模块43或门锁检测模块41进行供电。

作为优化，控制模块44连接有电阻R3后连接至MOS管的漏极，以获取漏极的通电状态。

通过上述技术方案，在设备刚上电时，速度检测模块43和门锁检测模块41通电，此时MOS管漏极的电压通过电阻R3后传递给控制模块44，此时控制模块44对MOS管漏极的电压进行判断，进而通过控制模块44检测速度检测模块43和门锁检测模块41是否正常上电，同时也能在烟雾检测模块42控制MOS管断电后检测速度检测模块43和门锁检测模块41是否成功断电。由此能够提高电路的监测性，以保证电路的正常工作。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，包括安全门锁(1)、数控系统(2)、驱动器(3)、安全控制器(4)、接触器(5)、编码电机(6)；所述驱动器(3)与编码电机(6)连接，以控制编码电机(6)转动并获取编码电机(6)的实际转速，所述驱动器(3)还与数控系统(2)通信连接，以获取数控指令及反馈主控信息给数控系统(2)；所述安全控制器(4)与安全门锁(1)通信连接，以获取安全门锁(1)的锁定状态，所述安全控制器(4)还与接触器(5)的控制端连接，以控制接触器(5)导通或断开，所述接触器(5)的输入输出端分别与电源和驱动器(3)连接；所述安全控制器(4)包括门锁检测模块(41)、速度检测模块(43)和控制模块(44)，所述门锁检测模块(41)和速度检测模块(43)均连接至控制模块(44)，所述控制模块(44)连接至接触器(5)的控制端，所述门锁检测模块(41)与安全门锁(1)通信连接，所述门锁检测模块(41)根据安全门锁(1)的锁定状态发送控制信息给控制模块(44)，控制模块(44)根据对应的控制信息控制接触器(5)导通与断开，所述速度检测模块(43)与编码电机(6)通信连接，以获取编码电机(6)的实际转速，所述速度检测模块(43)根据编码电机(6)的速度发送控制信息给控制模块(44)，控制模块(44)根据对应的控制信息控制接触器(5)导通与断开。

2.根据权利要求1所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述速度检测模块(43)与数控系统(2)通信连接，以获取设定转速；所述速度检测模块(43)实时比对实际转速和设定转速，当实际转速与设定转速不匹配时，速度检测模块(43)发送断开通电的控制信息给控制模块(44)，控制模块(44)控制接触器(5)断开连接。

3.根据权利要求1所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述速度检测模块(43)与数控系统(2)通信连接，以获取设定转速；所述速度检测模块(43)内设置有误差参数，当速度检测模块(43)获得的实际转速超出设定转速与误差参数叠加的范围时，速度检测模块(43)发送断开通电的控制信息给控制模块(44)，控制模块(44)控制接触器(5)断开导通。

4.根据权利要求1所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述控制模块(44)接收门锁检测模块(41)和速度检测模块(43)的控制信息并控制接触器(5)导通与断开时，速度检测模块(43)发送的控制信息优先级高于门锁检测模块(41)，当速度检测模块(43)和门锁检测模块(41)同时发送对应断开通电的控制信息时，控制模块(44)根据速度检测模块(43)发送的控制信息断开接触器(5)的导通。

5.根据权利要求2所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述数控系统(2)包括用于启动自动切割的切割模式和用于调试切割轨道的轨迹模拟模式；当数控系统(2)处于切割模式时，速度检测模块(43)暂停接收编码电机(6)的实际转速数据；当数控系统(2)处于轨迹模拟模式时，门锁检测模块(41)暂停检测安全门锁(1)的锁定状态。

6.根据权利要求5所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述安全控制器(4)内还设置有烟雾检测模块(42)，以获取实际烟雾检测信息给控制模块(44)，所述烟雾检测模块(42)与控制模块(44)连接，所述烟雾检测模块(42)与数控系统(2)通信连接，以获取数控系统(2)中的烟雾参数，当实际烟雾检测信息与烟雾参数不匹配时，所述烟雾检测模块(42)发送对应断开通电的控制信息给控制模块(44)，控制模块(44)控制接触器(5)断开导通。

7.根据权利要求6所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述烟雾检测模块(42)发送控制信息的优先级高于速度检测模块(43)和门锁检测模块(41)。

8.根据权利要求6所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述烟雾检测模块(42)与速度检测模块(43)和门锁检测模块(41)之间均设置有MOS管，其中MOS管的栅极连接至烟雾检测模块(42)，该栅极还连接有电阻R2后接到板内电源，所述MOS管的源极连接有电阻R1后连接至板内电源，其漏极连接至速度检测模块(43)或门锁检测模块(41)，当烟雾检测模块(42)发送对应断开通电的控制信息给控制模块(44)时，烟雾检测模块(42)发送断电信号给MOS管，MOS管接收到断电信号后断开板内电源与速度检测模块(43)或门锁检测模块(41)之间的导通。

9.根据权利要求8所述的具有速度安全监控的3D激光切割系统，其特征在于，所述控制模块(44)连接有电阻R3后连接至MOS管的漏极，以获取漏极的通电状态。

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