CN111133389A - 确保电动机器的安全关键功能的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于确保激光雕刻机的安全关键功能的方法，所述方法包括：从激光电机控制器获取命令；从多个传感器获取传感器数据，所述传感器数据与激光雕刻机的各个组件的操作状态相对应；确定每个组件的运转状态；作为确定所有组件的运转状态的结果，使电力供应到激光器，其中，所述方法由实施在与实施激光电机控制器的硬件完全分离的硬件中的安全控制器执行。一个示例要求运转状态为开机按钮已被快速连续选择两次。

Description

确保电动机器的安全关键功能的方法

技术领域

本发明总体涉及确保电动工具或机器、例如，激光雕刻机的安全关键功能的方法。

背景技术

激光雕刻机是利用高压电源和激光对各种材料执行各种功能的装置。例如，激光雕刻机的激光可被操作以对材料进行切割、蚀刻、漂白、固化和/或燃烧。激光雕刻工艺包括对选定的材料执行这些不同的功能，并由提供描述如何执行这些不同功能的规范的数字文件控制。指定设计的数字文件由用户提供并被传送到激光雕刻机，激光雕刻机将数字文件转换为用于激光雕刻机的各种组件的控制命令。

许多激光雕刻机通过建造保持架(build cage)来防止外部影响。可通过盖和/或开口进入建造保持架的内部。激光雕刻机通常包括：激光电源；在建造保持架内的至少一个激光器、构建平台和导轨系统；以及用于操纵所述至少一个激光器的至少一个电机。

发明内容

本发明的示例实施例提供用于确保激光雕刻机的安全关键功能的方法和系统。

由于与燃烧和切割材料有关的固有危险，激光雕刻机给用户带来极大的安全隐患。例如，当操作激光时，激光雕刻机可能导致材料起火，和/或当激光器操作时，雕刻工艺可能导致由于燃烧和/或切割材料而产生的有毒的烟雾或烟。此外，由于激光雕刻机的激光器的电压要求，相对高的电压经由激光电源被提供到激光器。在这个水平上提供电压造成发生电压电弧的风险，这除了对激光雕刻机本身造成损坏外，还可能对用户造成严重伤害。

因此，在激活激光器之前，期望确保激光雕刻装置的所有安全组件正常运转。为了进行此确定并在激光器的操作期间监测安全组件，将执行安全分析的硬件和/或软件与激光雕刻机的其余部分隔离开是有利的。例如，将安全分析和功能监测与激光控制软件(即，激光电机控制、输入/输出控制等)进行隔离和分离的优点包括：对激光控制软件的任何软件更新都不会导致对隔离的安全分析软件的更改，这可能折中安全功能的完整性。此外，安全分析软件的开发能够以集中方式完成，以确保和验证安全关键功能的设计意图。此外，可在无需审查不执行安全分析的硬件和软件的情况下，审查执行安全分析的硬件和软件来进行认证(例如，UL认证)。

因此，根据本发明，控制激光器的控制器是通过硬接线编程和/或使用软件编程的硬件组件，根据所述软件，控制器根据例如从操作计算机的用户接收到的指令操作激光器，其中，完全分离的安全控制器由硬件或硬件和软件的组合构成，其硬件、或如果加之与软件一起构成则其硬件和软件与控制激光器的控制器的硬件/软件和激光雕刻机的任何其他硬件/软件完全分开。例如，在一个示例实施例中，安全控制器在与激光控制器所在的芯片和/或电路板不同的芯片和/或电路板中实施，其具有与激光控制器所使用的或形成激光控制器的部分的存储器装置不同的存储器装置。在一个示例中，安全控制器从激光控制控制器接收指示待通过激光器的控制来执行的工作已就绪的信号，并且从传感器和/或电源按钮接收指示所有安全条件(例如，盖子是关闭的)针对待执行的激光器工作已满足的信号。响应于工作就绪信号结合对满足所有安全条件的确定，安全控制器输出启用信号，所述启用信号触发电源来以足够的电力对激光器供电以使其在激光控制器的控制下执行所述工作。仅当激光器在安全控制器的控制下被提供足够的电力时，激光控制器才能控制激光器执行所述工作。

根据本发明的一个示例实施例，一种安全关键微控制器，所述安全关键微控制器包括：处理器，其被配置为能够：从激光电机控制器获取命令；从一个或两个以上传感器中的每个获取传感器数据，各个传感器中的每个的传感器数据与激光雕刻机装置的相应组件的操作状态相对应；基于传感器数据来确定激光雕刻机装置的各个组件中的每个的状态；基于针对全部的所述一个或两个以上传感器的确定的状态，将上电命令发送到激光电源开关，上电命令被配置为能够启动电力从电源向激光器的流动。获取传感器数据所针对的和发出命令所基于的组件的示例的一个非穷尽列举包括风扇、空气源、水源、盖、开始按钮和激光电源。开机按钮可以是硬件组件或例如触摸屏显示装置的软键。

在一个示例实施例中，安全关键微控制器的处理器被配置为能够：作为从激光电机控制器获取命令的结果，监测指示激光雕刻机的开始按钮已被连续、例如快速连续激活两次、如双击的确认信号。要求按钮的双击帮助确保雕刻机不以不安全方式或条件被误启动。在一个示例实施例中，激光雕刻机被配置为能够在激光雕刻机的显示装置上显示双击开始按钮的指示。

在一个示例中，开始按钮的单击或单按不触发其自身的任何功能的执行，而是仅在双击或双按的情况下激光器才能够被触发来操作。

在一个示例实施例中，激光器具有单一电源，从单一电源向激光器供电仅由安全关键微控制器控制。在另一示例实施例中，激光器包括用于给激光雕刻机的不涉及激光束发射的组件供电的第一电源和用于给激光束供电的第二专用电源，其中，安全关键微控制器由第一电源供电并控制第二电源(和/或第二电源与激光束产生组件的连接结构)的开启。

在一个示例实施例中，安全关键微控制器物理地且操作地与激光雕刻机的所有其他组件分离和不同，以便安全关键微控制器能够独立于激光雕刻机的所有其他组件操作。

在一个示例实施例中，处理器还被配置为能够将激光雕刻机的每个被监测组件的状态发送到显示装置用于显示。

在一个示例实施例中，处理器还被配置为能够：确定激光雕刻机的激光器被激活；作为确定激光器被激活的结果，从多个传感器获取故障数据，所述故障数据与传感器故障相对应；作为获取故障数据的结果，对激光电源的供电进行去激活。

根据本发明的一个示例实施例，一种激光雕刻机装置包括：用于感测激光雕刻机装置的相应组件的操作状态的传感器、例如多个传感器；至少一个激光器；激光电机控制器，其用于控制所述至少一个激光器；激光电源，包括激光电源开关，其中，激光电源被配置为能够向激光器供电；安全关键微控制器；用于向激光电源、激光电机控制器和安全关键微控制器供电的电源。在一个示例实施例中，安全关键微控制器被配置为能够：从激光电机控制器获取命令；获取各个组件的操作状态；基于操作状态确定激光雕刻机装置的各个组件中的每个的运转状态；作为针对所述多个传感器的全部确定运转状态的结果，将上电命令发送到激光电源开关，上电命令被配置为能够启动电力从电源向激光器的流动。

在下面结合特定示例性实施例并参照附图详细描述本发明的这些和其他特征、方面和优点，贯穿附图，相同的符号表示相同的部件。然而，详细描述和附图仅描述和说明本发明的特定示例实施例，因此不被视为限制其范围，因为本发明可以包含其他同等有效的实施例。

附图说明

图1是根据本发明的一个示例实施例的激光雕刻机的示意图。

图2是根据本发明的一个示例实施例的确保激光雕刻机的安全关键功能的方法的流程图。

图3是根据本发明的另一示例实施例的确保激光雕刻机的安全关键功能的方法的流程图。

具体实施方式

图1示出激光雕刻机100。在一个示例实施例中，激光雕刻机100包括各种传感器。例如，在一个示例实施例中，激光雕刻机100包括：风扇传感器101，其被配置为能够感测风扇105的操作状态；空气传感器102，其被配置为能够感测空气源106的操作状态；水传感器103，其被配置为能够感测水源107的操作状态；以及盖传感器104，其被配置为能够感测盖108的位置(例如，盖是被打开还是关闭)。激光雕刻机100可包括各种其他传感器以监测其他组件。传感器101-104连接到安全关键微控制器(SCM：safety criticalmicrocontroller)109，以便SCM 109能够向传感器101-104发送/从传感器101-104接收传感器数据。SCM 109还能够向开始按钮124和激光电源113发送/从开始按钮124和激光电源113接收传感器数据。在一个示例中，开始按钮124被配置为能够由用户按下/激活以启动激光器的操作。SCM 109能够经由有线连接或经由无线连接连接到上述组件。SCM 109包括控制SCM 109的操作的SCM软件110。在一个替代示例实施例中，用硬接线程序而不是用软件或除了软件之外使用硬接线程序来编程SCM。

例如，激光雕刻机100包括包含激光电机控制器软件117的激光电机控制器116。激光电机控制器软件117控制激光电机控制器116，并且能够向计算装置118发送和/或从计算装置118接收数据。激光电机控制器116连接到激光器115和SCM 109，并且能够控制激光器115。激光电机控制器116连接到SCM 109，以便信息能够在激光电机控制器116和SCM109之间传送。激光电机控制器116能够经由有线或无线连接而连接到上述组件。计算装置118可包括用户接口119，用户能够通过用户接口119输入数据。激光电机控制器116可连接到激光雕刻机100的附加显示装置123。

例如，显示装置123可以是允许用户容易地与激光雕刻机交互的触摸屏接口。触摸屏接口可包括：触摸传感器面板，触摸传感器面板可以是具有触敏表面的透明面板；显示装置，其可位于面板后面，以便触敏表面基本上覆盖显示装置的可视区域；以及计算机处理器，其用于解释来自触敏表面的信号。触摸屏接口允许用户通过在由显示装置显示的用户界面所支配的位置使用手指、触控笔或其他物体触摸触摸传感器面板来向激光雕刻机提供各种类型的输入。例如，这种交互可包括输入命令、调整设置、查看信息等。通常，触摸屏接口能够识别触摸事件(即，用户交互)以及触摸事件在触摸传感器面板上的位置，然后能够根据在触摸事件的时间所出现的显示来解释触摸事件，之后能够基于触摸事件执行一个或两个以上动作。

SCM 109被配置为与激光电机控制器116和激光电机控制器软件117二者物理上分离并且与这二者截然不同的微控制器。SCM软件110被配置为能够与激光电机控制器116和激光电机控制器软件117二者物理上分离并且与这二者截然不同。也就是说，SCM软件110能够在没有激光电机控制器116和激光电机控制器软件117的情况下控制SCM 109并被存储在与激光电机控制器116和激光电机控制器软件117物理上分离的存储位置中。

激光雕刻机100可包括连接到外部电源121的电源120以操作激光雕刻机100。电源120可连接到激光电源113、激光电机控制器116和SCM 109并向它们供电。激光雕刻机100可被配置使得当电力被供应到电源120时，电力被自动地供应到SCM 109和激光电机控制器116，SCM 109被配置为能够控制电力何时从电源120被供应到激光电源113。

在一个替代示例实施例中，激光雕刻机100还被配置使得当电力被供应到电源120时，电力还被自动供应到激光电源113，SCM 109控制电力何时通过供电的激光电源113被供应到激光器115。例如，在一个示例实施例中，激光电源113通过激光电源开关122连接到激光器115，使得激光电源113经由激光电源开关122向激光器115供电。例如，激光电源开关122可包括允许电力从激光电源113向激光器115流动的启用管脚。例如，激光电源113可被配置为能够以相对高的电压向激光器115提供电能。例如，激光电源113能够提供在大约20000伏至30000伏范围内的电能。

在一个示例实施例中，激光电源113包括能够检测激光雕刻机100内的电弧以用于确定是否存在不安全电弧的电弧传感器114，以及能够控制电力从激光电源113向激光器115的流动的激光电源开关122。在一个特定实施例中，激光器115可仅经由激光电源开关122接收电力。

SCM 109连接到激光电源113，用于SCM 109与电弧传感器114之间的数据传输，从而SCM 109能够控制激光电源开关122，并因此控制电力从激光电源113向激光器115的流动。

图2是示出了根据本发明的一个示例实施例的用于确保激光雕刻机的安全关键功能的方法200的流程图。方法200从步骤201开始。

在步骤202，将工作就绪命令260发送到激光电机控制器116。例如，工作就绪命令260可从计算装置118发送到激光电机控制器116。在步骤203，将工作就绪命令260从激光电机控制器116发送到SCM 109。(注意，从计算装置118到激光电机控制器116的命令的内容可以不同于从激光电机控制器116到SCM 109的命令的内容。)

当SCM 109接收到工作就绪命令260时，在步骤204，SCM 109提示用户激活开始按钮124两次。(替代地，SCM 109不提示用户执行此动作，而是仅等待指示已执行该动作的信号。)在步骤205，方法200验证开始按钮124已被激活两次。如果开始按钮124尚未被激活两次，则方法200返回到步骤204，并提示用户激活开始按钮124两次。(替代地，SCM109不发出这样的提示，而是返回等待按钮已被按下两次的指示。)以这样的方式，可经由开始按钮124执行安全检查，以防止如果开始按钮故障或如果用户无意中按下开始按钮而无意中激活激光器115。例如，如果从激光器115上次被激活起，开始按钮124留在“打开”位置，则激光器115可能在激光器115随后的操作期间被无意中激活。类似地，如果开始按钮124故障并且不能被去激活，则激光器115可能在激光器115的操作期间被无意中激活。要求开始按钮124被连续激活两次能够作为在激活激光器115之前执行的安全检查。在一个特定实施例中，激光雕刻机100要求开始按钮124的连续激活之间的时间不超过大约1到10秒范围内、优选地大约1到5秒范围内的预定时间段。

如果开始按钮已被按两次，则方法200继续步骤206并开始从传感器101-104、电弧传感器和正在监测激光雕刻机100的任何其他传感器250获取数据。

响应于从传感器101-104、114和250获取到数据，方法200(在步骤207中)确定与从传感器接收到的数据相对应的所有系统是否正常操作和运转并处于安全状态。如果不是所有系统都正常操作和运转并处于安全状态，则方法200进入步骤208并发送与不正常操作和/或运转和/或不处于安全状态的系统组件的故障相对应的故障数据230。故障数据230可被发送到激光电机控制器116并经由显示装置123和/或用户接口119显示给用户。故障数据230可被呈现给用户，以便激光雕刻机的非运转组件能被修复。

如果所有系统正常操作和运转，那么在步骤209中，SCM109将授权发送到激光电机控制器116，指示所有系统是可操作的并准备操作。在步骤210，SCM109授权或触发激光电源113向激光器115提供电力。方法200结束于步骤210。

图3是示出了根据本发明的一个示例实施例的用于确保激光雕刻机的安全关键功能的方法300的流程图。方法300从步骤301开始。

在步骤302，接收与激光器115的状态有关的信息。响应于接收到激光器115的状态，方法300在步骤303确定激光器115的操作状态。如果激光器115未操作，则方法300返回到步骤302。如果激光器115正在操作，则方法300继续执行步骤304，并开始从传感器101-104、开始按钮124、电弧传感器114和正在监测激光雕刻机100的任何其他传感器250接收数据，SCM 109基于该数据控制激光电源113。

响应于从传感器101-104、114和250接收到数据，方法300(在步骤305中)确定与从传感器接收到的数据相对应的所有系统和/或组件是否正常操作和运转并处于安全状态。如果所有系统正常操作和运转，则方法300返回到步骤304并继续监测从传感器101-104、114和250接收的数据。

如果不是所有系统都正常操作和运转并处于安全状态，则方法300进入步骤306，终止激光器115的操作。终止激光器115的操作可通过SCM 109经由激光电源开关122关闭至激光器115的电力来完成。

在步骤307，故障数据230可被发送到激光电机控制器116并经由显示装置123显示给用户。方法300结束于步骤308。

本发明的一个示例实施例涉及处理电路、例如包括一个或两个以上处理器的处理电路，其可使用任何常规处理电路和装置或它们的组合、例如个人计算机(PC)的中央处理器(CPU)或其他工作站处理器来实施，以执行、例如在包括任何常规存储器装置的非暂时性计算机可读介质上提供的用于单独或组合地执行在此描述的任何方法的代码。所述一个或两个以上处理器可实施在服务器或用户终端或它们的组合中。例如，用户终端可以被实现为台式计算机、膝上型计算机、手持装置、个人数字助理(PDA)、电视机顶盒互联网设备、移动电话、智能电话等，或被实施为它们中的一个或两个以上的组合。存储器装置可包括任何常规的永久和/或临时存储器电路或它们的组合，其非详尽列举包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、致密盘(CD)、数字多功能盘(DVD)和磁带。

例如，本发明的一个示例实施例涉及如上所述的一个或两个以上非暂时性计算机可读介质，其上存储有可由处理器执行的指令，当由处理器执行时，所述指令均单独地或组合地执行在此描述的各种方法或孤立地或以其他组合地执行在此描述的方法的子步骤。

本发明的一个示例实施例涉及一种方法、例如硬件组件或机器的方法，硬件组件或机器发送可由处理器执行以均单独地或组合地执行在此描述的各种方法或孤立地或以其他组合地执行在此描述的方法的子步骤的指令。

以上描述旨在为说明性的，而不是限制性的。本领域技术人员能够从上述描述中理解，本发明可以以多种形式实施，并且各种实施例能够单独或组合实施。因此，虽然已经结合本发明的特定示例描述了本发明的实施例，但是由于对附图、说明书和所附权利要求书进行研究之后其他修改将对技术从业人员变得清楚，所以本发明的实施例和/或方法的真实范围不应受此限制。

Claims (16)

1.一种用于激光雕刻机装置的安全关键微控制器，所述安全关键微控制器包括：

处理器，其被配置为能够：

从激光电机控制器获取命令；

从一个或两个以上传感器获取传感器数据，所述一个或两个以上传感器中的每个的传感器数据与激光雕刻机装置的相应组件的操作状态相对应；

针对所述一个或两个以上传感器中的每个，基于相应传感器数据来确定相应传感器所对应的激光雕刻机的组件的运转状态；

基于针对全部的所述一个或两个以上传感器的确定的运转状态，将上电命令发送到激光电源开关以启动电力从电源向激光器的流动，其中，用于执行激光工作的激光器的操纵由激光电机控制器控制，激光电机控制器的所有硬件与安全关键微控制器的所有硬件分离。

2.根据权利要求1所述的安全关键微控制器，其中，一个或两个以上组件包括：风扇组件、空气源、水源、盖、开始按钮和激光电源中的一个或两个以上。

3.根据权利要求1所述的安全关键微控制器，其中，处理器还被配置为能够将激光雕刻机的一个或两个以上组件中的每个的运转状态发送到显示装置用于显示。

4.根据权利要求1所述的安全关键微控制器，其中，处理器还被配置为能够：

作为从激光电机控制器获取命令的结果，发送使激光雕刻机的开始按钮被连续激活两次的请求，其中，所述请求在激光雕刻机的显示装置上被显示给用户；

从开始按钮接收确认信号，所述确认信号指示开始按钮已被连续激活两次。

5.根据权利要求4所述的安全关键微控制器，其中，从开始按钮接收到所述确认信号的条件下发生上电命令的发送。

6.根据权利要求1所述的安全关键微控制器，其中，仅在由安全关键微控制器启动的情况下开启从单一的电源向激光器的供电。

7.根据权利要求1所述的安全关键微控制器，其中，所述安全关键微控制器物理地且操作地与激光雕刻机的所有其他组件分离和不同。

8.根据权利要求1所述的安全关键微控制器，其中，处理器还被配置为能够：

确定激光雕刻机的激光器被激活；

作为确定激光器被激活的结果，从多个传感器获取故障数据，所述故障数据与传感器故障安全关键微控制器相对应；

作为获取故障数据的结果，通过禁止从电源向激光器的电力的传递来对激光器进行去激活。

9.一种激光雕刻机装置，所述激光雕刻机装置包括：

一个或两个以上传感器，其均被配置为能够感测激光雕刻机装置的相应组件的操作状态；

激光器；

激光电机控制器，其用于控制用于执行工作的激光器的操纵；

第一电源，其包括激光电源开关，第一电源被配置为能够根据开关的状态向激光器供电；

安全关键微控制器；

第二电源，用于向第一电源、激光电机控制器和安全关键微控制器供电；

其中：

激光电机控制器的所有硬件与安全关键微控制器的所有硬件分离；

安全关键微控制器被配置为能够：

从激光电机控制器获取命令；

针对所述一个或两个以上传感器中的每个：

获取相应传感器所对应的相应组件的操作状态；

确定相应操作状态是否满足预定条件；

响应于针对所述一个或两个以上传感器的全部确定相应操作状态满足所述预定条件，将上电命令发送到激光电源开关以启动电力从第一电源向激光器的流动。

10.根据权利要求9所述的激光雕刻机装置，其中，一个或两个以上组件包括：风扇组件、空气源、水源、盖、开始按钮和激光电源中的一个或两个以上。

11.根据权利要求9所述的激光雕刻机装置，其中，安全关键微控制器还被配置为能够将激光雕刻机的一个或两个以上组件中的每个的运转状态发送到显示装置用于显示。

12.根据权利要求9所述的激光雕刻机装置，其中，安全关键微控制器还被配置为能够：

作为从激光电机控制器获取命令的结果，发送使激光雕刻机的开始按钮被连续激活两次的请求，其中，所述请求在激光雕刻机的显示装置上被显示给用户；

从开始按钮接收确认信号，所述确认信号指示开始按钮已被连续激活两次。

13.根据权利要求12所述的激光雕刻机装置，其中，在从开始按钮接收到所述确认信号的条件下发生上电命令的发送。

14.根据权利要求9所述的激光雕刻机装置，其中，仅通过安全关键微控制器开启从第一电源向激光器的供电。

15.根据权利要求9所述的激光雕刻机装置，其中，安全关键微控制器物理地且操作地与激光雕刻机的所有其他组件分离和不同。

16.根据权利要求9所述的激光雕刻机装置，其中，安全关键微控制器还被配置为能够：

确定激光雕刻机的激光器被激活；

作为确定激光器被激活的结果，从多个传感器获取故障数据，所述故障数据与传感器故障安全关键微控制器相对应；

作为获取故障数据的结果，通过禁止从第一电源向激光器的电力的传递来对激光器进行去激活。

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