CN105537783A - 激光加工装置的激光安全防护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光加工装置的激光安全防护方法，步骤为：1）构建弱光照射模块和光电检测分析模块；2）在激光加工头激光出射机械边缘刚性加装弱光照射模块和光电检测分析模块弱光照射模块出射光照射激光加工头激光加工及周边区域；3）光电检测分析模块检测被照区域的物质信息和光学界面运动位置信息，判断区域内是否存在具有生命体征的信号，并通过硬件来停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护。本发明具有方法简单、便于构建、不受人员本身因素限制、客观可靠、无安全隐患、智能化程度高、主动防护、响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广等特点。

Description

激光加工装置的激光安全防护方法
技术领域
本发明涉及一种激光加工保证方法，特别是一种激光加工装置的激光安全保证方法，主要用于激光焊接、激光切割、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光成型、激光3D打印等领域中激光加工装置的激光安全保证。
背景技术
激光加工通常是利用高功率密度的激光束照射工件,使材料熔化气化而进行穿孔,切割和焊接等的特种加工，利用激光热效应的激光加工可以称为激光热加工。通过激光与被照射材料相互作用，引起材料特性发生变化而实现加工结果的加工，也称为激光加工，利用光特性改变材料性质变化的激光加工可以称为激光冷加工。激光加工按照具体加工动作可以分为激光焊接、激光切割、激光打标、激光打孔、激光热处理、激光成型、激光3D打印等，已经广泛应用于材料、汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造、轻工业等领域。在激光加工过程中，激光加工装置的安全使用也引起了广泛的关注，激光加工装置中激光安全保证方法也是激光加工装置的重要组成部分。
在先技术中，存在激光加工装置的激光安全防护方法，参见意大利PRIMA、武汉金运、武汉楚天、武汉团结、华工科技、深圳大族等公司的激光加工装置使用说明和安全使用规范，以及中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局发布的《激光加工机械安全要求》国家标准，标准号：GB/T18490-2001，这些在先激光加工装置激光安全防护方法具有相当的优点，但是，仍然存在一些本质不足：1）安全防护方法针对于装置使用过程和使用流程中的各个环节进行人员行为规范，如果使用人员未按照规范进行造作或者使用过程中存在误操作，流程繁琐，并且仍然存在受到安全方面威胁和作用的可能；2）在激光加工装置本身使用的方法为提示警告标示，根据激光设备使用激光的特性进行安全等级评估，在设备上设置安全警告标示，同样需要人员对标示有认识，并且具有一定知识背景，需要过程中的人机交互，对装置靠近人员有要求，导致安全防护存在漏洞；3）缺乏激光加工装置自身激光安全防护措施，安全保证等级低，并且激光加工装置没有实现安全识别和分析的功能、智能化程度低、灵活性差、激光安全防护方法响应速度慢。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种激光加工装置的激光安全防护方法，具有方法简单、便于构建、不受人员本身因素限制、客观可靠、无安全隐患、智能化程度高、主动防护、响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广等特点。
本发明的技术方案是：一种激光加工装置的激光安全防护方法，步骤为：1）构建弱光照射模块和光电检测分析模块；2）在激光加工头激光出射机械边缘刚性加装弱光照射模块和光电检测分析模块弱光照射模块出射光照射激光加工头激光加工及周边区域；3）光电检测分析模块检测被照区域的物质信息和光学界面运动位置信息，判断区域内是否存在具有生命体征的信号，并通过硬件来停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护。
所述步骤1)的具体方法为：采用检测光源和照射光学部件组成弱光照射模块3，照射光学部件设置在检测光源出射光路上，实现光束整形；采用检测光学组件、分光元件、二维光电探测器、滤光元件、成分光电探测器组成光电检测分析模块，检测光学组件设置在光电检测分析模块光场入射光路上，检测光学组件透射光路上设置分光元件，分光元件将光路分成第一路光束和第二路光路，第一路光束设置二维光电探测器，第二路光路上依次设置滤光元件、成分光电探测器。
所述步骤2)的具体方法为：将弱光照射模块和光电检测分析模块分别安装在激光激光加工头激光出射机械边缘不同位置，激光激光加工头的激光出射顶端为激光出射口，使弱光照射模块的出射光束覆盖到激光加工头激光加工工作区域及周边区域，并使弱光照射模块出射光束覆盖区域内的光场入射光电检测分析模块。
所述步骤3)的具体方法为：使弱光照射模块中的检测光源出射光束，经过照射光学部件整形后，照射到激光加工头激光加工工作区域及周边区域，当操作人员或其身体部分皮肤接近激光加工头激光加工工作区域过程中，检测光源出射光束照射在皮肤上发生光散射效应；散射光场经过检测光学组件入射光电检测分析模块；用二维光电探测器采集散斑分布图，通过分析散斑图演化过程得到皮肤位置和移动信息，通过滤光元件将能够体现生命特征的物质光谱线透过，由成分光电探测器实现光电转化，得到生命体征物质信息信号，光电检测分析模块检测到被照区域的物质信息和光学界面运动位置信息，在皮肤尚未接近激光加工焦点前，硬件上停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护。
所述的步骤1）中的检测光源为半导体激光器、固体激光器或二极管激光器中的任一种。
所述的步骤1）中的二维光电探测器为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体电传感器。
所述的步骤1）中的成分光电探测器为光电二极管、雪崩管或光电倍增管中的任一种。
所述的步骤3）中的生命特征为血红蛋白特征、血溶氧特征或血糖特征中的任一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）在先技术安全防护方法针对于装置使用过程和使用流程中的各个环节进行人员行为规范，如果使用人员未按照规范进行造作或者使用过程中存在误操作，流程繁琐，并且仍然存在受到安全方面威胁和作用的可能。本发明基于光电检测原理，将光学荧光物质分析技术和光电位置检测技术相结合，在激光激光加工头激光出射机械边缘刚性加装弱光照射模块和光电检测分析模块，通过判断区域内是否存在具有生命体征的信号，硬件上停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护，具有方法简单、便于构建、不受人员本身因素限制、客观可靠等特点；
2）在先技术激光加工装置本身使用的方法为提示警告标示，根据激光设备使用激光的特性进行安全等级评估，在设备上设置安全警告标示，同样需要人员对标示有认识，并且具有一定知识背景，需要过程中的人机交互，对装置靠近人员有要求，导致安全防护存在漏洞。本发明针对激光加工装置中激光安全核心部件激光加工头进行模块化增装，弱光照射模块出射光照射激光加工头激光加工及周边区域，光电检测分析模块检测被照区域的物质信息和光学界面运动位置信息，具有无安全隐患特点；
3）在先技术本质上缺乏激光加工装置自身激光安全防护措施，安全保证等级低，并且激光加工装置没有实现安全识别和分析的功能，智能化程度低，激光安全防护方法相应速度慢。本发明采用直接检测人员或者具有生命特征的物体只要处在激光加工区域附近，就进行硬件物理关闭激光输出，具有主动防护、响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广等特点。
附图说明
图1为本发明的激光加工装置的激光安全防护方法的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的激光加工装置的激光安全防护方法，如图1所示，是基于光电检测原理，将光学荧光物质分析技术和光电位置检测技术相结合，在激光激光加工头激光出射机械边缘刚性加装弱光照射模块和光电检测分析模块，实现激光加工装置的激光安全防护。
本实施例的具体实现步骤为：
步骤(1)构建弱光照射模块3和光电检测分析模块4，弱光照射模块3由检测光源301和照射光学部件302，照射光学部件302设置在检测光源301出射光路上，实现光束整形；光电检测分析模块4由检测光学组件401、分光元件402、二维光电探测器403、滤光元件404、成分光电探测器405构成，检测光学组件401设置在光电检测分析模块4光场入射光路上，检测光学组件401透射光路上设置有分光元件402，分光元件将光路分成第一路光束和第二路光路，第一路光束设置有二维光电探测器403，第二路光路上依次设置有滤光元件404、成分光电探测器405；实施例中，检测光源301为二极管激光器，二维光电探测器403为电荷耦合器件成分光电探测器405为雪崩管；
步骤(2)在激光加工头1激光出射机械边缘刚性固定弱光照射模块3和光电检测分析模块4，弱光照射模块3和光电检测分析模块4分别位于激光激光加工头1激光出射机械边缘不同位置，激光激光加工头1的激光出射顶端为激光出射口102，弱光照射模块3的出射光束可以覆盖到激光加工头激光加工工作区域及周边区域，弱光照射模块3出射光束可以覆盖区域内的光场可以入射光电检测分析模块；
步骤(3)弱光照射模块3中的检测光源301出射光束，经过照射光学部件302整形后，照射到激光加工头1激光加工工作区域及周边区域，当操作人员或其身体部分皮肤2接近激光加工头激光加工工作区域过程中，检测光源301出射光束照射在皮肤2上发生光散射效应；
步骤(4)散射光场经过检测光学组件401入射光电检测分析模块4，被分光元件402将光路分成第一路光束和第二路光路，第一路光束设置有二维光电探测器403采集散斑分布图，通过分析散斑图演化过程得到皮肤2位置和移动信息，第二路光路上依次设置有滤光元件404将能够体现生命特征的物质光谱线透过，由成分光电探测器405实现光电转化，得到生命体征物质信息信号，实施例中，生命特征为血红蛋白特征，光电检测分析模块4检测到被照区域的物质信息和光学界面202运动位置信息，在皮肤2尚未接近激光加工焦点201前，硬件上停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护。
本实施例在激光切割机、激光打标机、激光打孔机三款机激光加工装置上的激光加工头安装了本发明中构建的装弱光照射模块和光电检测分析模块，检测激光加工头附近的生命体征和光学界面位置移动，在本实施例检测中中，生命体征通过血红蛋白浓度来辨别，当操作人员的手进入激光加工头附近时，本方法检测到血红蛋白浓度显示存在并且具有一定浓度值，同时，光学工作面也存在并向激光头加工区域移动，装置立即采取关闭激光输出，以免发生安全事故，并进行报警，实现了激光加工装置的激光安全防护，具有方法简单、便于构建、不受人员本身因素限制、客观可靠、无安全隐患、智能化程度高、主动防护、响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广等特点。
弱光照射模块中的弱光指的是直接照射到皮肤上不会产生任何损失等安全问题的光束。
本发明中激光加工装置使用、激光加工头机械连接、传感器电子电路、散斑行为分析等均为成熟技术，本发明的发明点在于基于光电检测原理，将光学荧光物质分析技术和光电位置检测技术相结合，针对激光加工装置中激光安全核心部件激光加工头进行模块化增装，通过判断区域内是否存在具有生命体征的信号，硬件上停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护，给出一种方法简单、便于构建、不受人员本身因素限制、客观可靠、无安全隐患、智能化程度高、主动防护、响应速度快、模块化程度高、灵活性强、功能易于扩充、应用范围广的激光加工装置的激光安全防护方法。

Claims (8)

1.一种激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于，步骤为：1）构建弱光照射模块(3)和光电检测分析模块(4)；2）在激光加工头(1)激光出射机械边缘刚性加装弱光照射模块(3)和光电检测分析模块(4)，弱光照射模块(3)出射光照射激光加工头(1)激光加工及周边区域；3）光电检测分析模块(4)检测被照区域的物质信息和光学界面运动位置信息，判断区域内是否存在具有生命体征的信号，并通过硬件来停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护。
2.根据权利要求1所述的激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于：所述步骤1)的具体方法为：采用检测光源(301)和照射光学部件(302)组成弱光照射模块(3)，照射光学部件(302)设置在检测光源(301)出射光路上，实现光束整形；采用检测光学组件(401)、分光元件(402)、二维光电探测器(403)、滤光元件(404)、成分光电探测器(405)组成光电检测分析模块(4)，检测光学组件(401)设置在光电检测分析模块(4)光场入射光路上，检测光学组件(401)透射光路上设置分光元件(402)，分光元件(402)将光路分成第一路光束和第二路光路，第一路光束设置二维光电探测器(403)，第二路光路上依次设置滤光元件(404)、成分光电探测器(405)。
3.根据权利要求1所述的激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于：所述步骤2)的具体方法为：将弱光照射模块(3)和光电检测分析模块(4)分别安装在激光激光加工头(1)激光出射机械边缘不同位置，激光激光加工头(1)的激光出射顶端为激光出射口(102)，使弱光照射模块(3)的出射光束覆盖到激光加工头激光加工工作区域及周边区域，并使弱光照射模块(3)出射光束覆盖区域内的光场入射光电检测分析模块。
4.根据权利要求1所述的激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于：所述步骤3)的具体方法为：使弱光照射模块(3)中的检测光源(301)出射光束，经过照射光学部件(302)整形后，照射到激光加工头1激光加工工作区域及周边区域，当操作人员或其身体部分皮肤(2)接近激光加工头激光加工工作区域过程中，检测光源(301)出射光束照射在皮肤(2)上发生光散射效应；散射光场经过检测光学组件(401)入射光电检测分析模块4；用二维光电探测器(403)采集散斑分布图，通过分析散斑图演化过程得到皮肤(2)位置和移动信息，通过滤光元件(404)将能够体现生命特征的物质光谱线透过，由成分光电探测器(405)实现光电转化，得到生命体征物质信息信号，光电检测分析模块(4)检测到被照区域的物质信息和光学界面(202)运动位置信息，在皮肤(2)尚未接近激光加工焦点(201)前，硬件上停止激光输出和激光加工活动，实现激光加工装置的激光安全防护。
5.根据权利要求2所述的激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于：所述的步骤1）中的检测光源(301)为半导体激光器、固体激光器或二极管激光器中的任一种。
6.根据权利要求2所述的激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于：所述的步骤1）中的二维光电探测器(403)为电荷耦合器件或互补金属氧化物半导体电传感器。
7.根据权利要求2所述的一种激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于：所述的步骤1）中的成分光电探测器(405)为光电二极管、雪崩管或光电倍增管中的任一种。
8.根据权利要求4所述的一种激光加工装置的激光安全防护方法，其特征在于：所述的步骤3）中的生命特征为血红蛋白特征、血溶氧特征或血糖特征中的任一种。
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