CN112867581A - 激光切割机和用于其的安全电力*** - Google Patents

Abstract

一种激光切割机和用于其的安全电力***。所述激光切割机的所述电力***包括电阻装置，所述电阻装置布置在返回线中，并且配置为当所述激光切割机在诸如脉冲模式的某些模式下操作时，通过显著最小化通过GFCI装置发送的电噪声来防止所述GFCI装置的异常跳闸。所述电阻装置包括端帽，所述端帽围绕在所述返回线与所述电阻装置的每个端部处的触点之间的连接形成护罩。用于所述电力***的高电压子***的主控制板包括两个隔离且独立的使能信号，所述使能信号被提供给所述主控制板上的不同的控制器，使得所述不同的控制器可以独立地且冗余地响应不安全条件。

Description

激光切割机和用于其的安全电力***

本申请要求于2018年8月24日提交的美国临时申请62/722,233的权益，该申请的公开内容通过引用全部并入本文。

技术领域

该本档中所公开的***涉及激光切割机，并且更具体地涉及用于激光切割机的安全电力***。

背景技术

激光切割***利用高能激光束来切割、钻孔或雕刻工件。高能激光束是利用在非常高的电压下操作的一个或多个激光管产生的。激光切割***的正常操作伴随着许多安全问题，诸如红外线辐射、非常高的电压和电流、火灾以及空气污染物，它们中的每一种都可能对用户造成伤害或对激光切割***本身造成损坏。因此，激光切割***配备有各种各样的安全特征。

一些高电压激光切割***需要一个或多个热管理装置来调节***中的电部件的温度。例如，激光切割***可以包括机载液体冷却***，该机载液体冷却***使液体冷却剂在激光管的部分上或通过这些部分循环，以在操作时调节激光管的温度。然而，如果液体冷却剂从冷却***泄漏，则在高电压激光切割***中使用液体冷却剂增加了伤害用户或损坏***的风险。鉴于这个问题，如果液体冷却剂在激光切割***内泄漏，则提供具有降低伤害或损坏的风险的至少一个安全特征的激光切割***将是有利的。安全特征可以是响应于故障条件执行安全动作的主动安全特征。安全特征还可以是仅通过其结构来提高安全性的被动安全特征。

在一些高电压激光切割***中，某些安全特征的使用可以导致意想不到的问题。例如，在某些模式（即连续束模式或脉冲束模式）下操作的激光切割***可以生成电噪声，该电噪声使主动安全特征执行其安全动作，尽管***内并不存在故障条件。因此，将是有利的是：提供一种激光切割***，该激光切割***具有装置，该装置使在某些模式下产生的电噪声最小化，以便允许主动安全特征仅在***中存在故障条件时执行其安全功能。

发明内容

在一个实施例中，激光切割机包括：外壳；气体激光器，该气体激光器具有激光管，激光管设置在外壳内；电源，该电源通过电路可操作地连接到激光管，电源包括至少一个控制器，该控制器被配置为控制供应给激光管的电流，以在第一操作模式下驱动激光管；接地故障电路中断器（ground-fault circuit interrupter）（GFCI）装置，该GFCI装置电连接在电源和外部AC电源之间，GFCI装置配置为检测接地故障条件并且当检测到接地故障条件时中断通过GFCI装置供应的电力；以及电阻装置，该电阻装置串联连接在电路中，该电路连接激光管和电源，电阻装置具有电阻并且配置为（i）减少激光管在第一操作模式下驱动时产生的电噪声以及（ii）防止由电噪声而导致的通过GFCI装置供应的电力的中断。

在一个实施例中，用于激光切割机中的高电压电阻装置的端帽包括：刚性周边壁，该刚性周边壁以连续方式环绕端帽的纵向轴线，周边壁限定沿纵向轴线完全延伸通过端帽的开口；以及多个周边间隔的保持构件，该保持构件从周边壁径向向内延伸，保持构件配置为将高电压导线定位在开口内，周边壁具有配置为邻接电阻装置的第一端和配置为通过开口接收介电材料的第二端，以便完全封装导线到电阻装置的连接，周边壁和保持构件配置为设定连接与周边壁之间的介电材料的最小径向厚度。

公开了一种用于激光切割机的电源。电源包括电源电路，该电源电路可操作地连接到激光切割机的激光管并且配置为提供操作电流以操作激光管，电源电路至少具有变压器以及配置为驱动变压器的初级侧绕组的多个开关。电源包括脉冲宽度调制（PWM）控制器，该PWM控制器具有命令输入端和第一使能输入端，PWM控制器配置为（i）基于在命令输入端处接收到的命令信号生成至少一个PWM控制信号以及（ii）响应于在第一使能输入端处接收到的第一使能信号具有预定第一状态而输出至少一个PWM控制信号。电源包括具有至少一个控制输入端和第二使能输入端的栅极驱动器电路（gate driver circuit），栅极驱动器电路配置为（i）在至少一个控制输入端处接收来自PWM控制器的至少一个PWM控制信号以及（ii）仅响应于在第二使能输入端处接收到的第二使能信号具有预定第二状态而根据至少一个PWM控制信号操作多个开关。PWM控制器的第一使能输入端和栅极驱动器电路的第二使能输入端连接到独立信号源。

附图说明

激光切割机和用于其的安全电源的上述方面和其它特征在下面结合附图进行的描述中进行解释。

图1是根据一个实施例的配备有电源和接地故障电路中断器（GFCI）的激光切割机形式的光学***的立体图；

图2示出了用于驱动光学***的激光管的电力***的框图；

图3A至图3C是图1的光学***的电阻装置的立体图，其中电阻装置与激光切割机的激光管串联电连接，以防止GFCI的异常跳闸；

图4是图3的电阻装置的端帽的立体图；

图5至图7是图4的端帽的相应的俯视平面图、侧视平面图和仰视平面图；

图8是图7的端帽的放大详细视图，其示出了从端帽的内表面突出的保持特征；

图9是图6的端帽的另一个视图，其示出了位于电阻装置上的端帽和保持在保持特征中并且连接到电阻装置的激光管的导线，封装导线连接端帽和介电材料沿端帽的纵向轴线剖开；

图10示出了用于电源的高电压子***的高电压组件的示例性示意图；

图11示出了用于电源的高电压子***的主控制板的框图；以及

图12示出了用于电源的高电压子***的主控制板的示例性示意图。

具体实施方式

出于促进对本公开的原理的理解的目的，现在将参考附图中所图示并且在以下书面说明书中所描述的实施例。要理解，公开的范围由此并不意图受到限制。应进一步理解，本公开包括对所图示的实施例的任何改变和修改，并且包括本公开所涉及的领域中的技术人员通常会想到的对本公开的原则的进一步应用。

图1描绘了光学***100，该光学***100被配置为将电磁能量朝向材料引导，以引起材料的变化。在图1所示的实施例中，光学***是激光切割机100。激光切割机100包括框架104，该框架104具有基部108、壁112和至少一个可打开屏障116，它们形成外壳，该外壳配置为部分或完全包围要改变的材料，并且在激光切割机操作时，限制电磁辐射从激光切割机100出来。激光切割机100还包括配置为支撑材料的床或工作区域120。

如本文中所使用的，术语“切”、“切割”或其变型通常是指改变材料的外观、性能和/或状态。例如，切割包括进行贯穿切割、雕刻、漂白、固化、燃烧等。雕刻当在本文中具体提及时指示光学***通过其在不完全穿透材料的情况下修改材料的外观的工艺。例如，在激光切割机的背景下，雕刻意味着从表面去除一些材料，或使材料变色，例如通过应用如下所述传递电磁能量的聚焦电磁辐射。

如本文中所使用的，术语“激光”、“激光束”等包括（在作为切割工具的背景下）使用光子来修改衬底或在受光子影响的材料上造成某些变化或改变的任何电磁辐射或聚焦的或相干能量源。激光（无论是切割工具还是诊断）可以具有任何期望的波长，包括例如微波、激光、红外激光、可见激光、UV激光、X射线激光、伽马射线激光等。同样，如本文中所使用的，除非另有规定，否则术语“材料”是激光切割机100的工作区域120上的材料。例如，材料是放置在激光切割机100中要被切割的材料，例如原材料、储备物等。

在图1的实施例中，可打开屏障116允许激光切割机100的外部与激光切割机100的内部空间之间的进入。例如，可打开屏障116可以包括在打开位置和关闭位置之间致动的一个或多个门、舱口、挡板等。一种类型的可打开屏障是盖子116，该盖子116配置为打开或关闭以使得材料能够放置在工作区域120上。除了盖子116，还可以有附加的通风口、管道或其它进入点到激光切割机100的内部空间或部件。这些进入点可以为激光切割机提供对电力、空气、水、数据等的使用。在一些实施例中，监控这些附加的进入点，使得如果它们被意外进入，则激光切割机100可以执行动作来维护用户和光学***的安全性，例如执行受控关闭。

激光切割机100进一步包括发射器124、束路由***128和至少一个可移动头部132。发射器124配置为产生电磁辐射以供激光切割机100使用。在所示的实施例中，发射器是二氧化碳（CO2）激光管，该激光管配置为从激光管124发射约40瓦的激光束。在其它实施例中，激光管124可以基于用于产生具有其它功率的束的其它类型的配置。束路由***128包括光学元件，诸如透镜和镜子，用于将来自激光管124的束路由到工作区域120上的材料。头部132配置为接收来自束路由***128的束，并且将其传递到工作区域120上的材料。

在一些实施例中，头部132包括光学、电子和机械***的组合，这些***响应于命令，使束或电磁辐射传递，以切割或雕刻工作区域120上的材料。激光切割机100还可以执行运动计划的操作，以导致头部132的移动。当头部132移动时，头部132传递电磁能量，以实现至少部分包含在框架104的内部空间内的材料的变化。在一个实施例中，束路由***128和头部132中的一个或多个内的光学元件的位置和定向被改变，以调整激光束的位置、角度和焦点中的一个或多个，例如通过使镜子移位或平移透镜。

在所示的实施例中，头部132安装在至少一个轨道136上，该轨道136配置为贯穿外壳移动头部132。在一些实施例中，头部132的运动是直线的，例如在X轴、Y轴或Z轴上。在其它实施例中，头部132使沿直线、圆柱形或球形坐标***中的方向的任何组合的运动组合。轨道136配置为使头部132能够在X-Y方向上移动的任何类型的平移机构，例如带有使头部132沿轨道136滑动的马达的单轨道、使头部132移动的两个轨道的组合、圆形板和轨道的组合、带有关节的机器人臂等。

激光切割机100进一步包括使激光切割机100能够进行安全且有效率的操作的附加的部件和***，诸如至少一个电源140、冷却***144和通风***（未示出）。在下面更详细地讨论的至少一个电源140是配置为驱动激光管124的高电压电源。冷却***144可以是闭环、独立的内部冷却***、水冷冷却***等，并且配置为冷却激光管124和相关联的部件。通风***配置为提供通过外壳的气流，以排出激光切割机与材料相互作用的副产品，诸如烟雾和其它颗粒。

激光切割机100进一步包括安全***，使激光切割机100能够获得美国安全检测实验室公司（Underwriters Laboratories）（UL）的认证，以确保在非工业环境中的安全操作，诸如在家庭或学校中。安全***包括智能传感器的阵列，该智能传感器被配置用于进行实时安全诊断，以确保激光切割机总是安全操作。安全***还包括电连接在外部AC电源176（图2）和激光切割机100之间的接地故障电路中断器（GFCI）装置178。在示例性实施例中，GFCI装置178是额定用于高电压应用（诸如电动清洗机）的标准GFCI。GFCI装置178配置为在发生接地故障的情况下快速切断或中断至激光切割机100的电力。GFCI装置178通过比较沿电路导体供应给激光切割机100和从激光切割机100返回的电流量来操作。当供应的量与返回的量相差预定阈值（例如5毫安或更多）时，GFCI装置178中断电流。在一个实施例中，GFCI装置178与激光切割机100的电源线集成。

图2示出了用于驱动激光切割机100的激光管124的电力***的框图。电力***包括高电压电源140，该高电压电源140具有AC线路滤波器148、功率因数校正装置152、高电压子***和安全超低电压（SELV）子***。AC线路滤波器148配置为过滤从外部AC电源176接收到的AC电力中的线路噪声。功率因数校正装置152采用整流电路的形式，该整流电路配置为将从AC线路滤波器148接收到的AC电力（例如100 V至250 V AC）转换为高电压DC电力（例如390伏特）。

高电压子***包括高电压组件，该高电压组件配置为将来自功率因数校正装置152的高电压DC电力（例如390伏特）转换为提供给激光管124的更高电压DC电力（例如~30,000伏特）。高电压组件至少包括由高电压控制逻辑164操作的高电压变压器156。相反，SELV子***包括SELV组件，该SELV组件配置为将来自功率因数校正装置152的高电压DC电力（例如390伏特）转换为提供给SELV稳压器(regulator)172的更低电压DC电力（例如26伏特）。SELV组件至少包括由低电压控制逻辑168操作的SELV变压器160。SELV稳压器172配置成为电力***的低功率电子设备（例如高电压控制逻辑164、低电压控制逻辑168和任何其它集成电路）提供不同水平（例如24伏特、12伏特和5伏特）的操作DC电力。

电阻装置200与在激光管124与高电压电源140的高电压子***之间行进的电源线串联电连接。电源线包括连接到激光管124的高侧的供应导线214和连接到激光管124的低侧的返回导线216。在示例性实施例中，电阻装置200设置在返回导线216中。电阻装置200配置为当激光切割机在某些模式下操作时通过显著最小化通过GFCI装置178发送的电噪声来防止GFCI装置178的异常跳闸。

如下面在高电压子***的讨论中更详细地描述的，激光管124根据由激光切割机100所执行的任务以不同的操作模式驱动。已经观察到，尽管有各种控制回路和反馈用于控制供应到激光管124的电流，激光管124在脉冲模式下的操作可以产生意外的电噪声，该电噪声通过***传播并且导致GFCI装置178的异常跳闸。在激光管124在脉冲模式下操作期间，通过监控沿返回导线216的电流波形，可观察到这种意外的电噪声。在脉冲模式下的开关切换期间，电流波形特别不稳定，其中观察到波形超过目标，然后低于目标，然后稳定。观察到GFCI装置178的异常跳闸与脉冲模式操作期间存在的意外的电噪声的幅值对应。在激光管124在脉冲模式下操作期间，布置在返回导线216中的电阻装置200使电流波形稳定，从而显著减少电噪声，并且防止GFCI装置178因电噪声而跳闸。

参照图3A至图3C，电阻装置200包括壳体204、设置在壳体204内的电阻元件（未示出）、设置在壳体204的轴向端处用于外部连接到电阻元件的相应触点（未示出）以及设置在壳体204的轴向端中的每一个处的端帽208。电阻装置200位于激光切割机100的电源140的外部。在所示的实施例中，电阻装置200附接到激光切割机100的框架104。在其它实施例中，电阻装置200可以附接到激光切割机100的其它部件，诸如激光管124。垫212（图3C）设置在电阻装置200与电阻装置200附接到激光切割机100的表面之间。垫212由既电绝缘又导热的材料形成。垫材料212的导热性有助于将热量从电阻装置200驱散到附接表面，该附接表面配置为充当散热片。

电阻元件配置为提供约50千欧姆的电阻，使得在1000伏特跨过电阻装置200的情况下，电阻元件经历高达20毫安的电阻。在一些实施例中，电阻元件配置为提供大于或小于50千欧姆（例如40千欧姆到60千欧姆之间）的固定电阻，只要电阻装置200充分最小化电噪声，以避免GFCI装置178的异常跳闸。垫212将电阻装置200与通常由金属构造的框架104或激光管124电气隔离，以防止电阻装置200与框架104或激光管124之间的电弧。相应的导线216连接到电阻装置200的触点中的每一个。另外参照图9，导线216利用焊料218连接到触点，尽管在其它实施例中，可以利用其它连接类型将导线216电连接到电阻装置200的触点。端帽208围绕在导线216与电阻装置200的每个端部处的触点之间的连接形成护罩。介电材料222设置在被端帽208遮盖的区域内，使得导线216与触点之间的连接完全被介电材料包围。

图4至图8描绘了电阻装置200的端帽208中的一个的不同视图。在所示的实施例中，端帽208是大体上相同的，尽管在其它实施例中，端帽可以拥有将端帽208彼此区别开来的独特特征。端帽208包括周边壁236，该周边壁236环绕端帽208的纵向轴线228并且限定沿纵向轴线228延伸通过端帽208的开口232。如图4、图5和图7中所示，周边壁236以连续方式环绕纵向轴线228。如本文中所使用的，术语“以连续方式”意味着在所描述的范围的路径或方向上，在元件的结构中不存在中断、不连续、间隙等。与周边壁236结合使用的术语“以连续方式”意味着在周边壁236完全环绕纵向轴线228时，周边壁236的材料围绕纵向轴线228形成连续的、不间断的环。

周边壁236具有凸缘部分220和沿纵向轴线228从凸缘部分220延伸的主体部分224。沿主体部分224的周边壁236具有内表面240和与内表面240相对面向的外表面244。在一些实施例中，周边壁236具有相对于纵向轴线228的拔模角，使得开口232在端帽208的一端处比在相对端处稍大。内表面240和外表面244中的一个或两个可以具有拔模角。在一些实施例中，拔模角有助于用介电材料填充端帽208，使得一旦硬化或固化，就不会有空气捕集在介电材料内。

端帽208具有至少一个保持构件248，该保持构件248从周边壁236的内表面240朝向纵向轴线228径向向内延伸。保持构件248配置为将导线216定位在端帽208内的中心，使得当导线216连接到电阻装置200的触点并且端帽208固定到壳体204的端部时，导线216大体上平行于端帽208的纵向轴线228。在一些实施例中，保持构件248定位导线216，使得其大体上平行于纵向轴线228并且与纵向轴线228同心。在一个实施例中，保持构件248沿纵向轴线228延伸端帽208的总长度。在另一个实施例中，保持构件248沿端帽208的总长度的一部分纵向延伸。在另一个实施例中，保持构件248沿端帽208的长度间歇地在两个或更多个段中延伸。

在所示的实施例中，端帽208具有两个保持构件248，该保持构件以直径相对的方式彼此间隔开。在该实施例中，保持构件248均都具有面向另一保持构件248的保持表面252的保持表面252。保持表面252是弧形表面，当在被定向为垂直于端帽208的纵向轴线228的横截面上观察时，该弧形表面在形状上与具有与纵向轴线228同心设置的中心点的假想圆254（图8）的圆周的相应部分对应。在其它实施例中，保持表面252可以具有其它形状和特征，其使得保持构件248能够将导线216保持和定位在端帽208内的中心。

在其它实施例中，端帽208可以具有多于两个的保持构件，例如三个或四个保持构件。在具有多于两个的保持构件的这些其它实施例中，保持构件类似地配置为将导线216定位在端帽208内的中心，使得当导线216连接到电阻装置208的触点并且端帽208固定到壳体204的端部时，导线216大体上平行于端帽208的纵向轴线228。

在一些实施例中，端帽208的凸缘部分220在与端帽208的纵向轴线228正交的方向上比主体部分224宽，并且在这些方向上可以拥有任何合适的形状。在一个实施例中，肋条256在背离主体部分224的方向上从凸缘部分220纵向延伸。肋条256沿至少部分地环绕纵向轴线228的连续路径延伸，并且近似于围绕纵向轴线228的凸缘部分220的周边。在一些实施例中，肋条256配置为由电阻装置200的壳体204中的对应开口接收，以便定位端帽208，以用于牢固地附接到壳体204。

在至少一个非限制性的示例性实施例中，端帽208具有18 mm的沿纵向轴线的总长度尺寸，该总长度尺寸是从主体部分224的轴向最末端到肋条256的轴向最末端测量的。在该示例性实施例中，周边壁236是环形的，具有直径为12.5 mm的外表面244和直径为10.6mm的内表面240。限定保持表面252的形状和它们之间的间隔的假想圆254具有4.1 mm的直径θ（图8）。当在被定向为与纵向轴线228正交的横截面上观察时，保持构件248在保持构件248和周边壁236的内表面240的相交处均具有第一厚度t1，该第一厚度比在保持构件248的接近保持表面252的径向最内部分处的保持构件248的第二厚度t2宽。在该示例性实施例中，第二厚度t2为1.68 mm。在该示例性实施例中，凸缘部分220具有测量为17.5 mm×17 mm的大体上矩形的周边。在该示例性实施例中所公开的尺寸应被理解为包含类似应用中所使用的部件的惯用设计和制造公差的近似尺寸。在该示例性实施例中，端帽208由丙烯腈丁二烯苯乙烯（ABS）形成，尽管在其它实施例中可以使用具有可比的刚度、抗冲击性、韧性和电气绝缘性能的其它材料。在该示例性实施例中，介电材料是3M™ Scotch- Weld™环氧粘合剂DP 100。

再次参照图3A至图3C，在一些实施例中，每个端帽208的一个或多个保持构件248配置为允许端帽208在导线216被保持构件248保持之后在施加预定量的力的情况下相对于导线216移动。作为示例，在一个实施例中，保持构件248配置为以轻微过盈配合接收导线216，使得用户可以将端帽208沿导线216定位在第一位置处，导线216然后可以被焊接或以其它方式连接到电阻装置200，并且然后，端帽208沿导线216移动到第二位置，并且附接到电阻装置200的壳体204。

利用保持在端帽208内的中心的导线216和附接或以其它方式保持到壳体204的端帽208，可以将介电材料***由端帽208、壳体204和导线216中的一个或多个限定的一个或多个空腔中。在一个示例性实施例中，端帽208保证存在2 mm的介电材料，其完全包围电阻装置200的触点与导线216之间的连接。端帽208进一步配置为使介电材料能够以防止在其中形成空气间隙的方式***一个或多个空腔中，从而防止来自电阻装置200处的高电压连接的电弧。

图10示出了激光切割机100的电源140的高电压子***的高电压组件300的示意图。高电压组件300包括高电压变压器156、电压倍增器304和分压器308。电压倍增器304和分压器308有利地使电源140能够更可靠和更准确。附加地，在至少一个实施例中，高电压组件300被包含在外壳312中，该外壳将高电压组件300与电源140的其它部件隔离，从而提高安全性。

电压倍增器304配置为与高电压变压器156结合地操作，以为高电压组件300提供总增益。具体地，高电压变压器156在初级侧绕组处接收使用来自功率因数校正装置152的DC电压（例如390伏特）而反向或以其它方式产生的AC电压，并且配置为在其次级侧绕组上提供中间AC电压（例如~8,000伏特）。电压倍增器304配置为4x电压倍增器-整流器，使得其与高电压变压器156结合地提供整流DC电压（例如~30,000伏特）作为用于驱动激光管124的输出，该整流DC电压比高电压变压器156的次级侧绕组处的中间AC电压高得多。将认识到，常规的激光电源仅使用变压器获得电压增益，然后使用整流器转换为DC。通过利用电压倍增器304，降低高电压变压器156所需的增益，从而允许其更小、更文件并且更安全。

分压器308配置成为高电压组件300的输出电压和高电压组件300的输出电流提供真实的次级侧反馈316。具体地，分压器308提供正和负电压反馈线YELLOW和GREEN，并且提供正和负电流反馈线BLACK和WHITE。反馈线YELLOW、GREEN、BLACK和WHITE被提供给高电压控制逻辑164，以实现对高电压组件300的输出电流和电压的反馈控制。将认识到，常规的激光电源使用来自变压器的初级侧绕组的初级侧反馈电压和电流来控制激光，这通常需要手动调整电位器，以匹配实际输出电压和电流，从而导致控制不准确。附加地，将认识到，激光管124由于其负微分电阻（也称为负微分电导率）而是具有挑战性的用于驱动的负载。这些真实的次级侧反馈316使高电压组件300的输出电流和电压的控制能够更加精确。

图11示出了包括用于电源140的高电压子***的主控制板400的框图，其至少部分地体现了高电压控制逻辑164。主控制板400至少包括脉冲宽度调制（PWM）控制器404和栅极控制器（gate controller）408，它们一起操作以控制驱动高电压变压器156的初级侧绕组的开关412。具体地，在至少一个实施例中，开关412包括形成逆变器电路的两个或更多个开关，该逆变器电路配置为使用来自功率因数校正装置152的DC电压（例如390伏特）将AC电压提供给高电压变压器156的初级侧绕组。例如，逆变器电路可以采用半桥逆变器电路或全桥逆变器电路（也称为H桥逆变器电路）的形式，但是也、可以利用任何有利的逆变器电路设计。

PWM控制器404配置为产生控制信号，该控制信号被提供给栅极控制器408，以用于操作开关412。PWM控制器404具有命令输入端，该命令输入端配置为接收来自主激光控制装置416的电流命令信号I_CMD，该电流命令信号代表流过激光管124的驱动电流的目标值。附加地，PWM控制器404具有一个或多个反馈输入端，该反馈输入端配置为接收真实的次级侧反馈316中的一个或多个，该真实的次级侧反馈可以包括反馈线YELLOW、GREEN、BLACK和WHITE或从其获得的信号中的一些或全部。基于电流命令信号I_CMD和真实的次级侧反馈316中的一个或多个，PWM控制器404配置为通过PWM控制器404的控制输出端产生和输出PWM控制信号CTRL_1和CTRL_2。在至少一个实施例中，PWM控制器404对流过激光器的驱动电流实施闭环反馈控制（如反馈线YELLOW和/或GREEN所指示），以便跟踪由电流命令信号I_CMD指示的目标值。

PWM控制器404通常包括被设计为产生PWM控制信号的集成电路或等效的专用电路。然而，将认识到，PWM控制器404可以等效地包括具有处理器的任何计算装置和其上存储有程序指令的至少一个相关联的存储器，该程序指令由至少一个处理器执行以实现所描述的功能。而且，PWM控制器404可以以单个中央处理单元、多个离散处理单元、可编程逻辑装置、一个或多个逻辑门、ASIC装置或电路的任何其它合适的组合的形式实施。因此，PWM控制器404可以包括对数据、信号或其它信息进行处理以实现所描述的功能的任何硬件***、硬件机构或硬件部件。

栅极控制器408（在本文中也可以被称为“栅极驱动器电路”）可操作地连接到开关412中的每一个，并且配置为产生栅极控制信号，该栅极控制信号配置为必要时操作开关以驱动高电压变压器156。栅极控制器408具有控制输入端，该控制输入端配置为接收PWM信号CTRL_1和CTRL_2。栅极控制器408配置为基于PWM信号CTRL_1和CTRL_2产生栅极控制信号GATE_1和GATE_2，并且通过栅极控制器408的控制输出端来输出栅极控制信号GATE_1和GATE_2。

栅极控制器408通常包括被设计为产生栅极控制信号的集成电路或等效的专用电路***。然而，将认识到，栅极控制器408可以等效地包括具有处理器的任何计算装置和其上存储有程序指令的至少一个相关联的存储器，该程序指令由至少一个处理器执行以实现所描述的功能。而且，栅极控制器408可以以单个中央处理单元、多个离散处理单元、可编程逻辑装置、一个或多个逻辑门、ASIC装置或电路的任何其它合适的组合的形式实施。因此，栅极控制器408可以包括对数据、信号或其它信息进行处理以实现所描述的功能的任何硬件***、硬件机构或硬件部件。

继续参照图11，主控制板400包括隔离且独立的使能信号L_ON和L_EN（在本文中也可以被称为安全输入端）。使能信号L_ON被提供给PWM控制器404，并且使能信号L_EN被提供给栅极控制器408。PWM控制器404具有配置为接收使能信号L_ON的使能输入端，并且配置为仅响应于使能信号L_ON具有使能状态（例如指定的高状态或低状态）来产生PWM控制信号CTRL_1和CTRL_2。PWM控制器404配置为响应于使能信号L_ON具有除使能状态之外的任何状态来停止产生PWM控制信号CTRL_1和CTRL_2。类似地，栅极控制器408具有配置为接收使能信号L_EN的使能输入端，并且配置为仅响应于使能信号L_EN具有使能状态（例如指定的高状态或低状态，其当然可能与L_ON的使能状态不同）来产生栅极控制信号GATE_1和GATE_2。栅极控制器408配置为响应于使能信号L_EN具有除使能状态之外的任何状态来停止产生栅极控制信号GATE_1和GATE_2。

在示例性实施例中，使能信号L_ON被主激光控制装置416提供给PWM控制器404。例如，主激光控制装置416是负责操作激光切割机100的激光管124以基于项目文件或类似的项目特定指令集执行激光雕刻和/或激光切割任务的计算机和/或控制器。除了这个主要功能，主激光控制装置416配置为通过提供具有使能状态的使能信号L_ON以打开激光管124或提供具有另一种状态（其与使能状态不同）的使能信号L_ON以关闭激光管，来控制激光管124的开/关状态。

进一步关于对激光管124的控制，主激光控制装置416配置为部分根据放置在激光切割机100中的材料的类型和要对材料执行的任务，在不同的模式下操作激光管124。为了执行雕刻，主激光控制装置416在脉冲模式下操作激光管124，在该脉冲模式下，激光管124被驱动以可以具有例如1千赫兹的最高频率的脉冲发射激光束。为了执行切割，主激光控制装置416以连续模式操作激光管124，在该连续模式下，激光管124被驱动以连续地发射激光束（即没有激光束的任何脉冲）。

将认识到，激光管124本质上是电流控制装置，并且驱动电流可通过PWM控制器404在定义范围内（例如在5毫安到20毫安之间）进行调整。因此，当目标驱动电流被设定为20毫安时，最大功率输出在连续模式下实现。相反，当目标驱动电流被设定为5毫安时，最小功率输出在脉冲模式下实现，该目标驱动电流当在最大频率下被脉冲时约等于1毫安。

在示例性实施例中，使能信号L_EN被安全监控器420提供给栅极控制器408。虽然超出了本公开的范围，但是安全监控器420是例如负责监控激光切割机100的各种安全相关条件的计算机和/或控制器。如果安全监控器420没有检测到激光切割机100的任何不安全条件，则安全监控器420配置为提供具有使能状态的使能信号L_EN以启用激光管124。如果安全监控器420检测到或确定激光切割机100的不安全条件，则安全监控器420配置为提供具有另一种状态（其与使能状态不同）的使能信号L_EN，以禁用激光管124。

在至少一个实施例中，主激光控制装置416和安全监控器420中的一个或两个可操作地连接到一个或多个传感器424，并且配置为响应于检测到不安全条件，使用使能信号L_ON和L_EN中的相应的一个关闭和/或禁用激光管124。传感器424可以包括：温度传感器，该温度传感器配置为检测激光管124或其它部件的过热条件；门传感器，该门传感器配置为检测可打开屏障116的打开条件；泄露传感器，该泄露传感器配置为检测冷却***144的泄露条件（在基于液体冷却剂的冷却***的情况下）；烟雾传感器，该烟雾传感器配置为检测激光切割机100内的火；电压传感器，该电压传感器配置为检测一些电部件的过电压条件；以及电流传感器，该电流传感器配置为检测一些电部件的过电流条件。在某些情况下，传感器424可以包括冗余传感器，该冗余传感器配置为检测相同的不安全条件，但是连接到主激光控制装置416和安全监控器420中的不同的一个，使得主激光控制装置416和安全监控器420中的两个都配置为独立地和冗余地检测特定的不安全条件。

将认识到，常规的激光电源使用全部都路由到同一个控制器芯片的控制输入端。这意味着芯片的故障可能导致激光从激光管124的不受控制的发射。相反，主控制板400使用冗余和容错安全输入端。要求所有的三个主输入端有效以发射激光（I_CMD、L_ON和L_EN）。如果存在安全关键问题，则立即停用两个（L_ON和L_EN），从而关闭电力***的两个不同部分，包括驱动高电压变压器156的开关412，这两个开关单独地导致激光管124的关闭。

图12示出了用于电源的高电压子***的主控制板400的示例性示意图。可以看出，图12的示例性示意图包括除PWM控制器404和栅极控制器408之外的许多附加电路部件。示例性示意图中所图示的附加电路部件用于各种目的，诸如偏压或调节由PWM控制器404和栅极控制器408接收或输出的信号。在大多数情况下，附加电路部件的特定布置只是许多合适且等效的电路布置中的一个，该电路布置可能被用来实现预期的偏压、调节或其它功能。因此，所图示的特定电路布置并没有被完全详细地描述，而是只讨论了某些显著的特征。

在图12中所图示的特定示例性实施例中，开关412是功率MOSFET开关，该功率MOSFET开关被布置为形成半桥逆变器504，该半桥逆变器504驱动高电压变压器156的初级侧绕组。由于半桥逆变器504和栅极控制器408在完全不同的操作电压下操作，半桥逆变器504与栅极控制器408电隔离，从而提高安全性，并且最小化对主控制板400的损坏的风险。具体地，栅极控制信号GATE_1和GATE_2通过变压器508以电隔离的方式被提供给功率MOSFET开关412的栅极。

在图12中所图示的特定示例性实施例中，代表真实的次级侧输出电压反馈316的反馈线YELLOW和GREEN没有被直接提供给PWM控制器404。相反，反馈线YELLOW和GREEN被提供给比较器电路512。在一个实施例中，比较器电路512配置为响应于反馈电压超过预定过电压阈值而输出具有预定状态的电压反馈信号。在一个实施例中，比较器电路512配置为将输出电压反馈信号的幅值按预定因子（例如10000:1）按比例缩小，使得输出电压反馈信号在适合于由PWM控制器404接收的预定范围（例如0 V至2.5 V）内。附加地，关于代表真实的次级侧输出电流反馈316的反馈线BLACK和WHITE，只将反馈线BLACK提供给PWM控制器404，并且反馈线WHITE没有被使用。

在图12中所图示的特定示例性实施例中，命令信号I_CMD没有被直接提供给PWM控制器404。相反，命令信号I_CMD被提供给调节电路516，该调节电路516然后以调节后的形式将命令信号I_CMD提供给PWM控制器404。类似地，使能信号L_ON也没有被直接提供给PWM控制器404。替代地，使能信号L_ON被提供给调节电路520，该调节电路520然后以调节后的形式（表示为L_ON’）将使能信号L_ON提供给PWM控制器404。附加地，在图12中所图示的特定示例性实施例中，调节后的使能信号L_ON’被提供给PWM控制器404的死区时间控制（DTC）输入端，代替专用的使能输入端。最后，使能信号L_EN没有被直接提供给栅极控制器408。替代地，使能信号L_EN被提供给调节电路524，该调节电路524然后以调节后的形式（表示为L_EN'）将使能信号L_EN提供给栅极控制器408。

在图12中所图示的特定示例性实施例中，代表真实的次级侧输出电流反馈316的反馈线BLCK和WHITE也被提供给比较器电路528，该比较器电路528配置为响应于流过激光管的电流超过预定过电流阈值而通过二极管下拉使能信号L_EN（以便禁用栅极控制器408）。以这种方式，比较器电路528充当附加的安全机构，如果存在不安全条件，则该附加的安全机构将禁用激光管124。

虽然本公开已经在附图和上述描述中进行了详细图示和描述，但是它们在性质上应被视为说明性而非限制性的。要理解，只有优选的实施例已经被提出，并且落入本公开的精神内的所有改变、修改和进一步的应用都期望被保护。

Claims (20)

1.一种激光切割机，包括：

外壳；

气体激光器，所述气体激光器具有激光管，所述激光管设置在所述外壳内；

电源，所述电源通过设置在所述激光管与到所述电源的外部连接之间的电路可操作地连接到所述激光管，所述电源包括至少一个控制器，所述至少一个控制器配置为控制供应给所述激光管的电流，以便在第一操作模式下驱动所述激光管；

接地故障电路中断器（GFCI）装置，所述GFCI装置电连接在所述电源与外部AC电源之间，所述GFCI装置配置为检测接地故障条件，并且在检测到所述接地故障条件时中断通过所述GFCI装置供应的电力；以及

电阻装置，所述电阻装置与所述电路串联连接，所述电阻装置具有电阻，并且配置为:（i）减少当所述激光管在第一操作模式下驱动时产生的电噪声以及（ii）防止由所述电噪声引起的通过所述GFCI装置供应的所述电力的中断。

2.根据权利要求1所述的激光切割机，其中，所述电路包括连接到所述激光管的输入端的供应线和连接到所述激光管的输出端的返回线，所述电阻装置设置在所述返回线中。

3.根据权利要求1所述的激光切割机，其中，所述第一操作模式是脉冲模式，在所述脉冲模式下，所述激光管被驱动成以脉冲发射激光束，当在所述脉冲模式下驱动时，所述电阻装置稳定从所述激光管返回的电流的波形，以减少所述电噪声。

4.根据权利要求3所述的激光切割机，其中，所述控制器进一步配置为在第二操作模式下驱动所述激光管，所述第二操作模式是连续模式，在所述连续模式下，所述激光管被驱动以连续地发射所述激光束。

5.根据权利要求1所述的激光切割机，其中，所述电阻装置包括安装到所述外壳和所述激光管中的一个的壳体，配置为电绝缘和导热的垫设置在所述电阻装置与所述外壳和所述激光管中的一个之间。

6.根据权利要求5所述的激光切割机，其中，所述壳体安装到所述激光管，所述激光切割机进一步包括冷却***，所述冷却***配置为使液体冷却剂循环，以便接触所述激光管的至少一部分并且冷却所述激光管和所述电阻装置。

7.根据权利要求5所述的激光切割机，其中，所述壳体安装到所述外壳的金属部分，所述金属部分配置为散热片，以冷却所述电阻装置。

8. 一种用于激光切割机中的高电压电阻装置的端帽，所述端帽包括：

刚性周边壁，所述刚性周边壁以连续方式环绕所述端帽的纵向轴线，所述周边壁限定开口，所述开口沿所述纵向轴线完全延伸通过所述端帽；以及

多个周边间隔的保持构件，所述保持构件从所述周边壁径向向内延伸，所述保持构件配置为将高电压导线定位在所述开口内，

其中，所述周边壁具有配置为邻接所述电阻装置的第一端和配置为通过所述开口接收介电材料的第二端，以便完全封装所述导线到所述电阻装置的连接，所述周边壁和所述保持构件配置为设定所述连接与所述周边壁之间的所述介电材料的最小径向厚度。

9.根据权利要求8所述的端帽，其中，所述保持构件配置为在平行于所述纵向轴线的方向上可滑动地接收所述导线。

10.根据权利要求8所述的端帽，其中，所述保持构件与所述周边壁的所述第二端对齐，并且从所述第二端朝向所述周边壁的所述第一端纵向延伸。

11.根据权利要求10所述的端帽，其中，所述保持构件中的至少一个以连续方式从所述第二端延伸，并且在所述第一端邻接所述电阻装置时不与所述连接重叠。

12.根据权利要求10所述的端帽，其中，所述保持构件中的至少一个以连续方式从所述第二端延伸，并且在所述第一端邻接所述电阻装置时与所述连接重叠。

13.根据权利要求8所述的端帽，其中，所述保持构件中的至少一个具有配置为接触所述导线的保持表面，所述保持表面具有形状，当在被定向为垂直于所述纵向轴线的横截面上观察时，所述形状与带有与所述纵向轴线同心的中心点的假想圆的圆周的部分对应。

14.根据权利要求8所述的端帽，其中，所述周边壁具有设置在所述第一端的凸缘部分和从所述凸缘部分纵向延伸并且限定所述第二端的主体部分，所述凸缘部分具有对准特征，所述对准特征与所述电阻装置配合，以使所述端帽相对于所述电阻装置对准，所述主体部分具有带有设定所述介电材料的所述最小径向厚度的环形形状的内表面。

15.一种用于激光切割机的电源，所述电源包括：

电源电路，所述电源电路可操作地连接到所述激光切割机的激光管并且配置为提供操作电流以操作所述激光管，所述电源电路至少具有变压器以及配置为驱动所述变压器的初级侧绕组的多个开关；

脉冲宽度调制（PWM）控制器，所述PWM控制器具有命令输入端和第一使能输入端，所述PWM控制器配置为：（i）基于在所述命令输入端处接收到的命令信号来产生至少一个PWM控制信号以及（ii）响应于在所述第一使能输入端处接收到的第一使能信号具有预定第一状态来输出所述至少一个PWM控制信号；以及

栅极驱动器电路，所述栅极驱动器电路具有至少一个控制输入端和第二使能输入端，所述栅极驱动器电路配置为：（i）在所述至少一个控制输入端处接收来自所述PWM控制器的所述至少一个PWM控制信号以及（ii）仅响应于在所述第二使能输入端处接收到的第二使能信号具有预定第二状态来根据所述至少一个PWM控制信号操作所述多个开关，

其中，所述PWM控制器的所述第一使能输入端和所述栅极驱动器电路的所述第二使能输入端连接到独立信号源。

16. 根据权利要求15所述的电源，其中：

所述PWM控制器配置为响应于所述第一使能信号具有除所述预定第一状态之外的任何状态而停止输出所述至少一个PWM控制信号；以及

所述栅极驱动器电路配置为响应于所述第一使能信号具有除所述预定第二状态之外的任何状态而停止输出所述PWM控制信号。

17.根据权利要求15所述的电源，其中，所述PWM控制器接收来自所述激光切割机的第一控制器的所述第一使能信号，并且所述栅极驱动器电路接收来自所述激光切割机的第二控制器的第二使能信号，所述第一控制器和所述第二控制器配置为分别彼此独立地产生所述第一使能信号和所述第二使能信号。

18.根据权利要求17所述的电源，其中，所述第一控制器配置为基于第一传感器的第一传感器信号产生所述第一使能信号，并且所述第二控制器配置为基于第二传感器的第二传感器信号产生所述第二使能信号。

19.根据权利要求17所述的电源，其中，所述第一传感器和所述第二传感器配置为独立地感测所述激光切割机的同一条件。

20.根据权利要求17所述的电源，其中，所述PWM控制器接收来自所述第一控制器和所述第二控制器中的一个的所述命令信号。

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