CN113267824B - 一种激光加工区域内的人体检测防护方法及防护装置 - Google Patents

一种激光加工区域内的人体检测防护方法及防护装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光加工区域内的人体检测防护方法及防护装置，其防护方法包括设备调试、开启防护装置、人体检测、关闭激光加工设备、加工完成后，先关闭激光加工设备，然后关闭防护装置等步骤；防护装置包括激光加工组件和防护组件，所述防护组件与激光加工组件连接；所述激光加工组件包括激光器和激光加工头，所述防护组件包括激光指示光源、光电探测器和处理器，所述处理器控制激光指示光源发出指示光照射在操作人员身体进入加工区域的路径上以及加工区域内，所述处理器控制激光器的开启或关闭。有益效果：本发明安全防护性能高，操作简便，抗干扰能力强，能够有效的保障工作人员的人身安全。

Description

一种激光加工区域内的人体检测防护方法及防护装置
技术领域
本发明涉及一种激光加工过程中的防护方法及防护装置，特别涉及一种激光加工区域内的人体检测防护方法及防护装置，属于激光加工技术领域。
背景技术
激光加工技术采用能量密度高、方向性好的激光作为工具，具有设备集成度高、操作灵活、无机械损伤等优点，被广泛应用在大型海洋工程与船舶、航空航天等领域。在激光加工过程中，虽然操作工人会佩戴护目镜，穿着防护服，但在视野不好的空间内部操作，也存在伤害的可能性。
目前主要采用红外传感器作为传感装置，检测加工区域是否有人体存在，增加激光加工的安全防护。由于红外传感器容易受到环境的干扰，当环境温度增大时，红外传感器的灵敏度大幅度下降，有时还会出现短暂失灵的情况；同时红外线穿透能力差，红外辐射易被遮挡，利用红外检测增加安全防护的措施存在隐藏的安全隐患。
发明内容
发明目的：本发明的目的是针对现有技术中存在的问题及不足，提出一种激光加工区域内的人体检测防护方法及防护装置；利用激光器指示光源及人体皮肤特殊的漫反射光信息，通过反馈信号控制激光加工设备的启停，防止激光对人体造成损伤，实现激光加工的安全防护。
技术方案：一种激光加工区域内的人体检测防护方法，包括以下步骤：
步骤一、设备调试；调整防护装置与待加工区域的距离，根据距离计算得到监测阈值，将监测阈值输入防护装置；
步骤二、开启防护装置；
步骤三、人体检测，防护装置根据监测值与阈值比较，判定加工区域是否有人体组织，如果有人体组织则关闭激光加工设备，如果没有人体组织则开启激光加工设备，加工完成后，先关闭激光加工设备，然后关闭防护装。
本发明通过检测人体或防护服对于光的漫反射强度与待加工工件对于光的漫反射强度不同，对加工区域内的人体进行检测，从而实现防护的方法，通过实时监测能够对激光加工过程进行持续防护，并且抗干扰能力强，能够有效的保障工作人员的人身安全。
优选项，为了获取合适的阈值范围，所述步骤一中监测阈值的计算方法为：
通过实验数据拟合得到监测阈值与防护装置至待加工区域的距离的函数关系；
首先、设定防护装置至待加工区域的距离，开启防护装置照射待加工工件，获得反射光的光信号，将光信号转化为电压信号，选择电压信号的平均值乘以安全系数作为阈值；
其次、将不同距离的实验数据拟合得到阈值曲线，根据阈值曲线拟合得到监测阈值与防护装置至待加工区域的距离的函数关系：y=Ae（-x/B）+C,
式中：x为防护装置至加工区域的距离（cm），y为监测阈值的电压值（mV），A、B、C均为常数，其中A为6425.3，B为1.3，C为69.3。
通过测量防护装置至加工区域的距离能够快速获得监测阈值，操作简便。
优选项，为了进一步获取合适的阈值范围，所述安全系数的确定方法为：
选择防护装置至待加工区域最大距离时的实验数据，防护装置分别照射待加工工件和人体皮肤，将照射人体皮肤时检测的最低值与照射待加工工件时检测的平均值之比作为最大值A，将照射待加工工件时检测的最高值与照射待加工工件检测的平均值之比作为最小值B，所述安全系数=（A+B）/2。
阈值设定过小，则防护级别过高，激光器容易频繁关闭；阈值设定过大，则防护级别过低，防护***达不到防护目的，并且防护装置至加工区域的距离越大则电信号强度差值越小，因此，根据实际激光加工的工艺选择防护装置至加工区域的距离最大的实验数据确定安全系数。
优选项，为了提高防护方法的可靠性，所述防护装置的激光指示光源的波长值为632.8nm，该波长的光照射皮肤反射比高。
一种激光加工区域内的人体检测防护装置，包括激光加工组件和防护组件，所述防护组件与激光加工组件连接；所述激光加工组件包括激光器和激光加工头，所述激光器产生的激光通过激光加工头照射至加工区域，所述防护组件包括激光指示光源、光电探测器和处理器，所述处理器控制激光指示光源发出指示光照射在操作人员身体进入加工区域的路径上以及加工区域内，光电探测器接收反射回来的指示光，光电探测器将光信号反馈给处理器，所述处理器控制激光器的开启或关闭。
本发明通过激光指示光源发出指示光照射在人体和加工工件上产生漫反射的光强度不同，进而检测加工区域内是否有人体存在，从而实现对操作人员的防护，通过实时监测能够对激光加工过程进行持续防护，并且抗干扰能力强，能够有效的保障工作人员的人身安全。
优选项，为了提高检测的准确性和可靠性，所述光电探测器固定安装在激光加工头上，且光电探测器的接收面的中心点和激光指示光源照射点之间的连线与激光指示光源的光路成夹角θ；所述夹角θ取值范围为 。
优选项，为了滤除其他波长的杂光提高检测的准确性和可靠性，所述光电探测器接收端设有滤波片，所述滤波片为波长600nm至650nm的窄带滤波片。
优选项，为了提高提高检测的稳定性，所述激光指示光源固定安装在激光加工头上。激光指示光源随着激光加工头的一起运动，能够稳定可靠地对加工区域进行防护。
优选项，为了保护光电探测器能够接收到稳定的反射光强度，所述光电探测器固定安装在激光指示光源上。光电探测器与激光指示光源的位置相对固定，因此，反射的光强度数值也是稳定的。
优选项，为了提高防护的可靠性，所述激光指示光源的数量为至少两个，光电探测器的数量为一个，各个激光指示光源分别照射在加工区域四周，所述光电探测器的接收面的中心点和各个激光指示光源照射点之间的连线与所测的激光指示光源的光路成夹角θ；所述夹角θ取值范围为。通过采用多个激光指示光源可以扩大防护的区域，进而提高本发明的防护的可靠性，同时通过控制光电探测器与各个激光指示光源之间的的连线与所测的激光指示光源的光路成夹角θ，保证光电探测器检测到的光信号稳定可靠。
为了进一步提高安全性，工作人员穿戴的防护服和防护眼镜以及口罩选择对激光指示光源反射比很高的材料。
有益效果：本发明能够在激光加工光源照射到人体皮肤或者防护服之前及时关闭激光器光源，防止操作工人被激光照射而受伤，有效的保护操作工人的人身安全；光电探测器对光反应灵敏，响应速度快，能够及时检测到指示光源照射到不同物体产生漫反射光强的变化；不受环境温度等方面的影响，工作稳定，防护等级高。综上所述，本发明安全防护性能高，操作简便，抗干扰能力强，能够有效的保障工作人员的人身安全。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明采用三个激光指示光源的结构示意图；
图3为本发明防护方法的流程图；
图4为本发明实验数据对比曲线图；
图5为本发明阈值拟合曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
如图1所示，所述激光器11发出激光，通过光纤传输进入激光加工头12后，并通过场镜射出，将激光聚焦在加工材料表面进行激光加工。所述激光指示光源21在激光器11启动前开启指示光，所述指示光通过滤波片24滤除杂光后由光电探测器22接收，所述光电探测器22与处理器23连接并判断是否需要防护，所述处理器23与计算机连接，实时显示并控制激光器11的开启与关闭。具体流程如图3所示，先打开激光加工安全防护的装置，设定开启激光加工安全防护的阈值信号，放置待加工样品；打开激光指示光源21，调节光电探测器22和滤波片24，接收激光指示光源21发出的光信号；再打开光电探测器22与处理器23的开关，滤波片24以保证光电探测器22接收到的光源全部是由激光指示光源21发出的；光电探测器22接收激光指示光源21照射到加工区域或者人体皮肤时漫反射的光，并将光信号转换为电信号；处理器23接收光电探测器22发送的电信号并转换为电压信号；若电压信号大于或等于设定阈值大小，则处理器23将立刻关闭激光器11的电源，若电压信号小于设定阈值大小，则进行正常的加工工作；当进行正常的加工防护工作时，激光指示光源21与光电探测器22正常工作，若激光加工头12因操作不当照射到人体皮肤，那么处理器23接收的电压信号将大于设定阈值，则处理器23会立刻断开激光器11的电源，使激光加工头12停止出光；加工完成后，先关闭激光器11的开光，然后分别关闭激光指示光源21、光电探测器22与处理器23的开关，最后关闭所有电源的开关。
阈值可设为激光指示光源21照射到待加工工件所检测到电压平均值的124%-248%，进一步的缩小阈值的范围为待加工工件检测到的电压平均值的186%，如图4（图中工件与皮肤检测到的信号为多组数据的平均值，并加有误差棒）。将光电探测器距离加工区域距离5cm与10cm的设定阈值设定都为待加工工件检测到的电压平均值的186% ，计算并将它们拟合得到光电探测器距离加工区域5cm至15cm时的设定阈值曲线，如图5。
根据图5曲线得到的公式y=Ae（-x/B）+C, 式中:x为光电探测器21与加工区域的距离（cm），y为处理器23得到的电压值（mV）,A、B、C均为常数，其中A为6425.3，B为1.3，C为69.3，即可确定光电探测器22距离加工防护区域不同距离时应设的电压阈值大小。
实施例一
选择待加工的工件放在防护区域并固定在实验平台之上，调整激光加工头12使得防护激光光源的焦点在工件上，打开电源和处理器23，将光电探测器22固定在距离工件5cm的位置，使用的滤波片24为650nm窄带滤波片。将光电探测器22与防护区域距离x为5cm代入公式y=Ae（-x/B）+C得到阈值电压大小为205.56mv，即设置处理器23的电压信号阈值为206.56mv，随后打开激光指示光源21，并将其对准与加工激光光源的焦点处，打开光电探测器22与处理器23的开关，处理器23接收到的电压信号均小于设定阈值，此时激光器11正常工作，激光通过光纤传输到激光加工头12，从场镜射出，并对待防护区域进行加工防护。（分别测试了两块不同的钢板共10块不同的防护区域，并用示波器连接处理器实际测得最大的电压为140mv，均小于阈值。）
将人体皮肤放在距离加工激光光源的焦点5cm处，处理器23接收到的电压信号远大于设定阈值，并断开激光器电源，此时激光器11停止工作。（分别测试了手臂、手心、手背三处不同区域，并用示波器连接光电探测器22实际测得最小的电压为240mv，均远大于阈值。）
实施例
将光电探测器22分别固定在距离防护激光光源焦点10cm的位置，打开电源和处理器23，使用的滤波片24为650nm窄带滤波片。将光电探测器22与防护区域距离x为10cm代入公式y=Ae（-x/B）+C得到阈值电压大小为72.23mv，即设置处理器23的电压信号阈值为72.23mv，随后打开激光指示光源21，并将其对准与加工激光光源的焦点处，打开光电探测器22与处理器23的开关，将工件放在防护光源的焦点处，处理器23接收到的电压信号均小于设定阈值，并可操作激光器11正常工作，激光通过光纤传输到激光加工头12，从场镜射出，并对待防护区域进行加工防护。（分别测试了两块不同的钢板共10块不同的防护区域，并用示波器连接光电探测器22实际测得最大的电压为60mv，均小于阈值。）
将人体皮肤放在距离加工激光光源的焦点10cm处，处理器23接收到的电压信号远大于设定阈值，并断开激光器电源，此时激光器11停止工作。（分别测试了手臂、手心、手背三处不同区域，并用示波器连接光电探测器22实际测得最小的电压为240mv，均远大于阈值。）
实施例
将光电探测器22分别固定在距离防护激光光源焦点15cm的位置，打开电源和处理器23，使用的滤波片24为650nm窄带滤波片。将光电探测器22与防护区域距离x为15cm代入公式y=Ae（-x/B）+C设置处理器23的电压信号阈值为66.388mv，随后打开激光指示光源21，并将其对准与加工激光光源的焦点处，打开光电探测器22与处理器23的开关，将工件放在防护光源的焦点处，处理器23接收到的电压信号均小于设定阈值，并可操作激光器正常工作，激光通过光纤传输到激光加工头12，从场镜射出，并对待防护区域进行加工防护。（分别测试了两块不同的钢板共10块不同的防护区域，并用示波器连接光电探测器22实际测得最大的电压为50mv，均小于阈值。）
将人体皮肤放在距离加工激光光源的焦点15cm处，处理器23接收到的电压信号远大于设定阈值，并断开激光器电源，此时激光器11停止工作。（分别测试了手臂、手心、手背三处不同区域，并用示波器连接光电探测器22实际测得最小的电压为140mv，均远大于阈值。）
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种激光加工区域内的人体检测防护方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、设备调试；调整防护装置与待加工区域的距离，根据距离计算得到监测阈值，将监测阈值输入防护装置；
步骤二、开启防护装置；
步骤三、人体检测，防护装置根据监测值与阈值比较，判定加工区域是否有人体组织，如果有人体组织则关闭激光加工设备，如果没有人体组织则开启激光加工设备,加工完成后，先关闭激光加工设备，然后关闭防护装置；
所述步骤一中监测阈值的计算方法为：
通过实验数据拟合得到监测阈值与防护装置至待加工区域的距离的函数关系；
首先、设定防护装置至待加工区域的距离，开启防护装置照射待加工工件，获得反射光的光信号，将光信号转化为电压信号，选择电压信号的平均值乘以安全系数作为阈值；
其次、将不同距离的实验数据拟合得到阈值曲线，根据阈值曲线拟合得到监测阈值与防护装置至待加工区域的距离的函数关系：y=Ae（-x/B）+C,
式中：x为防护装置至加工区域的距离，单位为cm，y为监测阈值的电压值，单位为mV，A、B、C均为常数，其中A为6425.3，B为1.3，C为69.3。
2.根据权利要求1所述的激光加工区域内的人体检测防护方法，其特征在于，所述安全系数的确定方法为：
选择防护装置至待加工区域最大距离时的实验数据，防护装置分别照射待加工工件和人体皮肤，将照射人体皮肤时检测的最低值与照射待加工工件时检测的平均值之比作为最大值A，将照射待加工工件时检测的最高值与照射待加工工件检测的平均值之比作为最小值B，所述安全系数=（A+B）/2。
3.根据权利要求1所述的激光加工区域内的人体检测防护方法，其特征在于：所述防护装置的激光指示光源的波长值为632.8nm。
4.一种实现根据权利要求1所述的激光加工区域内的人体检测防护方法的装置，其特征在于：包括激光加工组件（1）和防护组件（2），所述防护组件（2）与激光加工组件（1）连接；所述激光加工组件（1）包括激光器（11）和激光加工头（12），所述激光器（11）产生的激光通过激光加工头（12）照射至加工区域，其特征在于：所述防护组件（2）包括激光指示光源（21）、光电探测器（22）和处理器（23），所述处理器（23）控制激光指示光源（21）发出指示光照射在操作人员身体进入加工区域的路径上以及加工区域内，光电探测器（22）接收反射回来的指示光，光电探测器（22）将光信号反馈给处理器（23），所述处理器（23）控制激光器（11）的开启或关闭。
5.根据权利要求4所述的实现激光加工区域内的人体检测防护方法的装置，其特征在于：所述光电探测器（22）固定安装在激光加工头（12）上，且光电探测器（22）的接收面的中心点和激光指示光源（21）照射点之间的连线与激光指示光源（21）的光路成夹角θ；所述夹角θ取值范围为。
6.根据权利要求4所述的实现激光加工区域内的人体检测防护方法的装置，其特征在于：所述光电探测器（22）接收端设有滤波片（24），所述滤波片（24）为波长600nm至650nm的窄带滤波片。
7.根据权利要求4所述的实现激光加工区域内的人体检测防护方法的装置，其特征在于：所述激光指示光源（21）固定安装在激光加工头（12）上。
8.根据权利要求7所述的实现激光加工区域内的人体检测防护方法的装置，其特征在于：所述光电探测器（22）固定安装在激光指示光源（21）上。
9.根据权利要求7或8所述的实现激光加工区域内的人体检测防护方法的装置，其特征在于：所述激光指示光源（21）的数量为至少两个，光电探测器（22）的数量为一个，各个激光指示光源（21）分别照射在加工区域四周，所述光电探测器（22）的接收面的中心点和各个激光指示光源（21）照射点之间的连线与所测的激光指示光源（21）的光路成夹角θ；所述夹角θ取值范围为。
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