CN101862910A - 卷烟接装纸并行式激光打孔方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种卷烟接装纸并行式激光打孔方法，将K路并行排列的脉冲激光器组成的激光器阵列输出的K路脉冲激光束，经光路变换系统耦合传输后，聚焦于连续运动的水松纸的表面，形成沿水松纸宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光；藉由水松纸在线速度检测系统对水松纸的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制系统，再通过控制系统发出控制信号对所述激光器阵列中各脉冲激光器的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔时间进行控制，配合水松纸的连续运动，在水松纸表面打出图形或字符排列分布的小孔，其中K＝2～10。本发明同时提供了一种实现上述方法的装置，所述装置结构简单、工作稳定、加工效率高。

Description

卷烟接装纸并行式激光打孔方法及装置

技术领域

本发明属于激光打孔技术领域，特别是涉及一种卷烟接装纸并行式激光打孔方法及装置。

背景技术

吸烟有害健康是公认的事实，降低焦油含量对改善吸烟群体的身体健康具有重要意义。各国的卷烟制造商相继投入了大量的人力、物力和巨额资金，对降低卷烟焦油含量的理论方法、技术以及实践应用等方面进行了广泛而深入的研究，并发展了多种降焦技术。

卷烟接装纸作为卷烟过滤嘴专用外包装用纸，因其外观类似松木纹而曾得名水松纸。滤嘴通风稀释技术的原理是：通过在水松纸上打孔、使用高透气度滤棒成型纸或在滤棒上制成凹槽等方式，从而在抽吸卷烟时使外部空气进入滤嘴内并对主流烟气进行稀释，使吸入人体的焦油量相对减少。该项技术已成为国际上采用最广泛和最有效的降焦技术。目前美国卷烟市场上有90％左右的卷烟和西欧市场上80％左右的卷烟都采用了通风滤嘴，另外在亚洲的日本等国，通风滤嘴卷烟也占有相当大的比例。采用通风滤嘴这一简单、成熟且非常可靠的降焦技术，其降焦效果也十分明显，如美国Carlton牌卷烟采用通风滤嘴后可降低卷烟焦油量70％以上，降低CO高达80％以上，且通过强化加香、加料措施，也使该卷烟的吸味品质保持了较高水平。

目前我国过滤嘴香烟的比例已达95％。随着人类对于吸烟者健康保护要求的日益提高，能有效降低焦油含量、且减少尼古丁对人们健康伤害的水松纸打孔工艺得到迅速普及。

目前开发和利用的水松纸打孔技术主要包括机械打孔、电火花打孔、激光打孔等技术，其中激光打孔由于具有稳定性高和准确性高的特点，成为国际上广泛采用的方式。

激光打孔是利用激光辐射的高功率密度特点，将其聚焦加热水松纸，使水松纸局部达到汽化温度，汽化成孔。

目前已经推出的水松纸激光打孔机产品，以德国和中国华中科技大学开发的系列水松纸激光打孔机为主要代表。但其均为直线型打孔机，即每一路激光只能固定打一排孔，每排孔均为直线。玉溪金灿科技有限公司曾提出了多种由微孔构成图形的水松纸，例如：中国专利“带有由微孔构成图形的卷烟用水松纸”(专利号：ZL200410036764.2)与中国专利“一种带有由微孔构成圆弧形图形的水松纸”(专利号：ZL200420050165.1)，但上述专利中均未提供具体的水松纸表面微孔图形打孔的实现方法。

发明内容

本发明目的是：提供一种卷烟接装纸并行式激光打孔方法，该方法可以进行水松纸高速透气微孔图形或字符打孔；同时提供一种能够实现所述并行式激光打孔方法的装置，该装置能够在水松纸上进行高速透气微孔图形或字符激光打孔，并且结构简单、工作稳定、加工效率高。

本发明的技术方案是：一种卷烟接装纸并行式激光打孔方法，其特征在于：将K路并行排列的脉冲激光器组成的激光器阵列输出的K路脉冲激光束，经光路变换系统耦合传输后，聚焦于连续运动的水松纸的表面，形成沿水松纸宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光；藉由水松纸在线速度检测系统对水松纸的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制系统，再通过控制系统发出控制信号对所述激光器阵列中各脉冲激光器的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔时间进行控制，配合水松纸的连续运动，在水松纸表面打出图形或字符排列分布的小孔，其中K＝2～10。

本发明上述方法的具体实施步骤如下：

A.由走纸机构的收卷辊和放卷辊装夹水松纸；

B.启动走纸机构，使收卷辊按设定的转速旋转，并带动水松纸连续运动；

C.由K路并行排列的脉冲激光器组成的激光器阵列输出的K路脉冲激光束，经光路变换系统耦合传输后，聚焦于连续运动的水松纸的表面，形成沿水松纸宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光，其中K＝2～10；

D.通过水松纸在线速度检测系统对水松纸的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制系统；

E.根据水松纸的运动速度信息，在控制系统对所述激光器阵列中各脉冲激光器的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔的集中控制下，配合水松纸的连续运动，在水松纸上打出所需的图形或字符排列分布的小孔。

本发明同时提供一种卷烟接装纸并行式激光打孔装置，该装置包括激光器阵列、光路变换系统、控制系统、水松纸在线速度检测系统、激光器电源阵列、激光器阵列冷却系统以及驱动水松纸连续运动的走纸机构，其中所述激光器阵列由并行排列的K个脉冲激光器组成，所述激光器电源阵列由与控制系统电连接的K个激光器电源组成，K＝2～10，每个激光器电源对应连接控制所述激光器阵列中的一个脉冲激光器；所述走纸机构与控制系统电连接，用于装夹待加工的水松纸，并驱动水松纸连续运动；所述水松纸在线速度检测系统安装在走纸机构上并与控制系统电连接，用于实时检测水松纸的运动速度，并将测得的速度信号反馈到控制系统上；所述光路变换系统设于激光器阵列前部，用于将激光器阵列输出的K路脉冲激光束耦合传输并聚焦于连续运动的水松纸的表面，形成沿水松纸宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光；所述激光器阵列冷却系统与控制系统电连接，用于冷却激光器阵列中的各脉冲激光器。

本发明装置中所述控制系统进一步由主处理器、中断处理输出模块和打孔图形字符数据存储模块组成，所述水松纸在线速度检测系统与主处理器电连接并向主处理器发送水松纸的运动速度信号，主处理器根据该速度信号并结合打孔图形字符数据存储模块中的图形或字符信息，通过中断处理输出模块对所述激光器阵列中各脉冲激光器的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔进行控制，在水松纸上打出所需的图形或字符排列分布的小孔，同时，所述主处理器与激光器阵列冷却系统相连，并对其进行监控，以保证所述激光器阵列中各脉冲激光器的正常工作。

本发明装置中所述光路变换系统具体可由光路传输耦合系统与单透镜聚焦系统的组合。

本发明装置中所述光路变换系统也可以是光学耦合聚焦单元阵列，其由与脉冲激光器一一对应的K个光学耦合聚焦单元组成，并且每个光学耦合聚焦单元采用透射方式完成聚焦，具体是它包括一个用于将脉冲激光器输出的脉冲激光束进行90°导向的45°反射镜和一个用于将反射光线会聚输出的聚焦透镜。当然本发明装置中每个光学耦合聚焦单元也可以通过反射方式完成聚焦，具体是它包括两个对称布置并用于将脉冲激光器输出的脉冲激光束实施两次90°导向的45°反射镜和一个用于将反射光线会聚输出的反射聚焦镜。

本发明装置中所述走纸机构同常规技术一样包括收卷辊与放卷辊，水松纸装夹在收卷辊和放卷辊上，并由收卷辊旋转带动作连续的直线运动，所述水松纸在线速度检测系统具体是一个高精度编码器，其安装在收卷辊的转轴上，或者也可以是任何与收卷辊等转速旋转的转轴上，用于对水松纸的运动速度作实施检测。

本发明的优点是：

(1)采用多路脉冲激光并行式打孔，装置造价低，且结构简单、技术容易实现，并可以根据实际使用情况方便地更换其中任意一台激光器，维护成本低。

(2)通过控制系统与水松纸在线速度检测系统的相互协调，可以在水松纸上进行高速透气微孔图形或字符激光打孔，打孔速度可达到与直线型打孔一样的速度。

(3)通过本发明方法及装置在水松纸上打出的透气微孔图形或字符分布，区别于现有的直线形排列，具有外型美观多变及防伪等功能，且可通过调整变化的透气微孔分布来提供滤嘴通风的不同气流分布形式，从而产生更加可控的降焦效果。

(4)本发明装置的光学变换系统结构简单，无需采用振镜等光学元件，且为固定光路，因此工作稳定。

总之，本发明可以在水松纸上进行高速图形或字符打孔，打孔速度快，加工效率高，产品质量好，并且提供的装置结构简单、使用寿命长、工作稳定。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明所提供的卷烟接装纸并行式激光打孔装置各部分连接关系示意图；

图2为图1中所述控制系统的控制流程示意图；

图3为图1中所述光路变换系统采用光路传输耦合系统与单透镜聚焦系统相结合的结构示意图；

图4为图1中所述光路变换系统采用光学耦合聚焦单元阵列的结构示意图；

图5为图4中所述光学耦合聚焦单元采用透射方式聚焦的示意图；

图6为图4中所述光学耦合聚焦单元采用反射方式聚焦的示意图；

图7为本发明所述并行式激光打孔点阵信息原理图。

具体实施方式

实施例1：结合图1、图2和图3所示为本发明卷烟接装纸并行式激光打孔装置的一种具体实施例，其由激光器阵列1、光路变换系统2、控制系统3、水松纸在线速度检测系统4、激光器电源阵列5、激光器阵列冷却系统6以及驱动水松纸连续运动的走纸机构7，其中所述激光器阵列1由并行排列的K＝7个脉冲激光器101、102、103、104、105、106、107组成，各脉冲激光器可采用射频激励的气体CO₂激光器，其输出功率约为50～2000瓦，激光输出波长为10.6μm，脉冲重复频率可达10000Hz；所述激光器电源阵列5由与控制系统3电连接的K＝7个激光器电源组成，每个激光器电源对应连接控制所述激光器阵列1中的一个脉冲激光器；所述各激光器电源的有效通断和时间延迟受控制系统3的集中控制，从而控制激光器阵列1中相应的脉冲激光器出光，在水松纸10上进行并行式激光打孔；所述走纸机构7与控制系统电连接，用于装夹待加工的水松纸10，并驱动水松纸10连续运动，所述水松纸在线速度检测系统4安装在走纸机构7上并与控制系统3电连接，用于实时检测水松纸10的运动速度，并将测得的速度信号反馈到控制系统3上；所述光路变换系统2设于激光器阵列1前部，用于将激光器阵列1输出的K路脉冲激光束耦合传输并聚焦于连续运动的水松纸10的表面，形成沿水松纸10宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光；所述激光器阵列冷却系统6与控制系统3电连接，用于冷却激光器阵列1中的各脉冲激光器。

所述控制系统3由主处理器301、中断处理输出模块302和打孔图形字符数据存储模块303组成，所述水松纸在线速度检测系统4与主处理器301电连接并向主处理器301发送水松纸10的运动速度信号，主处理器301根据该速度信号并结合打孔图形字符数据存储模块303中的图形或字符信息，通过中断处理输出模块302对所述激光器阵列1中各脉冲激光器的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔进行控制，在水松纸10上打出所需的图形或字符排列分布的小孔，同时，所述主处理器301与激光器阵列冷却系统6相连，并对其进行监控，以保证所述激光器阵列1中各脉冲激光器的正常工作。

所述水松纸在线速度检测系统4是整个装置中较为重要的一个环节。为了在运动的水松纸10上准确地打出所需图形或字符排列分布的小孔，相应打孔脉冲激光器的输出脉冲频率必须与水松纸10的运动速度相配合，因此在打孔过程中需要对水松纸10的运动速度进行实时检测。本实施例中所述走纸机构同常规技术一样包括收卷辊701与放卷辊702，所述水松纸在线速度检测系统4是一个高精度编码器，其安装在收卷辊701的转轴上，工作时随转轴同步运动。

本实施例中所述光路变换系统2采用光路传输耦合系统8与单透镜聚焦系统9相结合的结构，其结构如图3所示。由K(K＝2～10)路并行排列的脉冲激光器组成的激光器阵列1输出的K路沿水平方向传输的脉冲激光束，经光路传输耦合系统8变换后，光路改变90°并耦合进入单透镜聚焦系统9；耦合后的K路脉冲激光束经单透镜聚焦系统9聚焦于连续运动的水松纸10的表面，形成沿水松纸10宽度方向呈直线形密集排列的K路打孔脉冲激光，在运动的水松纸10表面打出K排图形或字符分布的微孔点阵排列。

采用上述实施例装置进行卷烟接装纸并行式激光打孔的方法具体分成下述几个步骤：

A.由走纸机构7的收卷辊701和放卷辊702装夹水松纸10；

B.启动走纸机构7，使收卷辊701按设定的转速旋转，并带动水松纸10连续运动；

C.由K路并行排列的脉冲激光器组成的激光器阵列1输出的K路脉冲激光束，经光路变换系统2耦合传输后，聚焦于连续运动的水松纸10的表面，形成沿水松纸10宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光，其中K＝7；

D.通过水松纸在线速度检测系统4对水松纸10的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制系统3；

E.根据水松纸10的运动速度信息，在控制系统3对所述激光器阵列1中各脉冲激光器101、102、103、104、105、106、107的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔的集中控制下，配合水松纸10的连续运动，在水松纸10上打出所需的图形或字符排列分布的小孔。

所述并行式激光打孔点阵信息原理如图7所示：图中黑格代表激光器需要打孔的点，白格代表不需要打孔的点。所述激光器阵列1输出的K路脉冲激光束，经光路变换系统2耦合传输后，聚焦于连续运动的水松纸10的表面，形成沿水松纸10宽度方向呈直线形密集排列的K路打孔脉冲激光，对水松纸10进行并行式打孔；同时，水松纸10由收卷辊701旋转带动沿水平方向连续运动；因此通过控制所述激光器阵列1与水松纸10运动速度的相互配合，在需要打孔的点打孔、在不需要的点忽略打孔，从而可以在水松纸上打出相应的图形或字符分布微孔点阵。

所述水松纸10上透气微孔构成的图案包括简单图形、字符以及简单的曲线或字母等；实际中可将所需图案数据转化为K行打孔点阵数据信息，并将其预先存入所述打孔图形字符数据存储模块303。以每毫米一个微孔组成的图形或字符点阵为例，本实施例的打孔速度可以达到10m/s(即600m/min)。

实施例2：结合图4、图5所示，本实施例与实施例1的区别是，所述光路变换系统2是光学耦合聚焦单元阵列，其由与脉冲激光器101、102、103、104、105、106、107一一对应的K个光学耦合聚焦单元201、202、203、204、205、206、207组成，每个光学耦合聚焦单元采用透射方式完成聚焦，所述每个光学耦合聚焦单元的组成是：一个用于将脉冲激光器输出的脉冲激光束进行90°导向的45°反射镜11和一个用于将反射光线会聚输出的聚焦透镜12。从脉冲激光器出射的脉冲激光束经过45°反射镜11后，光路改变90°，然后经聚焦透镜12聚焦后，焦点落在待加工的水松纸10表面。本实施例其余同实施例1。

实施例3：结合图6所示，本实施例与实施例2的区别是，所述每个光学耦合聚焦单元通过反射方式完成聚焦，所述每个光学耦合聚焦单元的组成是：两个对称布置并用于将脉冲激光器输出的脉冲激光束实施两次90°导向的45°反射镜和一个用于将反射光线会聚输出的反射聚焦镜14，且本实施例中该反射聚焦镜为抛物面反射聚焦镜。从脉冲激光器101出射的脉冲激光束经过第一45°反射镜11后，光路改变90°，然后入射到第二45°反射镜13，光路再改变90°，最后经反射聚焦镜14聚焦后，焦点落在待加工的水松纸10表面。本实施例其余同实施例2。

当然如上所述的具体实施方式并非是对本发明的限制，在本发明创意构思实质范围内的添加、改型、替换也属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种卷烟接装纸并行式激光打孔方法，其特征在于：将K路并行排列的脉冲激光器(101、102、103、104、105、106、107)组成的激光器阵列(1)输出的K路脉冲激光束，经光路变换系统(2)耦合传输后，聚焦于连续运动的水松纸(10)的表面，形成沿水松纸(10)宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光；藉由水松纸在线速度检测系统(4)对水松纸(10)的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制系统(3)，再通过控制系统(3)发出控制信号对所述激光器阵列(1)中各脉冲激光器的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔时间进行控制，配合水松纸(10)的连续运动，在水松纸(10)表面打出图形或字符排列分布的小孔，其中K＝2～10。

2.根据权利要求1所述的卷烟接装纸并行式激光打孔方法，其特征在于该方法的具体实施步骤如下：

A.由走纸机构(7)的收卷辊(701)和放卷辊(702)装夹水松纸(10)：

B.启动走纸机构(7)，使收卷辊(701)按设定的转速旋转，并带动水松纸(10)连续运动；

C.由K路并行排列的脉冲激光器组成的激光器阵列(1)输出的K路脉冲激光束，经光路变换系统(2)耦合传输后，聚焦于连续运动的水松纸(10)的表面，形成沿水松纸(10)宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光，其中K＝2～10；

D.通过水松纸在线速度检测系统(4)对水松纸(10)的运动速度进行实时检测，并将其速度信息反馈到控制系统(3)；

E.根据水松纸(10)的运动速度信息，在控制系统(3)对所述激光器阵列(1)中各脉冲激光器(101、102、103、104、105、106、107)的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔的集中控制下，配合水松纸(10)的连续运动，在水松纸(10)上打出所需的图形或字符排列分布的小孔。

3.一种实现权利要求1所述方法的卷烟接装纸并行式激光打孔装置，其特征在于包括激光器阵列(1)、光路变换系统(2)、控制系统(3)、水松纸在线速度检测系统(4)、激光器电源阵列(5)、激光器阵列冷却系统(6)以及驱动水松纸连续运动的走纸机构(7)，其中所述激光器阵列(1)由并行排列的K个脉冲激光器(101、102、103、104、105、106、107)组成，所述激光器电源阵列(5)由与控制系统(3)电连接的K个激光器电源组成，K＝2～10，每个激光器电源对应连接控制所述激光器阵列(1)中的一个脉冲激光器；所述走纸机构(7)与控制系统电连接，用于装夹待加工的水松纸(10)，并驱动水松纸(10)连续运动，所述水松纸在线速度检测系统(4)安装在走纸机构(7)上并与控制系统(3)电连接，用于实时检测水松纸(10)的运动速度，并将测得的速度信号反馈到控制系统(3)上；所述光路变换系统(2)设于激光器阵列(1)前部，用于将激光器阵列(1)输出的K路脉冲激光束耦合传输并聚焦于连续运动的水松纸(10)的表面，形成沿水松纸(10)宽度方向呈直线形或斜线形密集排列的K路打孔脉冲激光；所述激光器阵列冷却系统(6)与控制系统(3)电连接，用于冷却激光器阵列(1)中的各脉冲激光器。

4.根据权利要求3所述的卷烟接装纸并行式激光打孔装置，其特征在于所述控制系统(3)由主处理器(301)、中断处理输出模块(302)和打孔图形字符数据存储模块(303)组成，所述水松纸在线速度检测系统(4)与主处理器(301)电连接，并向主处理器(301)发送水松纸(10)的运动速度信号；主处理器(301)根据该速度信号并结合打孔图形字符数据存储模块(303)中的图形或字符信息，通过中断处理输出模块(302)对所述激光器阵列(1)中各脉冲激光器的出光时序、脉冲频率以及脉冲间隔进行控制，在水松纸(10)上打出所需的图形或字符排列分布的小孔，同时，所述主处理器(301)与激光器阵列冷却系统(6)相连，并对其进行监控，以保证所述激光器阵列(1)中各脉冲激光器的正常工作。

5.根据权利要求3所述的卷烟接装纸并行式激光打孔装置，其特征在于所述光路变换系统(2)为光路传输耦合系统(8)与单透镜聚焦系统(9)的组合。

6.根据权利要求3所述的卷烟接装纸并行式激光打孔装置，其特征在于所述光路变换系统(2)是光学耦合聚焦单元阵列，其由与脉冲激光器(101、102、103、104、105、106、107)一一对应的K个光学耦合聚焦单元(201、202、203、204、205、206、207)组成，每个光学耦合聚焦单元包括一个用于将脉冲激光器输出的脉冲激光束进行90°导向的45°反射镜(11)和一个用于将反射光线会聚输出的聚焦透镜(12)。

7.根据权利要求3所述的卷烟接装纸并行式激光打孔装置，其特征在于所述光路变换系统(2)为光学耦合聚焦单元阵列，其由与脉冲激光器(101、102、103、104、105、106、107)一一对应的K个光学耦合聚焦单元(201、202、203、204、205、206、207)组成，每个光学耦合聚焦单元包括两个对称布置并用于将脉冲激光器输出的脉冲激光束实施两次90°导向的45°反射镜(11、13)和一个用于将反射光线会聚输出的反射聚焦镜(14)。

8.根据权利要求3所述的卷烟接装纸并行式激光打孔装置，其特征在于所述走纸机构(7)包括收卷辊(701)与放卷辊(702)，所述水松纸在线速度检测系统(4)是一个高精度编码器，其安装在收卷辊(701)的转轴上，或者任何与收卷辊(701)等转速旋转的转轴上。

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