CN101890581A - 薄型材料激光在线打孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄型材料激光在线打孔装置，包括高功率连续激光器、光学分光机构、两个振镜扫描聚焦机构、走料机构及设置在走料机构上方并与两个振镜扫描聚焦机构一一对应的激光打孔头；所述光学分光机构包括由高速电机驱动旋转的机械调制分光盘，所述机械调制分光盘可藉由其上呈圆周交替间隔设置的通光部位和反光部位，将高功率连续激光器输出的连续激光束分成两路脉冲激光输出，分别输入到两个振镜扫描聚焦机构内。本发明借助光学分光机构仅采用单台高功率连续激光器即可对薄型材料进行窄幅面密集制孔，不仅效率高，且结构简单、成本低，激光能量利用率高，具备更高的性价比。

Description

薄型材料激光在线打孔装置

技术领域

本发明涉及一种薄型材料激光在线打孔装置。

背景技术

薄型材料是工业材料中的一种基本形式，很多薄型材料需要制备密集的微孔，例如卷烟行业的水松纸激光打孔，又或者是医药行业的橡胶膏剂，再或者是人造革、包装薄膜等也需要进行密集透气孔制备。

以橡胶膏剂这类薄型材料为例，其作为中药的主导剂型产品之一，在中药的发展中占有重要地位，但传统的橡胶膏剂由于透气性差，会给患者带来皮肤红肿、瘙痒、溃烂等副作用。为了解决这个问题，近几年来采用了的机械接触式冲孔打孔方法对生产的部分产品进行打孔，以增加产品透气性，为橡胶膏剂产品的发展起到了较好的促进作用，该方法虽然成本低，但却存在刀头难加工、易磨损、产品收率低、外观不美等缺点。随着科学技术的发展，激光打孔技术也不断在药品生产中得到应用，用激光对生产的橡胶膏剂进行打孔能提高产品收率和质量，且生产效率高，易管理。从2002年开始，华中科技大学激光研究院进行“CO₂激光超微切孔技术”的研发工作，研究成功“CO₂激光超微切孔设备”，目前该成套设备与工艺已得到了应用。采用该设备生产的密集微孔膏药受到了患者的欢迎，该项目的设备和工艺分别申请了一项发明专利和一项发明专利：发明专利为非金属薄型材料激光制孔的方法和设备(申请号02139127.0)，发明专利为一种膏药材料的激光打孔装置(申请号02279414.X)。

上述专利技术的核心是使用了多台并联50～100瓦射频CO₂激光器及与所属射频CO₂激光器一一对应的高速振镜系统，激光器发出的脉冲激光束通过振镜作用后扫描在100毫米宽度范围内对连续运动的橡胶膏剂表面实施打孔。例如8台激光器和8个振镜系统并联即可满足幅宽800毫米、打孔间距5毫米、生产线速度6～8米/分钟的生产要求。但是目前上述专利设备存在的缺点是：虽然采用多台中小功率射频激励CO₂激光器并联的方式进行打孔，但由于激光功率较低，在进行大幅面密集制孔时，效率仍显不足，加上设备整体投资及成本仍不小，且生产过程中产生的废屑易堵塞其排气系统等缺点，因此该设备最终并没有能够获得广泛的推广。

发明内容

本发明目的是：提供一种薄型材料激光在线打孔装置，该装置能采用单台高功率连续激光器对薄型材料进行窄幅面密集制孔，不仅效率高，且结构简单、成本低，激光能量利用率高，具备更高的性价比。

本发明的技术方案是：一种薄型材料激光在线打孔装置，包括高功率连续激光器、光学分光机构、两个振镜扫描聚焦机构、走料机构及设置在走料机构上方并与两个振镜扫描聚焦机构一一对应的两个激光打孔头；所述光学分光机构包括一由高速电机驱动旋转的机械调制分光盘，所述机械调制分光盘可藉由其上呈圆周交替间隔设置的通光部位和反光部位将高功率连续激光器输出的连续激光束分成两路脉冲激光输出，分别对应输入两个振镜扫描聚焦机构内。

本发明中所述通光部位具体可以是开设于机械调制分光盘外缘上的通光切口，当通光切口的数量较多时，机械调制分光盘的外缘则呈锯齿状；或者，所述通光部位也可以是通光孔；或者，所述通光部位也可以部分为通光孔，而部分为开设于机械调制分光盘外缘上的通光切口。同时本发明中所述的反光部位则可以是固定于机械调制分光盘上的反光镜；或者是镀膜反光材料于机械调制分光盘上所形成的反光层；或者所述反光部位也可以就是位于相邻两个通光部位之间的非通光部位，当然前提是所述机械调制分光盘由反光材料制成。所述反光材料优选具有足够机械强度，且反射率高并抗激光损伤的金属，例如纯铜材料。

本发明中所述机械调制分光盘的工作原理如下：机械调制分光盘旋转的过程中，其上的反光部位旋转到高功率连续激光器的出光轴线上时，激光器射出的连续激光束经该反光部位反射并进入其中一个振镜扫描聚焦机构内，而当机械调制分光盘上的通光部位旋转到高功率连续激光器的出光轴线上时，激光器射出的连续激光束穿透该通光部位后进入另一个振镜扫描聚焦机构。随着机械调制分光盘的不断旋转，所述反光部位与通光部位交替出现在高功率连续激光器的出光轴线上，使得连续激光束被交替反射和透射，从而形成两束重复频率输出的脉冲激光分别进入两个振镜扫描聚焦机构。

并且本发明中所述通光部位或者反光部位均可呈圆周等间距分布于机械调制分光盘上，此时当机械调制分光盘的转速恒定时，经由通光部位透射产生的一路脉冲激光或者经由反光部位反射产生的一路脉冲激光的重复频率是恒定的。本发明中所述通光部位或者反光部位也可呈圆周非等间距分布于机械调制分光盘上，此时即使机械调制分光盘的转速恒定，那么经由通光部位透射产生的一路脉冲激光或者经由反光部位反射产生的一路脉冲激光的重复频率不是恒定的。

本发明中为了有效提高经机械调制分光盘作用后输出的两路脉冲激光的脉冲频率，就必须尽可能的减小连续激光束从透射过渡至反射的速度，为此本发明采取以下三种方案来达成上述目的：

1)增设一对聚焦透镜，该对聚焦透镜于高功率连续激光器的输出光路上相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制分光盘恰好位于该望远准直系统的共焦面上。通过加入所述望远准直系统，使高功率连续激光器的出射光路上产生一个光斑非常小的位置，这样当机械调制分光盘的通光孔或者通光切口的边缘扫过这个光斑时，连续激光束从透射过渡至反射的速度就会非常短。

2)将通光切口或者通光孔加工成锥形结构。

3)保持通光孔或者通光切口的间隙尺寸不变，使所述机械调制分光盘相对连续激光束以角度θ倾斜放置，θ为机械调制分光盘的转轴与连续激光束的水平方向夹角，取值为10°～45°。

值得一提的是上述方案1)可以与方案1)或者2)结合运用，从而更进一步的减小连续激光束从透射过渡至反射的速度。并且当方案1)与方案2)结合运用时，本发明中优选使得呈锥形结构的通光切口(或者通光孔)的锥角大于望远准直系统共焦面上的光斑发散角。

本发明中所述走料机构包括薄型材料生产线传送支架及安装在薄型材料生产线传送支架上的收卷辊和放卷辊，所述两个激光打孔头设置在薄型材料生产线传送支架上方，所述两个振镜扫描聚焦机构可调节的均匀分布安装在一个以上的定位轴上，所述定位轴连接在所述薄型材料生产线传送支架上。

更进一步的，本发明中在所述薄型材料生产线传送支架下方还设有除尘风机。

本发明中同常规技术一样，所述每个激光打孔头内均进一步设有辅助气体喷射装置。

激光器的功率越高，打孔的能力越强。在目前适于工业应用的高功率连续激光器中，波长10.6μm的CO₂激光器最适于加工非金属材料，其中功率在50～500瓦的玻璃管CO₂激光器则是技术最成熟且性价比最高的激光器，目前已经有数万台此类激光器用于工业应用。因此，本发明中的高功率连续激光器优选功率范围在50～500瓦的玻璃管CO₂激光器。

本发明中所述每个振镜扫描聚焦机构均由反射扫描振镜、平场聚焦镜及连接所述反射扫描振镜的振镜扫描位置调节装置组成，所述机械调制分光盘上设有调制盘转速测量传感控制器，其可测量机械调制分光盘的转速并根据该转速发出控制信号驱动振镜扫描位置调节装置调整反射扫描振镜的x轴向扫描位置；同时所述走料机构上设有薄型材料运动速度测量传感控制器，其可测量薄型材料的运动速度并根据该速度发出控制信号驱动振镜扫描位置调节装置调整反射扫描振镜的y轴向扫描位置；其中所述x轴向垂直于薄型材料运动方向，而y轴向与薄型材料的运动方向一致。

本发明的工作原理如下：高功率连续激光器输出的连续激光束，经高速旋转的机械调制分光盘上交替出现的通光部位和反光部位进行分光，并被分成两束脉冲激光分别进入对应的振镜扫描聚焦机构内，每束脉冲激光经反射扫描振镜反射扫描后，再通过平场聚焦镜进行聚焦，最后经激光打孔头输出至连续运动的薄型材料表面的一定宽度范围(例如100毫米)内，使薄型材料表明局部汽化，从而打出透气孔。两个振镜扫描聚焦机构并排布置且同时工作，使得两个激光打孔头同时输出聚焦激光在连续运动的薄型材料上实现纵向双排打孔，从而满足窄幅(200毫米以内)在线打孔。具体工作过程中，两个激光打孔头固定不动，每个激光打孔头内的辅助气体喷射装置用于将汽化的薄型材料吹走，并由设置在薄型材料生产线传送支架下方的除尘风机清理，保持生产线清洁。

本发明与现有的专利技术：非金属薄型材料激光制孔的方法和设备(申请号02139127.0)和一种膏药材料的激光打孔装置(申请号02279414.X)相比，相同之处是它们最终都采用了振镜扫描聚焦机构扫描打孔。但区别是现有的专利技术中进入各振镜扫描聚焦机构内的激光束分别来自多台独立的高功率脉冲激光器，这些脉冲激光器往往并联起来一起工作，需要采用打孔控制系统控制脉冲激光器的脉冲输出，并控制振镜扫描聚焦机构的停顿和跳转。而本发明中的多个脉冲激光则来自同一个高功率连续激光器，即这些脉冲激光是由高功率连续激光器输出的连续激光束通过一个高速旋转的机械调制分光盘分割形成的，相比现有专利技术，本发明结构更加简单，激光能量利用率更高，能够大大降低生产成本。

在薄型材料的激光打孔技术中，激光束必须通过光路传输系统将光束传输到要打孔的位置，激光器的能力是否能够发挥出来，光路传输系统的设计非常重要。薄型材料在线打孔要求在很宽的区域内同时打孔，不论采用怎样的激光器都必须解决窄幅面内同时打孔这个问题，本发明采用纵向双排打孔，其要求将连续激光束分割成所要求的两束脉冲激光，采用机械调制分光盘特别适合，高速旋转的机械调制分光盘的分光效率高，占空比可调，能够承受高的激光功率，因此与高功率激光器配合能够获得更高的打孔能力，具有好的发展前景。

本发明的优点是：

(1)本发明采用机械调制分光盘将连续激光束分成两路脉冲激光输出，相比现有采用多台脉冲激光器并联工作的模式，不仅激光能量利用效率高，且使得装置整体结构更加简单、体积更小、成本更低，使用寿命则更长，生产维护也更容易。

(2)本发明采用高功率连续激光器作为加工光源，由于激光打孔头可以是多个，所以技术上对激光功率没有限制，再加上现有的高功率连续激光器已经能够获得非常高的功率输出，这样加工速度也没有限制，可以获得非常高的加工速度。

(3)本发明采用高功率连续激光器(例如玻璃管CO₂激光器)，技术成熟，工作中无需特殊维护，保证设备长期可靠运行。一台高功率连续激光器便可取代多台中小功率脉冲激光器，性价比好，故障率大大降低，性能更稳定。

总之本发明与现有技术相比能够充分利用激光能量，激光功率没有限制，可双头同时加工、加工效率很高、技术容易实现，完全能够解决现有技术存在的缺陷。

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为本发明一种具体实施例的结构示意图；

图2为图1实施例中机械调制分光盘的单独结构示意图；

图3为图1实施例中振镜扫描聚焦机构的排列位置示意图；

图4为图1实施例中单个振镜扫描聚焦机构扫描原理图。

其中：1、高功率连续激光器；2、连续激光束；3、机械调制分光盘；4、脉冲激光；5、振镜扫描聚焦机构；6、收卷辊；7、薄型材料生产线传送支架；8、除尘风机；9、激光打孔头；10、反射扫描振镜；11、平场聚焦镜；12、第一定位轴；13、第二定位轴；14、通光部位；15、反光部位；16、第一聚焦透镜；17、第二聚焦透镜。

具体实施方式

实施例：首先结合图1、图2所示，本发明提供的这种薄型材料激光在线打孔装置，它由高功率连续激光器1、光学分光机构、两个振镜扫描聚焦机构5、走料机构、设置在走料机构上方并与两个振镜扫描聚焦机构5一一对应的激光打孔头9及除尘风机8一同构成。本实施例中的高功率连续激光器1采用目前最成熟且性价比最高的玻璃管CO₂激光器，这对于保障生产稳定高效非常重要，所述玻璃管CO₂激光器的波长为10.6μm，功率范围在50～500瓦。

本实施例中的光学分光机构具体由机械调制分光盘3，用以驱动机械调制分光盘3旋转的高速电机(图中省略)，第一聚焦透镜16和第二聚焦透镜17一同构成。具体如图2所示，本实施例中的机械调制分光盘3的外缘上呈圆周交替均匀间隔设有12个通光部位14和12个反光部位15，所述通光部位14是开设于机械调制分光盘3外缘上的通光切口；而反光部位15则是固定于机械调制分光盘3上的反光镜。所述第一聚焦透镜16和第二聚焦透镜17于高功率连续激光器1的输出光路上相对布置而构成望远准直系统，并且机械调制分光盘3恰好位于该望远准直系统的共焦面上。所述高速电机的输出轴与机械调制分光盘3的转轴相连，该转轴偏离于高功率连续激光器1的光轴布置，偏离的距离恰为机械调制分光盘3外缘上的通光切口至机械调制分光盘3转轴的距离。

机械调制分光盘3旋转的过程中，其上的反光镜旋转到高功率连续激光器1的出光轴线上时，激光器射出的连续激光束2经该反光镜反射并进入其中一个振镜扫描聚焦机构5内，而当机械调制分光盘3上的通光切口旋转到高功率连续激光器1的出光轴线上时，激光器射出的连续激光束2穿透该通光切口后进入另一个振镜扫描聚焦机构5。随着机械调制分光盘3的不断旋转，所述反光镜与通光切口交替出现在高功率连续激光器1的出光轴线上，使得连续激光束2被交替反射和透射，从而形成两束重复恒定频率输出的脉冲激光4分别进入两个振镜扫描聚焦机构5内。同时由于本实施例中在光学分光机构内加入了望远准直系统，使高功率连续激光器1的出射光路上产生一个光斑非常小的位置，这样当机械调制分光盘3上的通光切口边缘扫过这个光斑时，连续激光束2从透射过渡至反射的速度就会非常短，以此能够有效提高经机械调制分光盘3作用后输出的两路脉冲激光4的脉冲频率。

如图1所示，本实施例中所述走料机构由薄型材料生产线传送支架7、安装在薄型材料生产线传送支架7上的收卷辊6和放卷辊共同构成，所述薄型材料便由收卷辊6带动在薄型材料生产线传送支架7上作连续运动；所述两个激光打孔头9设置在薄型材料生产线传送支架7上方，并且每个激光打孔头9内均设有辅助气体喷射装置。所述除尘风机8设置在薄型材料生产线传送支架7下方。再结合图3所示，本实施例中所述两个振镜扫描聚焦机构5分别可调节的均匀安装在第一定位轴12和第二定位轴13上，所述第一、第二定位轴12、13则连接在所述薄型材料生产线传送支架7上，这样可以保证每个振镜扫描聚焦机构5打出来的孔位置相对固定，两个振镜扫描聚焦机构5之间的相互位置可以调节，从而保证打孔均匀，薄型材料不会有地方打不到孔。

进一步结合图4所示，本实施例中所述每个振镜扫描聚焦机构5均由反射扫描振镜10、平场聚焦镜11及连接所述反射扫描振镜10的振镜扫描位置调节装置组成，所述机械调制分光盘3上设有调制盘转速测量传感控制器，其可测量机械调制分光盘3的转速并根据该转速发出控制信号驱动振镜扫描位置调节装置调整反射扫描振镜10的x轴向扫描位置；同时所述走料机构上设有薄型材料运动速度测量传感控制器，其可测量薄型材料的运动速度并根据该速度发出控制信号驱动振镜扫描位置调节装置调整反射扫描振镜10的y轴向扫描位置；其中所述x轴向垂直于薄型材料运动方向，而y轴向与薄型材料的运动方向一致。当通过机械调制分光盘3分光形成的脉冲激光4进入相应的振镜扫描聚焦机构5内后，先经反射扫描振镜10反射扫描，再经平场聚焦镜11聚焦后照射在薄型材料表明使其汽化，从而在一定的范围内扫描打孔，反射扫描振镜10的扫描是二维的，其中一维将脉冲激光4沿x轴方向，也即垂直于薄型材料的运动方向展开，而另一维则将脉冲激光4沿y轴方向，也即与薄型材料运动方向一致的方向展开。

需要采用本实施例进行在线打孔的薄型材料幅宽：100mm；打孔间距要求：5mm(横向)×4.3mm(纵向)；本实施例的工作原理如下：高功率连续激光器1输出的连续激光束2，经过机械调制分光盘3分光，形成两束脉冲激光4，每束脉冲激光束4经振镜扫描聚焦机构5内的反射扫描振镜10反射扫描后，再通过平场聚焦镜11进行聚焦，最后经激光打孔头9输出至连续运动的薄型材料表面的一定宽度范围内，使薄型材料表明局部汽化，从而打出透气孔。两个振镜扫描聚焦机构5并排布置且同时工作，使得两个激光打孔头9同时输出聚焦激光在连续运动的薄型材料上实现纵向双排打孔，从而满足窄幅在线打孔。具体工作过程中，两个激光打孔头9固定不动，每个激光打孔头9内的辅助气体喷射装置用于将汽化的薄型材料吹走，并由设置在薄型材料生产线传送支架7下方的除尘风机8清理，保持生产线清洁。

本实施例具体工作过程中的具体参数如下：高功率连续激光器1发出50～500瓦的连续激光束2，通过机械调制分光盘3分成两束平均功率为100～200脉冲激光4，每一束脉冲激光照射到一个振镜扫描聚焦机构5，通过反射扫描振镜10在横向50毫米范围内展开，两束脉冲激光4可以实现120毫米宽度薄型材料打孔，从而实现窄幅在线打孔。

对于每个反射扫描振镜10的打孔要求：薄型材料运行速度为20m/min＝333mm/s，每个反射扫描振镜10每一秒钟y轴方向需要打孔333mm/4.3mm＝77排/s，x轴方向需要打孔50mm/5mm＝10个/排，因此每一个反射扫描振镜10每一秒钟需要打孔77排/s ×10个/排＝770个/s。

本实施例中高功率连续激光器1的开关和功率大小，机械调制分光盘3的转速，走料机构的拉动速率，激光打孔头9中的辅助气体喷射装置均由控制系统控制。

当然以上仅是本发明的一种具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本发明还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种薄型材料激光在线打孔装置，包括高功率连续激光器(1)、光学分光机构、两个振镜扫描聚焦机构(5)、走料机构及设置在走料机构上方并与两个振镜扫描聚焦机构(5)一一对应的两个激光打孔头(9)；其特征在于所述光学分光机构包括由高速电机驱动旋转的机械调制分光盘(3)，所述机械调制分光盘(3)可藉由其上呈圆周交替间隔设置的通光部位(14)和反光部位(15)将高功率连续激光器(1)输出的连续激光束(2)分成两路脉冲激光(4)输出，分别输入到两个振镜扫描聚焦机构(5)内。

2.根据权利要求1所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述光学分光机构还包括一对聚焦透镜(16、17)，该对聚焦透镜(16、17)于高功率连续激光器(1)的输出光路上相对布置而构成望远准直系统，并且前述机械调制分光盘(3)恰好位于该望远准直系统的共焦面上。

3.根据权利要求1或2所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述通光部位是开设于机械调制分光盘(3)外缘上的通光切口，或者通光孔，或者部分通光部位为通光孔，而部分则为通光切口；而所述反光部位则是固定于机械调制分光盘(3)上的反光镜，或者镀膜反光材料于机械调制分光盘(3)上形成的反光层，或者所述机械调制分光盘(3)由反光材料制成，所述反光部位即是位于相邻两个通光部位之间的非通光部位。

4.根据权利要求3所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述通光切口或通光孔呈锥形结构。

5.根据权利要求1或2所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述机械调制分光盘(3)相对连续激光束(2)以角度θ倾斜放置，所述θ为机械调制分光盘(3)的转轴与连续激光束(2)的水平方向夹角，其取值为10°～45°。

6.根据权利要求1所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述走料机构包括薄型材料生产线传送支架(7)及安装在薄型材料生产线传送支架(7)上的收卷辊(6)和放卷辊，所述两个激光打孔头(9)设置在薄型材料生产线传送支架(7)上方，所述两个振镜扫描聚焦机构(5)可调节的均匀分布安装在一个以上的定位轴(12、13)上，所述定位轴(12、13)连接在所述薄型材料生产线传送支架(7)上。

7.根据权利要求6所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述薄型材料生产线传送支架(7)下方设有除尘风机(8)。

8.根据权利要求1或6所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述每个激光打孔头(9)内均设有辅助气体喷射装置。

9.根据权利要求1所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述高功率连续激光器(1)优选功率范围在50～500的玻璃管CO₂激光器。

10.根据权利要求1所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述每个振镜扫描聚焦机构(5)均由反射扫描振镜(10)、平场聚焦镜(11)及连接所述反射扫描振镜(10)的振镜扫描位置调节装置组成，所述机械调制分光盘(3)上设有调制盘转速测量传感控制器，其可测量机械调制分光盘(3)的转速并根据该转速发出控制信号驱动振镜扫描位置调节装置调整反射扫描振镜(10)的x轴向扫描位置；同时所述走料机构上设有薄型材料运动速度测量传感控制器，其可测量薄型材料的运动速度并根据该速度发出控制信号驱动振镜扫描位置调节装置调整反射扫描振镜(10)的y轴向扫描位置；其中所述x轴向垂直于薄型材料运动方向，而y轴向与薄型材料的运动方向一致。

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