CN101932453A - 用于旋转标印的方法和设备 - Google Patents

Abstract

用于圆柱形材料的旋转标印或加工的设备，该圆柱形材料优选为被用于封闭饮料诸如酒或类似物的天然软木塞、成块软木塞或合成材料，该设备适于执行如所述权利要求所描述的方法，包括圆柱形元件(优选为天然和合成软木塞)的至少一个进给系统；感应这种圆柱形元件存在的装置；一个激光系统；用于使圆柱形元件以变速在一个与该激光系统的聚焦平面相比的切线运动中在其自身旋转轴线上产生旋转的装置；用于测量至其旋转的表面和方向的瞬时切线速度的装置；光学修正和聚焦装置；基于微处理器控制器的装置；用于取下圆柱形元件的装置，以及其特征在于：该激光系统包括产生至少一个激光束的装置，用于激光束的瞬时调制和切换的装置，以及这些激光束中的每一个的以与圆柱形元件的表面上的瞬时切线速度同步的方式进行空间调制的装置。

Description

用于旋转标印的方法和设备

本发明涉及一种方法以及一种借助于圆柱形元件的激光辐射的旋转标印或加工设备，该旋转标印或加工设备允许对在变速下旋转的这些圆柱形元件进行加工处理。

背景技术

目前，在天然软木塞加工处理行业中使用的软木塞的标印系统是基于胶印油墨的印刷系统，或者是基于带有用电加热器或通过感应加热的热金属标印板的标印系统。

同时，在使用诸如聚丙烯、热塑性泡沫或硅树脂等合成材料来替代天然软木塞的情况下，通过胶印、移印、热传递来进行该标印工艺，由于所述材料的非吸附性而产生的困难，所以要使用特定油墨和烘干方法来帮助油墨固定在这些材料上。

在现有技术发展中，软木塞加工处理行业内已知且广泛使用的是，利用通常通过接触来旋转软木塞的标印系统，诸如在发明专利GB164505A、GB187588、US2003/0127000A1、WO 01/08893A1、WO95/13883A1、WO 2004/080813A2、US2003/0118745A1中所描述的标印系统，其中标印塞子的工艺通常是通过以下技术进行的：1.-温度和压力，其通过一个被保持在高温且通过电加热器或高功率的感应与标印板接触产生的热金属印章或板施加在塞子的主体上，该标印板事先被加工以具有根据酿酒厂希望看到被转移至塞子的主体的标志或图像的形状的凸纹，且由于施加在塞子的主体上的温度和压力将导致生成一个基于软木塞受影响的区域的颜色变化(由于“烘烤”效应变得更暗和/或取决于所施加的温度和/或压力变为深色的标印，2.-一种颜色的油墨，3.-几种油墨。

如今，印章板必须被制作成将其放置到标印塞子的机器中。这种印章(硅树脂或金属，这取决于标印是通过油墨还是通过温度和压力)的生产被外包给专门的机械工厂。

使用印章的软木塞标印工艺的另一缺陷是软木塞加工处理工厂被迫存储标印板组中的每一个，随着时间延续，这需要在生产设施中占据很大的储存空间。

事实上，这些标印板需要维护、维修和在很多情况下需要替换成其他新的标印板，因为使用之后它们会逐渐完全地或部分地损坏。

用油墨进行软木塞主体标印的工艺(头部或平坦侧面被热金属板标印)需要一个24小时的干燥处理，以确保油墨被完好地固定在塞子表面上。

塞子生产工艺的每个阶段，特别是那些需要应用该产品对其进行处理的阶段，其通常是在同一机器上在5000至20000个塞子之间成批进行处理，其中化学品以适合的量和比例添加至所述同一机器。目前，在该工艺的最后，塞子通常不包含任何与称为“清洗批次”的这些批次相关的信息。因此，如果酿酒厂在整个订单内发现一个未经适合的化学处理(例如，太多的石蜡、颜色匹配差等)的单个塞子，酿酒厂为了安全起见倾向于将整个订单返回至软木塞加工处理工厂。我们可以想象如果这个批次的塞子多达100000个，这会带来多少麻烦。

如今，为了工艺可追溯性的原因，越来越需要在塞子中进行细分(lotificación)以便于控制。因为这种包括在标印图案上的细分涉及一个正在进行的标印板的变化或改变该标印板的一部分，例如，其是一个改变数字的编号转换器，所以它对于现有系统是一个很大的问题。通常这种工艺是手动的且限于一些数字/字母，并且需要停止该标印工艺以清洁并替换具有待改变数字的标印板。

一旦所有事情准备完毕，该油墨标印工艺以如下方式进行：该标印板将吸收油墨以标印该塞子。这种工艺是连续进行的，其中一个接一个的塞子以高速被滚压且被迫穿过一个切向旋转轮的下方，该转轮包含在该旋转轮周围附接的标印板，该标印板事先已被注有特定量的油墨，且将辊子事先已置于该标印板的凸纹中的油墨转移。

另一方面，尽管与之前使用用于通过热量和压力标印的古老的热标印板/金属印章获得的塞子的标印相比，这种油墨标印方法由于其在多年前引入到酿酒厂在其塞子上的标印实现较高的图像清晰度，将这些标印图案用于绘制城堡、酿酒厂的轮廓及其风景、地面鲜花等，但是显著的是，该工艺仍然具有与油墨标印相关的很严重的且恼人的不方便性，特别是在低孔材料——诸如软木塞——中，因此软木塞行业需要改进。

一些与油墨标印塞子相关的缺陷是：1.-执行具有大面积的应被标印的图像/标志的图案时具有困难，因为会导致过量的油墨使图像混乱；2.-不得不将软木塞在其被由油墨标印后干燥约24小时，再进行下一个所述的硅树脂/石蜡处理；3.-将特定的油墨应用在用于食品行业的材料中，其被使用为仅标印塞子的主体，而在头部上的使用是不被健康机构所允许的，因为这些头部之一迟早将会与包含在讨论的瓶中的饮料接触；4.-当改变标印板/印章时，需要将机器停止约5至10分钟，不仅是为了替换标印板，而且还要清洁标印机构，以避免将妨碍该工艺且使标印质量恶化的废物的聚积(已测得，一个看管两个油墨标印器的专业操作者用于清洁和改变标印的停机平均时间为在每个日班中约1小时)；5.-所有国家的政府和最终消费者通常对于在食物产品中使用的油墨向相关部门施加压力，以减少和避免食品污染的风险。

尽管这种系统工作良好，但需要很高的维护、具有材料消耗和标印板的成本，且需要高的劳动力以用于这一工作和监控，这表明了用于该行业的明显不足。

另一方面，已知现有专利WO2004/007599A1公开了通过将热塑性泡沫材料和特殊添加剂混合用于与激光辐射反应而制备一种合成塞子的方法，以及用于标印这些塞子具体方法。应指出，该专利涉及标印由该种合成物——其应该事先由包括特殊添加剂的适当混合物制成——的合成塞子的方法，除了用于其标印的激光的具体类型，光学设置和聚焦焦点对于达到不会使塞子的表面恶化的适合结果也是关键的，因此导致了标印工艺的低可靠性、低速度以及不能标印塞子的整个主体和其头部、高投入和不定成本(添加剂)。

尽管存在多种已与其他之前专利组合以及用于其它应用的激光技术，但它们既没有在本发明的配置中出现，也不能够产生在下文中所述的益处，更谈不上圆柱形几何形状材料的加工处理以及软木塞在高速下的旋转运动。

此外，显著的是，在以前，一些技术障碍产生了一种对于使用激光在高速旋转的软木塞或圆柱形表面形成高速图形的偏见，主要由于两个原因：1.-具有脉冲至脉冲的可变工作周期和频率的高频重复率脉冲的生成，特别是对于红外线激光器类型(FTR)；2.-能够产生高达800至1000Hz的调制频率和高达+/-30度的机械幅角的空间调制的装置。

在市场上，根据产生的波长和功率，存在激光生成器的不同技术，包括红外线辐射生成技术(CO₂、Nd:YAG、Nd:YVO₄、...)，由于所述材料(天然软木塞)的高吸附性，CO₂是最适于下文所述的应用，但存在一，阻止将上述任一项在这一申请中的直接使用，主要因为它们都不能产生高于100kHz的频率脉冲(这一申请可能需要高于500kHz的重复频率)。具有从脉冲至脉冲的可变工作循环和频率，以及沿每个脉冲长度的恒定功率水平。

当尝试了这些设置后，结果是该激光不能产生一个常规的标印，不是产生空洞、深度烧烙就是在与激光束的接触点熔融该材料、会在将被处理的材料中产生缺陷，或者结果是用于该工艺的最大的可接受速度很低，使得有必要排除该不能被工业化且需要高投入的技术。

在这种技术障碍消除的情况下，激光系统将是一个可期望的方法，用于在塞子和圆柱形材料上生成标志和高清晰度图像，同时允许进行电子控制并具有由于电子控制而获得的所有附加优势，诸如可变代码的生成，例如，插入该待处理材料的可追溯信息、批号、日期、序列号以及由使用者定义的字母数字编码，甚至与被标印在这些材料的表面上的最新的图像和标志混合，电子存储设计降低了空间需求等。

主要目的是改进标印处理速度以确保市场上期望的生产率，与现有软木塞处理设备一致。这一目的不仅直接地影响要使用的激光类型以及空间和瞬时调制系统，其应当远比那些在市场上可用的具有优势，还影响这些元件是如何管理以获得那些资源中的大多数。

本发明的另一目标是：为了能够全部地进行标印，软木塞在该处理工艺过程中如何行进，以及如何确保主体的整个周界都被展现。这限定了控制和同步整个工艺的应用和程序软件的人机工效学。

目前，不存在任何使用下文描述的技术的激光标印系统，表示与现有系统相比，本发明的方法和系统具有突破性技术。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，借助于允许这些圆柱形元件在变速下旋转的工艺的激光辐射装置，开发了一种用于圆柱形元件的旋转标印的方法和装置，并具有下述优点。

本发明使得软木塞生产者在标印过程中不需要制造任何类型的印章或标印板或者使用可消费的产品(油墨标印或清洁溶剂)，而仅需要待被复制的图像，该图像通常由相同的酿酒厂/消费者给定。这一数字格式的图像将在工艺控制系统中被引入，允许该标印工艺能够及时开始。这就使得在约3至4天内该生产工艺是高效的，因为避免了标印板中间制造工艺和其调整，且由于如果考虑到现有的标印方法的相关成本(标印板的制造、其运输)而节省了成本。

另外，这一配置避免了不得不停止该标印工艺以更换标印板。该工艺带有电子控制器，其允许在塞子和下一个塞子之间更换标印图案，而不需要停止该工艺。

此外，本发明完全消除了与油墨和金属热标印板的使用相关的或由于在接触工艺中的磨损相关的维护和清洁。

相反，本发明的装置在没有接触的情况下执行该标印，避免了现有技术中的中断和频繁维护。

这一相同的特性(非接触标印)还确保了围绕整个塞子的适当的标印，即使是在不规则的区域，而不像之前系统可能不适当地在那些塞子区域上由凹槽、导管或凸纹差异复制标印图案的接触式标印。

所有这些表明除了由于不需要停止该处理而增加的生产率和更高的质量，还有在维护、劳动力、标印板和溶剂的制造成本、油墨和可消费品上的显著节约。

本发明的方法，除了通过防止标印板的制造和运输而节约48至72小时之间的时间外，由于不需要等待油墨标印的软木塞的干燥处理，其在每个项目处理时间上加快了至少24小时。

本发明方法改进了用于油墨和热印章的现有方法和系统的很多困难的其中之一，即输出不良的标印质量，特别是在高密度颜色的区域上，因为油墨在周围区域是凌乱的，以及金属印章由于过高的温度而严重地烧烙表面。

与此类似，该方法和相关设备允许用于标印塞子主体的技术也可被用于标印平坦侧面，还使得该方法和系统可标印塞子的所有表面，避免了当前的组合式技术。目前，这是以两个分立的工艺和机器来进行的：由于防止油墨在随后与饮料接触的平坦侧面的使用的卫生规程，圆柱形表面通常采用油墨，而在另一标印工位中，平坦表面采用热金属板(压力和温度)。

此外，该激光方法因为其不使用有害的产品——诸如油墨和清洁溶剂——最终的方法不会产生任何对随后将被装瓶且由软木塞密封的食物产品的风险，由此该工艺重视环境。

除了这些优势，其他优势是由于这一新技术向该使用领域提供了增加的机会，诸如以下可能：1.-标印可变信息，用于处理软木塞的工艺的可追溯性；2.-被复制在塞子上的图像的质量改进；3.-产生单色图像或具有不同图像阴影的能力(不像之前的技术，在任何情况下仅可产生一种单色调的单色图像)；4.-便于不超出成本标印小系列的项且不影响生产能力，使得标印生意能够进入添加到其现有消费者分类的新市场区分，具有更高的附加价值——诸如定制的封闭方式，同时继续制造大量的批次并具有所有上述改进。

由于在标印质量上的改进，塞子制造成本上的降低，改进的向消费者的运送时间，便于启动处理，允许小系列和定制系列的生产，还有允许可变的可追溯性代码或每个塞子上不同字母的引入，以及由于不需要油墨或溶剂而对环境的重视，该工艺在其领域是新颖的。

本发明的方法和旋转标印设备允许在超过4000mm²/s的速度下在所有侧面上标印圆柱形元件，在所述的优选实施方式中实现速度最高达16585mm²/s，每小时允许标印超过18000个塞子。

在另一优选的实施方案中，速度已达到55.000mm²/s，相当于每小时标印超过60000个项。

用于本发明的圆柱形元件的旋转标印的方法，该圆柱形旋转元件优选为被用于封闭容器的天然软木塞、成块软木塞或合成材料，其特征在于包括以下步骤：

A.在一个或多个连续旋转或标示运动系统中放置至少一个圆柱形元件，该放置处于标印头或激光系统的空间调节器的作用的光学区域；

B.检测位于连续或间歇运动的系统中的圆柱形元件的表面处的瞬时切线速度；

C.借助于激光束以与圆柱形元件表面的瞬时切线速度同步的方式的空间调节，定位处于圆柱形元件的表面上的激光束；

D.在圆柱形元件的表面上应用连续的或脉冲的激光辐射，直到完成预定图案的至少一个点或线的标印。

在圆柱形元件的表面上连续的或脉冲的激光辐射的点到点移动的应用，优选地至少是在待被处理的图像的相同线上特定数量的相邻点期间进行。

或者，如果有几个空间调制标印头，那么每一个都由在瞬时调制和切换的步骤获得的每一个激光束或偏转阶数进行供给。

在不同标印头之间的切换工艺是通过在每个圆柱形元件的旋转期间线到线、标印头到标印头来重复的，直到完成预定的图案，通常是购买该塞子的酿酒厂的标志，在此时用待被处理的新塞子替换已被处理的圆柱形元件且持续进行。

这一标印头之间的通信的管理可以任选地通过一个状态机器来执行，该机器与每一个标印头中的每一个控制器进行通信。

有利地，该方法的特征在于：当第一圆柱形元件被标印时，在被相同的标印头的作用的相同光学区域中放置的旋转运动的第二系统中的第二圆柱形元件开始标印，使得当处理第一个时，之前被标印的另一个可以被一个新的塞子替换，而没有生产率损失，一旦第一个完成，以高速将激光束重新引导至第二个。

在另一实施方案中，由于多个标印头和用于激光束的声-光切换元件的引入，确保了当标印头的空间调制装置处于其定位工艺时(需要的，但在标印工艺之前，且其可能涉及标印循环中非生产时间占很大比例)，激光束被重新引导至另一标印头，该标印头具有空间调制元件以准备继续在位于这一标印头的另一塞子上进行标印工艺。这一该新改进的关键，即确保了在圆柱形元件的标印工艺期间，激光束的使用的停机时间减少。

有利地，包括至少一个子步骤，该子步骤通过适当的工具，顺序地在旋转工艺之后，相对激光系统光路来放置圆柱形元件的塞子平坦侧面中的至少一个(或者在不需要标印任何平坦侧面的情况下，不放置该圆柱形元件的塞子平坦侧面)。

有利地，该圆柱形元件被放置在用于借助于激光辐射标印的第二系统中，用于标印该圆柱形元件的平坦表面中的至少一个。

有利地，包括一个用于圆柱形元件的平坦侧面和主体上的误差检测的步骤，该步骤通过与预定的主图案或它们的范围对比来进行。

有利地，还包括一个软木塞分类和定线的步骤。

有利地，还包括一个用于应用硅树脂和石蜡的步骤。

有利地，该圆柱形元件被处理以用于漂白或颜色匹配以及分类。

本发明的旋转圆柱形材料加工处理装置适于执行上述的方法，该圆柱形材料优选为被用于封闭饮料——诸如酒或类似物——的天然软木塞、成块软木塞或合成材料，其包括圆柱形元件的至少一个进给系统，该圆柱形元件优选为天然和合成软木塞；感应这种圆柱形元件存在的装置，一个激光系统，用于在这些圆柱形元件的旋转轴线上以高速产生旋转、保持其表面与该激光系统的聚焦平面成切向的装置，测量旋转的切向速度和方向的装置，光学修正和聚焦装置，微处理器控制装置，用于取下该圆柱形元件的装置，以及其特征在于：该激光系统包括生成至少一个激光束的装置；用于该激光束的瞬时调制的装置以及激光束空间调制的装置。

有利地，所使用的激光具有的波长在0.2至11μm之间，优选为0.5至11μm之间，对于天然软木塞优选为9至11μm之间，对于合成塞子优选为1064nm和532nm之间。

有利地，该激光束在可变工作循环的0.1Hz至2.5MHz范围内的频率下被瞬时地调制，该范围优选为0.1Hz至500kHz之间。

作为一个优势，该激光束根据大体高斯分布形成。

根据该激光束生成器的第一选择优选为气体激光，优选为带有线性偏振和接近1的M²因数的密封CO₂激光。这一激光束通过被应用至激光生成器电源供应的电子瞬时调制由连续(CW)或脉冲的光波产生。该激光束在1至500kHz范围内的频率下被调制，该范围优选为50至500kHz。该激光束脉冲具有0.5至400μS范围的持续时间。该激光束也在0％至100％范围内的可变工作循环下被调制。

根据用于调制装置另一选择，该激光束借助于激光器内腔外侧的调制器以脉冲形式产生，该调制装置包括以下调制系统中的至少一个，诸如“断波器”、电-光调制器、声-光或压电调制器，优选为声-光类型的调制器。

根据这一调制选择，该调制器产生相对于初始光束轴线成一最终角度的至少第一阶的激光束偏转，也已知为零阶，借助于控制无线电频率的频率值以及使用的激光的波长来控制。可选地，第一阶或其他最终的偏转阶数被可选地引导至校准装置(作为选择，这一校准可以先于调制元件进行)，且接着被引导至标印头或空间调制器，该标印头或空间调制器随后将被用于加工处理圆柱形材料，而零阶被输送至束流收集器且以受控方式被丢弃。第一阶和更高阶的反射激光束(如果有的话)被引导朝向校准装置，且随后与剩下的偏转阶数的激光束隔离，被引导至该空间调制系统。同时在这一调制选择下，借助于调制生成的该脉冲具有0.3至1000μS之间范围内的持续时间，该范围优选为0.7至50μS之间。根据一个优选的选择，该基本平坦的功率分布沿脉冲长度被应用，特别地用于小于40μS的脉冲。

在使用用于切换和瞬时调制装置的情况下，各种获得的阶数的输出角取决于使用激光束的波长，且只要这种情况通过随机误差位置显著影响了系统的运行，将实施误差指示位置的修正。

根据这一选择，激光生成器的类型是气体激光器，其中应用的激光功率在10至300w之间的范围内，该范围优选为30至150W之间。

根据本发明的另一选择，该激光束生成器是固态类型，半导体或光线，优选为固态。这一激光束在一连续光波(CW)上产生或通过使用脉冲的调制器也称为Q-切换器、电声变换器类型或声光变换器——优选为声光变换器——的内腔或外腔来产生。通过调制器或Q-切换器产生的脉冲具有从1纳秒(ns)至20微秒(μS)之间范围内的持续时间，该范围优选为4nS至20μS。在用于产生激光的这一选择下，应用的激光功率范围在10至300w之间，优选地在30至100w之间，峰值功率的范围在10Kw至500kW之间。

有利地，被聚焦在圆柱形元件的主体的表面上的激光束具有一个基本圆形的外形。

激光光线通过激光生成器的功率供应调制信号及时地被调制，或者通过一个基于“断路器”的内腔调制器或外部调制器、电-光调制器、声-光或压电调制器及时地被调制，以允许脉冲生成诸如：

-短的持续时间，优选为1ns至400μS之间；

-可变频率，优选为0.1Hz至2.5MHz之间；

-可变工作循环，优选在0％至100％之间可调节；

-稳定的功率，用于激光脉冲的整个持续时间。

有利地，离开用于瞬时调制的装置的激光束使用用于空间调制的装置被调制，该用于空间调制的装置包括以下偏转系统类型中的至少一个：诸如自旋多角镜、压电扫描器、高分辨率声-光偏转器、线性导向器或优选为一组检流计扫描器。

有利地，该激光束在零和最长可用曝光时间之间的一个时间范围内应用，这取决于线的持续时间和沿其产生的点的数量，对于一个给定的点，这一点属于该线或被复制的XY平面。

来自激光生成器或可选地来自瞬时调制装置的激光束优选地通过一个校准器在直径上被校准且扩大至其初始直径的1.1到7倍的范围内。

激光脉冲的重复在时间和空间上与空间调制的每个可用装置的位置同步。

源自在瞬时调制和切换步骤中获得的多个被偏转光束阶数中的每一个的激光光线通过以下偏转类型中的至少一种被空间调制，这些转向类型诸如自旋多角镜、压电扫描器、高分辨率声-光转向器、线性导向器或优选为一组XY检流计扫描器，其能够沿扫描线(1D)或沿圆柱形元件的工作区域(2D)，优选以最高达1000Hz线扫描率在高速下将瞬时调制的激光束偏转，从而通过来自管理该系统的处理控制器单元的电子或光学、数字或模拟信号被控制。

用于空间偏转的装置基于至少一个压电系统或检流计扫描器，该检流计扫描器包含一个被附接至其旋转轴线的反射器，从而适用于激光的波长的偏转以及正在使用的功率密度。

每个扫描器，在使用多个扫描器的情况下，记载了在-30至+30度范围内的机械角的运动。

可选地，该空间偏转装置包括至少一个机动化的自旋多角镜，允许在可控的速度下的单个轴线偏转，或者如果与所述方法的另一个组合的两个轴线的转偏转。

可选地，该空间偏转装置基于带有一个或两个偏转轴线的高分辨率声光偏转器，从而通过一个可变频率振荡器或频率合成器被控制，使得通过改变频率来使偏转角与第一个成比例地变化。

该激光束在零和最长可用曝光时间之间的一个时间范围(取决于线的持续时间和沿其将产生的点的数量)内被应用，对于一个给定的点，这一点属于该线或被复制的XY平面，即与被聚焦的激光束的功率密度和曝光时间的乘积成比例的材料的矫饰的强度。

不管其持续时间，该激光脉冲重复在时间和空间上与空间调制的每个可用装置的位置同步，使得点或线出现在材料上的期望位置处，从而具有与预设定参数成比例的矫饰的强度。

有利地，借助于测量速度和方向以及用于感应圆柱形元件的装置--优选地为用于测量速度和方向的装置，该装置包括一个联结至该圆柱形元件的旋转系统的旋转轴线的增量的转速计——该点重复或扫描线与待被标印的圆柱形元件的横向表面的运动或过程同步。这一联结可能是直接的或通过一个柔性连接，带有与转轮或齿轮直接的切向接触，也即，联结至该圆柱形元件的旋转系统的旋转轴线，且为优选的感应圆柱形元件来自塞子进给控制单元或来自传感器的电子或光学信号的装置。

有利地，为了减少停机时间，由于不需要任何加工处理但不得不被旋转的周界区域，待被加工处理的材料的旋转速度在处理期间被管理，直到空间调制装置可进入这一待被加工处理的新区域。

这一管理优选地通过一个对用于在各种工作位置(标印头)上待被处理的圆柱形元件中的每一个进行隔离的处理来实施，其具有至少以下步骤：1.分析和预处理在沿圆柱形材料的旋转角的每一个部分中所需的工作量或时间；2.描述相对表示这一工作量的时间的“凸轮”或图形角度位置；3.使上述凸轮的执行的起始点与沿该材料其它工艺同步；4.生成负责旋转该圆柱形元件——其准确地复制所述凸轮——的电动机控制信号(伺服电机)；5.借助于上述测量始终对瞬时位置进行测量。

当使用空间调制的两个轴线时，两个偏转元件以足以沿XY平面引导激光束的方式被布置，使得激光初始地被引导至第一偏转器(X)，接着将由第一元件获得的偏转引导至第二偏转器(Y)，并且最终将最后组合的偏转引导至聚焦透镜，导致XY平面上的光束的位置发生变化。

激光光线通过光学装置被聚焦在运动中的待被处理的材料的表面，优选通过f-Theta透镜类型、预聚焦透镜或用于动态调整焦点——诸如“3D”——的光学系统。该聚焦装置具有与激光束投射的角度组合的聚焦长度(取决于使用的技术)，允许覆盖轴线或标印区域，在后者的情况下为一侧的尺寸，该尺寸在40至200mm之间的范围内，优选在50至120mm之间。

激光束被聚焦在运动中的圆柱形材料的表面上，使得点直径的范围在0.005至1mm之间，对于塞子的标印来说，优选在0.1至0.2mm之间，或者对于微加工来说，优选在0.01至0.04mm之间。

连续光波(CW)或瞬时地调制脉冲激光光线、校准、空间调制和聚焦，是沿着材料的圆柱形主体的高度准备的线(或光栅)被应用，且由光栅到光栅进行重复以形成一个与圆柱形元件的旋转同步的紧凑图像。

激光光线被应用使得沿该线的光束的强度通过瞬时调制的作用或通过激光功率供应调制信号以受控的方式变化。该强度的控制足以实施由光栅到光栅(线到线)复制的图像的复制。

通过应用适合的激光辐射强度导致在天然软木塞上产生热效应，使得塞子表面上的颜色发生变化，通常是一个或多或少的变暗比率，允许单色图像或颜色阴暗图像的复制，这取决于正被使用的激光束的应用强度、集中度和脉冲持续时间。

可选地，可使用一种添加剂涂覆在天然或合成软木塞表面上，该添加剂受适合的波长、集中度和脉冲长度的激励，这一添加剂与表面颜色变化起反应而不影响材料的表面结构，但设定该添加剂且迫使添加剂改变颜色。

有利地，该设备还包括标印校验的装置，该装置优选地基于视觉系统。包括用在圆柱体的旋转期间捕捉图像的装置，从被标印的圆柱形主体线到线的捕捉图像，该装置优选地使用一些元件，诸如至少一行像素的矩阵视觉照相机，根据重复率具有适当的收集时间以及适当的照明，相对于预定图像图案比较被捕捉图像，使得每个标印相对主图案不会有显著的不同，或者如果检测到软木塞在该工艺的早期阶段没有被检测到的裂纹，或者如果这种裂纹在塞子的检验和分类后产生。

通过一个来自标印检验工艺的控制单元的信号，一个错误的标印或有缺陷的软木塞可以被丢弃，由此与剩下的正确标印和处于良好状态的塞子分离。

可选地，在该工艺中一个最终的步骤是应用硅树脂和石蜡使软木塞最终生成，这使得软木塞便于从瓶子的颈部插入和取出。

该标印和检验工艺是通过一个控制器单元来管理的，该控制器单元运行适于实施上述方法的算法。

有利地，该设备还包括对被排出的圆柱形元件分类的方式。

有利地，标印是在添加剂上生成的，该添加剂在塞子制成后被应用至该元件的圆柱形表面。

接着，为了便于更好地理解本说明书且作为本说明书的一部分，给出了示意性而并非限制的一系列附图，对本发明的主题进行了阐释。

附图说明

为了更好地理解以上所述，给出了以下的附图，其中这些附图示意性地且仅通过实施例的方式而非限制说明了本发明，下文中的说明表示一个可行的实施方案。

图1示出了激光束生成和瞬时调制的一个优选实施方案的原理图，其基于一RF生成器(110)、一激光生成器(120)、用于激光束(130)的适应性光学和导向装置、瞬时调制和光学切换(140)的装置、带有具有对应于将被使用的标印头的数量的不同频率(151.5至151.n)的多个不同振荡器的RF驱动器(150)、以分离方式向来自每个振荡器的信号提供平衡的那些信号的可变衰减(156)的装置，所有这些用于控制该调制设备，以及一个以受控方式吸收没有被使用的激光束的束流收集器(160)。

图2示出了用于校准、空间调制和每个激光束聚焦的功能的优选实现方式的概要，其基于用于激光束(146.1至146.n)的光学系统的适应和/或校准(280)、空间调制X以及可选择的空间调制Y，其包括偏转元件(290)、控制元件(270)以及调焦光学器件(210)。

图3示出了一个逻辑控制系统(300)的优选实现方式的原理图，该逻辑控制系统能够生成必要的信号和指示，以确保至少一个具有高速连续通信(320)的元件将正确信号发送至空间调节器(270和280)的每一单个组中，同时其可从检测装置(330)的每一个中接收信号，以及还从测量与每组空间调节器相关联的旋转(340)的速度和方向的装置的每一个中接收信号。

图4示出了用于每个激光头(1...n)的构造性旋转设备的概要，显示了用于使圆柱形元件(404)以高速在其旋转轴线上的发生旋转(401)的装置、空间调制装置和激光系统的聚焦装置(291、294和210)以及覆盖已调制的激光束(293)的锥形物(403)。

图5示出了在标印头之间进行切换的工艺流程图。

图6示出了将被标印的元件的整个圆柱形表面的一个平坦且完整的未经滚压的图案。

图7的图表一方面表示根据位于塞子的周界上的部分图像的位置，用于图像上每一栏点所需的标印时间都取决于绝对角(0...360°)，以及另一方面表示每个具体的软木塞将承受的用于再生产那部分图像的瞬间旋转速度。

图8示出了一个由将被标印的图案(802)的点(801)组成的直线的标印，以及其相应的用于与位于圆柱形元件的表面上的每一瞬时点的位置同步的圆柱形元件上的瞬时和空间变量(803)的曲线法。

具体实施方式

在本发明的优选实施方式中，激光标印系统的配置由以下部分组成：1.-用于基于一个由带有线性偏振的无线电频率激发的100w的密封CO₂激光器产生激光辐射的装置；2.-具有至少一个输出口的切换和瞬时调制装置，其基于由包括最低1频率的至少一个RF信号激发的锗声光调节器；3.-用于基于光束扩展器的每个之前获得的被切换光束的校准的装置；4.-用于基于一组XY检流仪扫描器的用于每一个之前产生的光束的空间调制的装置，该XY检流仪扫描器被升级以能够从800Hz摆动至该应用所需要的必要振幅，其中反射器被附在其每一个轴的端部，该反射器能够反射光束的波长和适当的激光功率密度；5.-基于由ZnSe制成的且焦距为100mm的f-Theta透镜的聚焦装置。

根据这一优选实施方式但并不排除其他，除了该激光标印系统的配置以外，这一优选实施方式包括进给装置，该圆柱形元件的运动和旋转基于用于每个标印头的适合加工、基于两个旋转辊的双系统，每一对旋转辊相对于圆柱形元件定位且其使待加工的圆柱形元件旋转并通过相对侧进给，以及这样设计其取出方式使得一个塞子可以在不干扰另一塞子的标印加工的情况下被取下，并且两个塞子都位于通过XY空间调节器和聚焦光学器件发射出的激光束所作用的区域内。

这些加工或标印工位中的每一个都包括至少一个低惯量和变速电动机，该变速电动机的速度将在任何时间被修正，以使该标印过程在最短的可能时间内跟随由将被复制的图案描述的凸轮的速度。

这些加工中的每一个还包括已标印塞子的位置的变化，即在一个静态地将其平坦侧面中的一个暴露至标印区域，接着将180°的翻转应用至塞子以使其另一平坦侧面暴露的新位置。在每一个侧面被暴露的期间，该激光能够复制所需图像用于该塞子的每一个平坦侧面。

这一优选的配置允许标印位于多个标印工位之一的塞子的主体和平坦侧面的任一组合，一旦位于相同标印工位和相同标印头的另一塞子被标印，则可以替换一个新的将被标印的塞子，同时在其他标印工位进行了相同的操作，相继地光栅随着光栅、线随着线、塞子随着塞子，使得所述的方法和系统的生产率最大化。

如所知的，将被加工处理的每一类型材料需要不同能量密度以获得消融效应，即每个应用所需的那一区域的挥发或烘烤，因此这一单元进行激光束瞬时调制，然而其可以选择地执行一个振幅调制以控制所需的能级。

本发明的系统还可包括一个视觉系统以检测标印中可能的误差，该视觉系统被用于将包含误差的部分与正确的部分分离。

在本发明的实现方式中，这一检验系统由一单阵列的矩阵摄像机和用于其控制的电子和编程装置组成，该摄像机带有用于在标印塞子的旋转期间获得由标印工艺产生的图像的必要光学器件和照明器件。

与现有印刷技术相比，所述系统的部分上述优点还包括，需要更少的空间用于安装，同时允许塞子的工作节奏低于现有技术，因为与现有基于油墨或热的技术相比，在每个轮班中存在更少的生产率损失。

图1示出了用于激光生成器以及瞬时和振幅调节器的优选实施方式的原理框图，其使用一个包括一振荡器(111)、电子调制系统(112)、高功率放大器(113)的主无线电频率生成器(110)，其被用于产生电子调制信号(114)所需要的无线电频率。

该产生的高功率RF信号(115)被供应至限定在后反射器(121)和前或出口反射器(123)之间的激光生成器(120)的腔中，腔电极(122)位于该后反射器和前或出口反射器之间，通过该腔电极被应用的电子信号(115)在气体介质中产生一个很强的电场以形成激励，导致最终激光束(124)的发射，所述最终激光束的发射通常是连续的(CW)。

这一激光束通过反射器或适应性光学器件(131和132)被引导(130)至瞬时调制和切换元件(140)，该瞬时调制和切换元件(140)基于一个成特定角度(144)(也称为布拉格角(Bragg angle)，指关于输入窗口的垂线)的锗晶体(141)。锗晶体具有至少一个声电变换器(142)，该声电变换器(142)将应用在其上的RF信号(155)转换为该锗晶体结构上的压力波，产生一个可变的内侧衍射网，根据入射频率，该衍射网在第一至第n阶(以在直接光束(145)上的角度测量，也称为零阶，与所使用的激光波长和无线电频率(155)的频率值成比例)的至少一个输出光束(146.1至146.n)中顺序地偏转入射光束(143)。

这一无线电频率来自一基于至少一个主频率振荡器(151.1至151.n)的控制器或驱动器(150)，根据一个允许选定频率和其振幅(156)随产生振荡时间而变化的逻辑数字调制信号(154)，该控制器或驱动器被一控制设备(152)切换和瞬时调制，因此影响由特别选择阶数的偏转产生的激光束的振幅和持续时间。

在零阶(145)产生的该光束对于该应用是无用的，其通过一束流收集器(160)以一种受控方式被吸收。

图2示出了用于调整从每一个不同的偏转阶数获得的激光束(146.1至146.n)的装置的一个优选实施方式的原理框图，该装置基于一个装备两个透镜(281和282)的负责激光束适当扩展的光束扩展器或校准仪(280)。已调整的光束(283)被引导至单个轴线X或两个轴线(XY)偏转的空间调制设备(290)，该设备基于检流计扫描器、压电或自旋多角镜或其任意组合，其中如在图1中所述的瞬时调制光束(146.1至146.n)，一旦准直光束(283)被引导至空间调制装置(290)，导致产生一个空间调制光束(293)，所述空间调制装置(290)包含一个被称为X的第一偏转轴线(291)及其反射装置(即，一个适合的反射器)(292)，以及可选地，一个被称为Y的第二偏转轴线(294)及其反射装置(即，一个适合的反射器)(295)，所述空间调制光束(293)能够在一个XY平面(213)内被驱动，描述为基于一预聚焦透镜或一动态聚焦“3D”类型或者一个描述至工作区域(应放置将被标印的材料的表面)(213)的距离(212)的f-Theta透镜类型的聚焦装置(210)的特征。

这些空间调制装置中的每一个都通过其模拟或数字驱动器(270)被控制，该驱动器使用被适应性和预测性的逻辑电路(271)适配的控制信号X(273)，接着通过被用于控制空间调节器X的信号放大器(272)产生适合的信号(274)。在使用被称为Y的第二轴线的情况下同样适用，即从信号(277)和模块(275)、(276)产生信号(278)。

图3示出了该系统的剩余部分的工艺控制和与之通信的装置的一个优选实施方式的原理框图，该装置基于一个中央处理单元(300)，该中央处理单元包括：用于与外部工艺通信的通信信号(305)的适应性电路(301)、一个与该工艺的程序和算法一起使用的静态存储器(302)、一个用于存储数字图案及其在应用中将被使用的设置的存储器(303)、一个用于在不同元件之间通信的数据和地址总线(304)、一个基于微处理器或DSP的中央处理单元(306)，该中央处理单元(306)能够产生至该偏转或空间调制系统的每一个中的通信信号(307)，以适于通过一个用于高速串行通信(314)的特定电路(313)进行串行通信，该高速串行通信(314)随后被一个具有相同串行协议(320)的接收器译码，由于将其(321)解码并转化为两个分立的通道(322和323)，从而允许与XY空间调制系统(270)的两通道进行通信。

该中央处理单元还包括其他通用和单向的通信信号(308和309)以及双向信号(312)以管理其他相关的处理，诸如产生用于每个标印工位的低惯量电动机的控制位置和速度信号，以随着在特定位置处工作量的变化适配每个塞子的速度，以及带有启动信号的n个输入信号(310)用于启动该工艺或从包含适用性逻辑和调节(331)的n个检测装置(330)检测该将被加工处理圆柱形元件，以辨别错误信号和实际信号(332)。同时，该中央处理单元包括输入通信通道(311)以对来自n个速度感应装置(340)的信号进行译码，然后通过其自身的内部电路(341)能够传递位移(342)的瞬时速度和方向的信息。

图4示出了用于在每个标印头(1...n)进行激光标印的旋转设备的构造性概要，显示了用于使以变速在其选转轴线上自旋的圆柱形元件(404)产生旋转(401)的装置、激光系统的空间调制(291和294)和的聚焦(210)装置以及由已调制的激光束(293)所述的锥形区域(403)。

图5示出了在切换工艺期间标印头之间的通信流程图。主加工工艺是负责将激光束在特定时间及时地切换至每个可用的标印头。

图6示出了用于圆柱形表面的位于一平面上的未滚压的图像或图案的实例。

图7示出了根据圆柱形元件的角度位置的瞬时速度图的实例，其对应于围绕高度为44mm和直径为24mm的塞子的主体将被复制的图像图案(图6)，以及将被用于产生变速电动机的控制信号，从而降低在图像不需要任何处理的区域的闲置时间。

图8示出了用于由将被复制的图案(802)的连续点(801)组成的直线进行标印过程的细节，其相应的瞬时调制曲线(点-点)以及与用于位于圆柱形元件的表面上的每个点的瞬时位置同步的圆柱形元件上的空间调制(803)。

Claims (25)

1.一种用于标印或加工圆柱形旋转元件的方法，该圆柱形旋转元件优选为被用于封闭饮料诸如酒或类似物的天然软木塞、成块软木塞或合成材料，其特征在于包括以下步骤：

A.在连续或标示旋转运动的一个或多个系统中布置至少一个圆柱形元件，该布置定位于用于至少一个标印头或激光系统的空间调节器的作用的区域；

B.在位于连续或间歇运动的系统中的圆柱形元件的表面处检测瞬时切线速度；

C.借助于激光束以与圆柱形元件表面的瞬时切线速度同步的方式的空间调制，在圆柱形元件的表面上定位光学系统引导的激光束；

D.在圆柱形元件的表面上应用聚焦的连续或脉冲激光辐射，以完成预定图案的一个或多个点或线的标印。

2.如权利要求1所述的用于旋转标印或加工的方法，其特征在于：

该激光标印头包括至少两个旋转运动系统，该两个旋转运动系统各自具有至少一个圆柱形元件；

用于激光束应用的步骤D包括根据待复制的第一图案标印一个或多个相邻的点；

在特定时间及时地选择一个可用的第二标印头，以用于在第二圆柱形元件上标印一个或多个相邻点，该选择基于激光束标印工艺所需的总时间的减少；

该激光束被切换至一个现有可用的第二标印头，以用于根据第二预定图案标印至少一个点或线；

在第二圆柱形元件的表面上根据第二预定图案在其旋转期间将连续或脉冲的激光辐射应用至一个或多个点或线；

重复激光辐射至现有可用的标印头的切换和应用的步骤，直到完成用于每个圆柱形元件的预定图案的标印。

3.如权利要求1所述的用于旋转标印或加工的方法，其特征在于：在步骤A和步骤B之间，有一个检测圆柱形元件存在的子步骤，和/或刚好在步骤D之后以及一旦完成将被标印的预定图案，该圆柱形元件就从该旋转运动系统被取下。

4.如前述权利要求之任一项所述的用于旋转标印或加工的方法，其特征在于：在第一元件被加工处理的同时，通过顺序地与之前元件的切换，但在位于相同激光束系统的标印头作用的光学区域中的第二旋转运动系统里，第二圆柱形元件被放置且被加工处理。

5.如权利要求1至4中任一项所述用于旋转标印或加工的方法，其特征在于：在步骤D之后，放置将被由激光辐射标印的圆柱形元件被，用于标印该圆柱形元件的平坦表面中的至少一个。

6.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：在步骤D之前或之后，有一个用于通过与一个预定图案或预定图案的范围进行比较的误差检测的步骤。

7.如权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于：还包括一个存储和定线的步骤。

8.用于圆柱形材料的旋转标印或加工的设备，该圆柱形材料优选为被用于封闭饮料诸如酒或类似物的天然软木塞、成块软木塞或合成材料，该设备适于执行如权利要求1所述的方法，该设备包括在一个或多个旋转连续或标示运动系统中的圆柱形元件的至少一个进给系统，还包括一个激光系统，该激光系统包括产生至少一个激光束的装置、使圆柱形元件在其轴线上以恒速或变速自旋并且其圆柱形表面切线地移动至激光系统的聚焦平面的装置，其特征在于：包括测量圆柱形表面的瞬时切线速度和旋转方向的装置，用于聚焦激光束的一个修正光学装置，微处理器控制器，以及与圆柱形元件的表面上的瞬时切线速度同步的激光束的空间调制的装置。

9.如权利要求8所述的用于旋转标印或加工的设备，其特征在于包括：

一个或多个激光标印头，该激光标印头包括至少两个旋转运动系统，该旋转运动系统各自具有至少一个元件；

一个激光束，该激光束适于根据待复制的第一图案标印一个或多个相邻点；

用于在特定时间及时地选择可用的第二标印头的装置，以用于在第二圆柱形元件上标印一个或多个相邻点，该选择基于激光束的标印工艺所需的总时间的减少；

用于将激光束切换至在特定时间及时可用的第二标印头的装置，以及用于激光束的瞬时调制的装置，以根据第二预定图案标印至少一个点或线；

用于空间调制的装置，该装置适于在第二圆柱形元件旋转期间根据第二预定图案将连续的或脉冲的激光辐射应用在第二圆柱形元件的表面的一个或多个点或线上；

微处理器控制器，其基于能够重复将激光束辐射切换和应用至可用标印头的步骤，直到完成用于每个圆柱形元件的预定图案的标印。

10.如权利要求8所述的用于旋转标印或加工圆柱形材料的设备，其特征在于还包括：

在这些旋转运动连续或非连续系统中检测这种圆柱形元件存在的装置，和/或

从该旋转和连续或非连续运动系统取下该圆柱形元件的装置。

11.如权利要求8所述的用于旋转标印或加工的设备，其特征在于：包括一个激光标印头，该激光标印头用于标印圆柱形元件的平坦表面中的至少一个。

12.如权利要求8所述的用于旋转标印或加工的设备，其特征在于：不同的标印头适于处理在每个标印头处带有不同长度和/或不同预定图案的平行的圆柱形元件。

13.如权利要求8所述的用于旋转标印或加工的设备，其特征在于：每个标印头可处理装配在通过空间调节器发射的激光束的作用的区域内的两个圆柱形元件。

14.如权利要求8所述的设备，其特征在于：借助于被应用至激光生成器功率供应装置的瞬时电子调制，该激光束被脉冲化。

15.如权利要求9所述的设备，其特征在于：该瞬时调制器或者也称为切换器以一个相对于原始光束轴线的最终角度产生了至少第一阶的激光束偏转，该激光束偏转被应用的无线电频率的频率值和被使用的激光生成器的波长控制。

16.如权利要求9所述的设备，其特征在于：该“n”阶的被反射的激光束被引导至一个校准的装置，接着到达空间调制系统，以及其特征在于：零阶的光束被引导至束流收集器且以一种受控方式被丢弃。

17.如权利要求9所述的设备，其特征在于：借助于瞬时调制产生的激光脉冲具有一个沿脉冲长度基本平坦的功率分布。

18.如权利要求8所述的设备，其特征在于：使用用于空间调制的装置调制激光束，该用于空间调制的装置包括以下偏转类型中的至少一个：自旋多角镜、压电扫描器、高分辨率声-光偏转器、线性导向器或优选为一组XY检流计扫描器。

19.如权利要求18所述的设备，其特征在于：在零和可用的最长曝光时间之间的一个时间范围内应用该激光束，这取决于线的持续时间和沿其将产生的点的数量，对于一个给定的点，这一点属于该线或被复制的XY平面。

20.如权利要求19所述的设备，其特征在于：该激光脉冲重复率与空间调制装置应在每个时刻及时地指向的特定位置的时间和空间同步。

21.如权利要求20所述的设备，其特征在于：借助于测量速度和方向的装置以及用于检测圆柱形元件的装置，优选为测量速度和方向的装置——其包括一个与圆柱形元件旋转系统的旋转轴线或轴联结的增量转速计——点的重复率或扫描的图像线与将被标印的元件的圆柱形横向表面(主体)的运动或过程同步。

22.如权利要求8所述的设备，其特征在于：还包括标印验证的装置，优选地基于视觉系统。

23.如权利要求8所述的设备，其特征在于：该设备还包括在标印工艺后将被排出的这种圆柱形元件分类的方式。

24.如权利要求8所述的设备，其特征在于：该标印工艺是在圆柱形元件上进行的，该圆柱形元件包括一种与激光辐射起反应的添加剂。

25.适用于如权利要求1或2所述的步骤的计算机程序。

Images