CN104259673B - 环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统，包括：激光部，提供连续的、输出能量可调节的激光水源；掩模，可高速回转循环转动，提供所需图案和切割或刻印的图案尺寸；光路组件，将掩模上图案信息切割或刻印至待加工材料；驱动和传动部，提供动力源并使掩模和待加工材料之间的运动和速度进行匹配，实现同步传动。本发明避免了激光光路组件的移动，消除了因光路组件的本身质量惯性而限制激光切割和刻印的速度，达到提高激光切割和刻印速度的效果，消除了现有技术下光路组件运动速度极限从而限制整体加工速度及在待加工材料运动状态下造成切割或刻印图案变形的缺陷，有效提高了生产效率，降低了维护成本，应用范围广泛。

Description

环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统

技术领域

本发明涉及一种可回转的激光掩模对材料进行在线式切割或刻印方法和系统，属于激光切割和刻印领域。

背景技术

目前，在激光切割领域，待切割材料一般处于静止的状态，由电动伺服机构驱动激光聚焦镜头，在与待切割材料垂直的平面上作两个轴向的运动，以使激光在材料上切割出所需要的图案（图案指连续或间断的线条或曲线，以及字符等构成的图形或符号，可以是线条或曲线或文字的综合或叠加，也可以是单独一种元素构成的图形）。如待切割材料根据工艺要求必须保持运动状态，即应用于连续的材料或者因生产工艺要求材料需持续输送的状态，则现有的切割设备是由感应器探测材料传送的速度并转化成数字信号送入坐标控制系统进行叠加运算，然后由伺服驱动机构驱动坐标控制电机，控制激光光路组件（光路组件应包括光纤或反射镜组以及聚焦镜头等）去保证所需切割图案的精确程度。不可否认，在对于大尺寸图案的切割和切割速度较慢的情况下，这种切割应用技术是成熟的，而且工艺已经十分稳定，但是，当这种加工方式应用于连续的生产工艺中，这种装置和系统的弊端在于：（1）当材料传送速度非恒定状态时，控制系统对材料速度计算并反馈给驱动系统的时滞，以及在速度频繁变动时而引起驱动机构的抖动，造成切割出来的图案出现材料运动方向上的尺寸变形，也可能产生与材料运行垂直方向的锯齿；（2）由于驱动系统要驱动整个激光镜头及激光传送装置，整个装置的质量较大，运动惯量限制了驱动系统的快速响应，在切割图案比较复杂或连续沿垂直于材料运动方向频繁变化的情况下，激光的频繁启停，驱动机构的运动方向频繁改变，激光启停的时滞会引起漏切或者多切，驱动方向改变会引起激光镜头的抖动，造成切割图案的变形和锯齿等问题。以上这两个弊端在待切割材料传动速度越快，而且花纹往复循环的情况下表现得尤其明显，直接造成产品质量缺陷引起产品报废，甚至设备在极端工况下运行造成机械部件的损坏。

在激光刻印领域，现在应用较为广泛的是利用振镜系统进行扫描刻印的设备，如熟悉本领域的技术人员所熟知的，刻印的原理是利用两个互相垂直的振镜以及其驱动系统，驱动系统驱动振镜，控制激光在一个平面上的两个坐标方向上的运动，刻印出预先输入控制系统中的图案。这类设备也与现有切割设备存在类似的缺陷，在材料高速运动状态下如果要对材料表面进行高精度的图案刻印，都会因为速度匹配问题产生图案变形，造成质量问题而引起产品报废；而且刻印图案的复杂程度直接影响刻印的速度，在同样范围内，越复杂的图案需要越多的刻印时间，这就要求待刻印材料在振镜扫描范围内停留时间越长，也即需要降低材料传送速度，直接影响到生产效率。

由于上述的缺陷，使得激光切割和刻印在工业生产中的应用受到限制，面对不断提升的设备能力，激光在工业生产中的应用反而有可能成为掣肘设备产能提升的瓶颈。而一些原来使用其他方式进行切割或刻印的领域，也由于上述的原因使得激光技术不能进入，也使得激光刻印的高解析度、环境友好性等优势得不到发挥。

发明内容 

本发明的目的在于：针对现有的激光切割和刻印设备在高速切割和刻印方面存在的上述缺陷，提供一种可回转激光掩模在线式切割或刻印方法。

本发明的另一目的在于提供一种根据本发明方法提出的可回转激光掩模在线式切割或刻印系统。

本发明方法为：通过一传动机构将掩模和待加工材料之间的运动和速度进行匹配，将一激光光源发出的激光光束再通过光学组件按可循环运作的掩模上的图案对待加工材料进行在线切割或刻印。

本发明所述光学组件包括多个反射镜片和聚焦镜头组成，用以将激光光束整形成投影呈长矩形光束，并使激光光束的能量分布均匀，聚焦镜头是使经掩模成形后的光束聚焦在待切割或刻印材料上，并经由聚焦镜头实现掩模图案与切割或刻印图案的尺寸比例关系。

本发明所述激光光源启动和停止以及触发的频率或功率均可由系统运动速度控制。

本发明提供的环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统，包括：

激光部，提供连续的、输出能量可调节的激光源；

掩模，可高速回转循环转动，提供所需图案和切割或刻印的图案尺寸；

光路组件，将掩模上图案信息切割或刻印至待加工材料；

驱动和传动部，提供动力源并使掩模和待加工材料之间的运动和速度进行匹配，实现同步传动。

本发明所述掩模为环形带状或一个以上同步传动的筒状。

本发明所述掩模可以是刚性或柔性的。

本发明所述掩模为两个独立且并列同轴设置的筒状，驱动和传动部包括驱动机构及传动机构，传动机构包括传动筒状第一掩模的第一掩模端传动同步带 及第一掩模端同步带轮、传动第二掩模的第二掩模端传动同步带及第二掩模端同步带轮、传动轴、第一加工端同步带轮、第二加工端同步带轮、第一加工端同步带、并列设置的第一加工端传动轴、第二加工端传动轴、设置于第一加工端传动轴或第二加工端传动轴上的用于压紧待加工材料的从动轮、连接第一加工端传动轴及第二加工端传动轴的第二加工端同步带，第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮及第二加工端同步带轮同轴设置并均设置于传动轴上，第一掩模端传动同步带 连接筒状第一掩模及第一掩模端同步带轮，第二掩模端传动同步带连接筒状第二掩模及第一掩模端同步带轮，第一加工端同步带连接第一加工端同步带轮及第二加工端同步带轮，待加工材料附着于第一加工端同步带上，且位于从动轮与第一加工端传动轴或第二加工端传动轴间。

本发明所述掩模为环形带状，传动部包括第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮、传动轴、第一加工端同步带轮、第二加工端同步带轮、第一加工端同步带、并列设置的第一加工端传动轴、第二加工端传动轴、设置于第一加工端传动轴或第二加工端传动轴上的用于压紧待加工材料的从动轮、连接第一加工端传动轴及第二加工端传动轴的第二加工端同步带；第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮水平平行设置，第二掩模端同步带轮与第二加工端同步带轮分别并列设置于传动轴两端，带状掩模卷绕于第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮上通过中间掩模传动轮张紧。

本发明所述光路组件包括设置于整形后激光光束的光路上的第一平面反射镜、设置于第一平面反射镜反射光路上的第二平面反射镜、设置于第二平面反射镜反射光路上的第三平面反射镜及设置于第三平面反射镜反射光路上的可调聚焦镜头，可调聚焦镜头聚焦后光束的光路与整形后激光光束的光路垂直。

本发明采用环形带状掩模时还设置有一个以上的中间掩模传动轮,带状掩模卷绕于第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮上并通过中间掩模传动轮张紧。

本发明与现有技术相比，具有下列优点及有益效果：

1、利用循环回转形式的掩模，避免激光光路组件的移动，消除了因光路组件的本身质量惯性而限制激光切割和刻印的速度。达到提高激光切割和刻印速度的效果。

2、利用循环回转形式的掩模，可以并行的切割或刻印复杂的图案，消除了现有技术下光路组件运动速度极限从而限制整体加工速度的缺陷。

3、待加工材料和掩模之间同步传动，达到提升切割或刻印图案的质量的效果。消除了现有技术在待加工材料运动状态下造成切割或刻印图案变形的缺陷。

4、采用本发明提供的方法和系统，可以简化现有技术对光路组件的高精度的驱动控制要求，降低整个系统的复杂度。

5、采用本发明提供的方法和系统，替代现有的刀具、刀模切割或喷墨、移印的打印技术，可以有效提高生产效率，降低维护成本。

6、应用范围广泛，适用于如纸类包装材料、无纺布或者塑料薄膜及复合膜等薄膜材料的花边切割，高速线缆护套上的激光印字、高速标签打印等等。

附图说明

图1为本发明实施例1结构示意图；

图2为本发明实施例2结构示意图；

图3为本发明的待加工材料的切割或刻印图案例之一；

图4为本发明的待加工材料的切割或刻印图案例之二；

图5为本发明的待加工材料的切割或刻印图案例之三；

图6为本发明的待加工材料的切割或刻印图案例之四；

图7为本发明实施例1对应能在待加工材料上切割或刻印出所示的图案。

具体实施方式

本发明方法为：通过一传动机构将掩模和待加工材料之间的运动和速度进行匹配，再通过通过光学组件将一按可循环运作的掩模上的图案对待加工材料进行在线切割或刻印。

为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段，以下结合实施例并对照附图，对依据本发明方法提出的可回转激光掩模在线式切割或刻印系统进行详细说明。

实施例1：筒状回转掩模的切割或刻印系统

参见图1，本实施例由激光部、两个并列同轴设置的筒状掩模第一掩模5、第二掩模6、光路组件及驱动和传动部构成。

激光部包括激光光源1、光源接口2及激光扩束整形单元3构成。激光光源可采用YAG或CO2激光源，其强度可根据对待加工材料的材料性质、厚度、传动速度等参数进行选择，激光光源在运行中可以对强度进行连续调整、外界触发激光发射或关闭。激光光源1发射端有螺纹卡口与光源接口2螺纹连接，光源接口2另一端与激光扩束整形单元3连接，由激光源发出的光束经扩束整形单元处理后得到能量均匀的细长矩形投影的整形后光束，整形后光束与第一掩模5、第二掩模6轴心重合。

光路组件包括设置于整形后激光光束的光路上的第一平面反射镜14、设置于第一平面反射镜14反射光路上的第二平面反射镜7、设置于第二平面反射镜7反射光路上的第三平面反射镜17及设置于第三平面反射镜17反射光路上的可调聚焦镜头20，可调聚焦镜头20聚焦后光束的光路与整形后激光光束的光路垂直。

激光光源1发出的激光光束经激光扩束整形单元3扩束整形后经第一平面反射镜14反射，沿掩模径线方向发射，反射光束经过筒状第一掩模5以及筒状第二掩模 6得到由筒状掩模 5和筒状第二掩模 6形成的掩模图案相同形状的光束。本实施例中筒状第一掩模5与筒状第二掩模 6是完全分开的两件掩模组件，用以切割或刻印如图3、图4、图5中所示例的具有连续的贯穿的线条的图案。图7具体给出了本发明第一具体实施例的筒状回转掩模示意图，对应能在待加工材料上切割或刻印出图4所示意的相似的图案。

与掩模图案相同形状的光束经第二平面反射镜7，得到经掩模成形后并经反射镜反射的激光光束8，再经第三平面反射镜17，被传送到与待加工材料16平面垂直的方向，经掩模成形后并经反射镜反射的激光光束8经可调整聚焦镜头（聚焦镜片或镜片组）20聚焦，形成需要切割或刻印之图案于待加工材料16上。

驱动和传动部包括驱动机构及传动机构，传动机构包括传动筒状第一掩模5的第一掩模端传动同步带 9及第一掩模端同步带轮11、传动第二掩模6的第二掩模端传动同步带 10及第二掩模端同步带轮12、传动轴13、第一加工端同步带轮18、第二加工端同步带轮15、第一加工端同步带21、并列设置的第一加工端传动轴22、第二加工端传动轴23、设置于第一加工端传动轴22或第二加工端传动轴23上的用于压紧待加工材料的从动轮19、连接第一加工端传动轴22及第二加工端传动轴23的第二加工端同步带24。第一掩模端同步带轮11、第二掩模端同步带轮12及第二加工端同步带轮15同轴设置并均设置于传动轴13上，第一掩模端传动同步带 9连接筒状第一掩模5及第一掩模端同步带轮11，第二掩模端传动同步带 10连接筒状第二掩模6及第一掩模端同步带轮12，第一加工端同步带21连接第一加工端同步带轮18及第二加工端同步带轮15，待加工材料附着于第一加工端同步带21上，且位于从动轮19与第一加工端传动轴22或第二加工端传动轴23间。

筒状第一掩模5以及筒状第二掩模6分别由第一掩模端传动同步带 9、及第一掩模端同步带轮11和第二掩模端传动同步带 10及第二掩模端同步带轮12驱动，驱动动力来自于传动轴13。传动轴13作为掩模运动机构和待加工材料的运动机构之间的刚性传动，第二加工端同步带轮15与第一加工端同步带21以及第一加工端同步带轮18、第一加工端传动轴22构成一个变速传动系，使待加工材料与掩模的运动速度达到生产加工的要求。压紧待加工材料用的从动轮19确保待加工材料在传送时不会和第一加工端传动轴22产生滑移。第二加工端传动轴23及第二加工端同步带24用以待加工材料传送中确保材料传输稳定且确保材料传送中不产生抖动等问题的机构。

本实施例中，外界动力可以第一加工端传动轴22或第二加工端传动轴23输入，在从动轮19的辅助下，待加工材料以速度V1传送，经由第一加工端同步带轮18、第一加工端同步带21，将运动传送到第二加工端同步带轮15，第二加工端同步带轮15与待加工材料的传动速度之间形成所定的线速度比i1，运动再经由传动轴13，第一掩模端同步带轮11和第二掩模端传动同步带 10以及与第一掩模5和第二掩模 6一体的第一掩模端同步带轮11、第二掩模端同步带轮12将运动传送到掩模组：第一掩模5和第二掩模 6上，第一掩模5和第二掩模 6得到线速度V2，该传动组使第一掩模5和第二掩模 6与第二加工端同步带轮15之间形成所定的线速度比i2，第一掩模5和第二掩模 6的线速度V2和待加工材料的传送速度V1的比值等于线速度比i1和线速度比i2的积i。根据线速度比i，以及对切割或刻印图案的要求，可以设计掩模上图案的尺寸与最终加工出来的图案之间的尺寸关系，即掩模上图案尺寸和最终产品图案尺寸的比值也应为i，然后选用适当焦距的透镜使掩模图案经由透镜聚焦成像的尺寸即为最终需要的图案尺寸。

在本实施例中，可以在传动系中增加速度感应器，以该感应器的速度反馈动态调节激光发射器的能量输出，使系统在速度变化的状态下始终保持足够的能量输出最终达到加工要求。对于掩模成像的说明：假如聚焦镜头成像比例是N：1，在掩模线速度与待加工材料线速度由传动系保证速度比约为N：1，掩模图案尺寸与实际加工图案尺寸约为N：1，轻微的偏差可以由聚焦镜头调节；如果掩模线速度与待加工材料线速度比为aN：1（a为一不为1的常数），则实际加工图案在传送方向上会发生变形，变比为aN：1，但与运动方向垂直的方向上的尺寸比例不受运动速度比的变化影响。如a=2，掩模上图案和加工图案的高度尺寸比例为N：1，长度尺寸比例为2N：1。说明这点只是可能这也是对本系统的另一种用法。

本发明的驱动可以是同步带轮组或齿轮组，动力来源为材料传送主驱动系统，并其传动速度与主驱动系统的传动速度比需确保掩模和材料的运动速度比一致。

实施例2：环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统。

参见图2，本实施例由激光部、带状掩模26、光路组件及驱动和传动部构成。激光部、光路组件与实施例1结构相同。加工端的传动构件结构设置关系亦与实施例1相同。传动机构包括第一掩模端同步带轮11’、第二掩模端同步带轮12’、6个中间掩模传动轮25、传动轴13、第一加工端同步带轮18、第二加工端同步带轮15、第一加工端同步带21、并列设置的第一加工端传动轴22、第二加工端传动轴23、设置于第一加工端传动轴22或第二加工端传动轴23上的用于压紧待加工材料的从动轮19、连接第一加工端传动轴22及第二加工端传动轴23的第二加工端同步带24。第一掩模端同步带轮11’、第二掩模端同步带轮12’水平平行设置，第二掩模端同步带轮12’与第二加工端同步带轮15分别并列设置于传动轴13两端。带状掩模26卷绕于第一掩模端同步带轮11’、第二掩模端同步带轮12’上通过6个中间掩模传动轮25张紧。带状掩模26是一个回转的带状柔性结构，在掩模的两侧，具有同步带同样的带齿，可以由图中标示的一中间掩模传动轮25组成的轮组，将带状掩模26张紧并经由一传动轴13与待加工材料速度进行同步。掩模的中间部分，即为掩模图案区域，所需切割或刻印的图案根据生产要求镂刻。

本实施例中激光光束经过带状掩模26遮掩形成一掩模上预先镂刻的图案，经聚焦透镜20聚焦成实像投影到待加工材料16表面，因激光能量的高度汇聚，瞬间将待加工材料成像区域材料熔融并气化，达到切割或刻印的效果，在待加工材料16上形成一切割或刻印完成的图案。而当掩模26与待加工材料16进行相对运动，扩束整形后激光光束4就会将掩模26上的图案依次序在待加工材料16上进行切割和刻印。经扩束整形的激光束投影方向应与带状掩模的运行方向垂直。

本发明具体实施例中并未对掩模与待加工材料的运动控制做太多细节的叙述，因掩模与待加工材料的运动并不限于恒速的定速比运动，本专业领域技术人员均可根据所需的生产要求对传动速比、传动方向、驱动模式、是否间歇性运动等进行设计，包括运动方式和激光触发或强弱之间的控制关系。本发明驱动动力可以由待加工材料端输入，也可以由掩模驱动端输入，可以根据设备或工艺的需求进行调整。在一些特殊的应用上，也可以在传动系统中加入棘轮机构使掩模做间歇性运动，或者通过间歇性触发激光，对材料进行间断的切割或刻印。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，本发明技术方案范围当依据所附申请专利范围为准。任何熟悉本专业的技术人员可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术是指对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统，包括：

激光部，提供连续的、输出能量可调节的激光源；

掩模，可高速回转循环转动，提供所需图案和切割或刻印的图案尺寸；

光路组件，将掩模上图案信息切割或刻印至待加工材料；

驱动和传动部，提供动力源并使掩模和待加工材料之间的运动和速度进行匹配，实现同步传动；

其特征在于：所述掩模为环形带状，传动部包括第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮、传动轴、第一加工端同步带轮、第二加工端同步带轮、第一加工端同步带、并列设置的第一加工端传动轴和第二加工端传动轴、设置于第一加工端传动轴或第二加工端传动轴上的用于压紧待加工材料的从动轮、连接第一加工端传动轴及第二加工端传动轴的第二加工端同步带；第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮水平平行设置，第二掩模端同步带轮与第二加工端同步带轮分别并列设置于传动轴两端，带状掩模卷绕于第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮上；

所述掩模的中间部分，为掩模图案区域。

2.根据权利要求1所述的环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统，其特征在于：还设置有一个以上的中间掩模传动轮,带状掩模卷绕于第一掩模端同步带轮、第二掩模端同步带轮上并通过中间掩模传动轮张紧。

3.根据权利要求1或2所述的环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统，其特征在于：掩模是刚性或柔性的。

4.根据权利要求1或2所述的环形带状可回转激光掩模在线式切割或刻印系统，其特征在于：光路组件包括设置于整形后激光光束的光路上的第一平面反射镜、设置于第一平面反射镜反射光路上的第二平面反射镜、设置于第二平面反射镜反射光路上的第三平面反射镜及设置于第三平面反射镜反射光路上的可调聚焦镜头，可调聚焦镜头聚焦后光束的光路与整形后激光光束的光路垂直。