CN1152765C - 非金属薄型材料激光制孔的方法和设备 - Google Patents
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Abstract
一种非金属薄型材料激光制孔的方法，根据制孔要求，选择制孔方式；通过设置控制装置的程序参数，控制激光功率，并通过光束偏转系统的运动轨迹来调整孔的大小、疏密和图样；在线检测被加工材料的运动速度并传递给控制装置；当运动速度大于设定的启动速度时，利用激光进行制孔，切孔过程中，不断获取材料的运动速度，实时计算补偿量，光束偏转系统根据补偿信号实时作出补偿校正；当材料运动速度低于终止速度时，终止切孔，等待速度。其设备包括激光器和走料装置，光束偏转系统与激光器位于同一光路上，共同构成制孔装置；控制装置与光束偏转系统相连，该设备还设有与控制装置相连的速度传感器。本发明可在生产线上实现多幅面、多类型薄型材料的激光制孔。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术，具体涉及一种非金属薄型材料激光制孔的方法和设备。它使用可由振镜扫描系统控制偏转的CO2激光束，在连续运动的宽幅面或窄幅面非金属薄型材料上通过局部汽化形成通孔。通孔均匀分布或排列成花样，孔径、疏密可调。
背景技术
激光加工作为一种新的加工手段，因其能量集中、非接触式作用方式等优点，正在被广泛用于生产各部门。对于高硬度材料或其他特殊材料的制孔，激光制孔是一种有效的方式。激光制孔可分为激光打孔和切孔。打孔是指激光与材料作用时，其作用点相对于材料静止，直至穿孔，实现微小孔的制备；切孔是指按切割方式，使激光在材料上走圆形轨迹，切除部分材料实现穿孔，用于制备较大直径孔。
目前激光在材料制孔中应用较多的是脉冲打孔装置，如专利CN 1327897A描述了一种薄形材料的高速打孔装置，基本思路是将激光器发出的激光束通过一套可调整的并行排列的聚焦光学系统照射到有独立单卷走纸机构的薄型材料上实施打孔。因其沿被打孔材料运动方向每一列孔都对应一套固定的聚焦光学系统，当增加孔的列数时，必须增加相同数目的聚焦光学系统，使得设备结构繁杂，特别不适于多列孔、宽幅面打孔要求。即使用于窄幅面打孔，由于其每一套聚焦光学系统一旦固定，位置不易调整，即列间距不易调整。且其每一光束位置固定，不能作圆周形运动，即不能实现大直径孔的切割及孔径的大范围可调。
激光用于材料打孔时，主要有静止打孔和动态打孔两种打孔形式，静止和动态以被打孔对象在打孔时处于静止或移动状态加以区分。对于金属和厚材料的打孔，需要的激光作用时间长，一般采用静止打孔；对于非金属薄型材料则多采用动态打孔。在动态打孔时，孔的定位成为打孔质量的关键因素。在以往的报道中，对于材料的定位一般是采用步进电机控制走料长度，或在被打孔材料上做标记，靠检测标记位置进行定位，对于非步进电机生产线或难以做位置标记的加工材料，上述方法是不可行的。
另外，目前所报道的激光打孔设备一般用于对水松纸、塑料包装纸等较薄、可弯曲、无粘连材料的制孔。对于较厚的薄型材料，如布、纤维织物；不可弯曲的薄型材料，如有机塑料薄板；有粘性的薄型材料，如医用胶布，膏药贴片等材料，还没有很好的打孔方法和设备。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能适用于自动化生产线的动态状况下连续工作的非金属薄型材料激光制孔的方法和设备，可用于宽幅面或窄幅面非金属薄型材料上打孔或切孔，孔均匀分布或排列成花样，孔的大小和疏密可调，且性能稳定，维护简便。特别指出的是，本发明加工的对象除了常见可弯曲薄型材料外，还可以是非金属薄板，医用胶布，膏药贴片等特殊材料。
为实现上述发明目的，一种非金属薄型材料激光制孔的方法，其步骤为：
(1)根据制孔要求，选择打孔或切孔的制孔方式；并通过设置控制装置的程序参数，由控制装置控制激光功率，并由控制装置控制光束偏转系统的运动轨迹，以调整孔的大小、疏密和图样；
(2)在线检测被加工材料的运动速度并传递给控制装置；
(3)当运动速度大于设定的启动速度时，利用激光进行制孔，在切孔过程中，不断获取材料的运动速度，并实时计算位移补偿量，采用光束偏转系统根据补偿信号实时作出补偿校正，以实现激光束与材料同步运动；当材料运动速度低于设定的终止速度时，终止切孔，并等待速度，直至任务完成。
实现上述方法的设备，包括激光器、光束偏转系统和走料装置，光束偏转系统与激光器位于同一光路上，共同构成制孔装置；控制装置与光束偏转系统相连，它用于控制激光功率和光光束偏转系统的运动轨迹，该设备设有与控制装置相联的速度传感器。
上述设备可包括二套或二套以上的制孔装置，各制孔装置分别置于小支撑桥上，并通过支撑桥置于支架上，使激光作用区在被加工材料上成均匀分布。
上述设备还可以在激光作用区外围设有吸尘装置，并通过风机与过滤装置相连。
本发明具有以下优点：
(1)可通过调整控制程序，选择打孔或切孔的制孔方式，并通过设置控制程序参数，控制激光器功率、孔的大小、疏密和图样。在采用切孔工作方式时，可实现孔径大范围可调。
(2)在一定速度范围内，可保证制孔图样不随生产线速度的变化发生改变。即不论对于匀速生产线，或变速生产线，由于有控制计算机对振镜扫描系统的自动实时补偿校正，孔的间距、大小和图样始终保持一致。
(3)通过设置在制孔区域附近的精密位移传感器获取位移信号，提供给计算机来动态确定制孔位置，此定位方法不仅设备简单，适用于多种材料，而且不需要在被制孔材料上加任何定位标记，在生产过程中不对被制孔材料造成浪费。
(4)现有设备对于较厚的薄型材料，如布或有机塑料薄板，激光需要较长时间作用才能穿透材料，材料的运动会使孔形拉长。本专利所述方法和设备，利用速度传感器的位移信号使激光束跟随材料同步运动，打孔作用点相对材料静止，直至穿孔，不出现孔的拉长现象。
采用本发明的改进方案，激光器加光束偏转系统的并行制孔系统，可以方便地通过增加并行制孔系统数，扩大制孔幅面。并且并行的每个制孔系统布局灵活。在各制孔系统的工作区域均匀分布于被制孔材料上的前提下，各制孔系统可相向放置、同向放置和垂直放置等，用软件控制来统一各制孔系统的动作，使输出花图样一致。可以灵活适应不同厂房和原有设备布置。
附图说明
图1为本发明设备的一种具体实施方式的结构示意图(用于窄幅面时)；
图2为本发明设备的另一种具体实施方式的结构示意图(用于宽幅面时，相向放置时)；
图3为图2所示设备的俯视图；
图4为多套制孔装置同向放置的示意图；
图5为多套制孔装置垂直放置的示意图。
具体实施方式
本发明方法是根据制孔要求，选择打孔或切孔的制孔方式；并通过设置控制装置的程序参数，由控制装置控制激光功率，并通过控制光束偏转系统的运动轨迹来调整孔的大小、疏密和图样。
动态制孔时，由于材料的连续运动，造成制孔位置的动态改变，为保证制孔图样在材料不同运动速度时保持一致，采用在线检测材料的位移和运动速度方法。根据检测到的材料位移，实时计算位移补偿量，动态地对实施制孔的光束偏转系统作出补偿校正；并根据检测到的材料运动速度，控制制孔装置自动启动和终止，并提供生产记录；根据宽、窄幅面的不同要求，通过增减并行制孔装置数目来适应幅面要求。
本发明设有一个测定材料位移和运动速度的精密测速元件，即速度传感器，其产生的位移信号输入控制计算机，控制计算机实时计算位移补偿量，动态地对实施制孔的光束偏转系统作出补偿校正。测速元件一般安装在制孔区域附近，其通过连接盘与用于托起和带动被制孔材料运动的滚筒相切或直接与被制孔材料接触，获取被制孔材料位移和线速度；
采用光束偏转系统，其受控于控制计算机。光束偏转系统作为执行机构，按控制计算机要求控制激光束的偏转，保证制孔图样与控制要求一致。
采用低功率射频CO2激光器，其无须外部供气，运行稳定，寿命长，能由激光功率控制器实时调整激光功率，并可由控制计算机方便控制其开关和功率值。
为了正确给出动态补偿量，调整孔大小、疏密和图样，本发明还涉及配套的软件控制系统。软件控制系统按预先设定的参数，计算出孔坐标、孔轨迹和激光强度。用孔坐标和孔轨迹控制光束偏转系统进行制孔，并通过控制激光功率控制器调节激光功率。
此外，本发明还设有一些装置，借助于它们保证设备的稳定运行。采用带制冷压缩机的水
冷装置，为激光器提供冷却循环水，当水温超过正常温度时，温度开关控制压缩机制冷。
为了避免或减少材料汽化形成的烟尘对材料和激光器镜头的污染，在本发明的另一项设计中，在制孔区域外围设有上下两组吸尘管道，用于除去在材料局部汽化时形成的烟尘，并采用垂直通风道设计，提高烟尘排放量。设备在切孔方式工作时，下烟道应设置在切孔工作区域下方，紧贴被切孔材料，用于收集材料切孔时落下的废料。此时下烟道与抽风管连接口应设有过滤网，烟道底部应加设废料收集槽。
在附图中，给出了本发明的两种实际实施例：一种采用单制孔系统(附图1)，有效制孔宽度为100mm，用于窄幅面材料制孔；另一种采用8个制孔系统并行连接(附图2)，有效制孔宽度为800mm，用于宽幅材料制孔。
图1示意本发明的设备对生产线上运动着的被制孔材料1连续制孔。在此图中材料1从图中没有详细表示的送料设备中送出，沿V方向运行，并输入到转动滚筒组8中。
材料1的速度由设置在转动滚筒组8上的速度传感器7采集，本例选用光电转盘式速度传感器。其直接检测材料运动的位移和线速度。当光电转盘式速度传感器周脉冲为1000个，连接盘直径为40mm时，其位移分辨率为0.125mm。
激光器2产生激光束4用于材料1的切割，激光束4的强度由外部激光功率控制器控制，可手动调整，也可由控制计算机6自动调整。带制冷压缩机的水冷装置12，通过导管13，为激光器提供循环冷却水。
为改善光束质量，加入光学扩束镜3，激光束经过扩束，进入光束偏转系统5。光束偏转系统5由控制计算机控制，实现激光束的偏转。
此外，沿材料1制孔区域的外围，设置吸尘装置9，借助于风机10抽除由于局部汽化形成的烟尘，并导入过滤装置11。如图所示，吸尘装置分为上下两组，分别抽除在材料1上下两面形成的烟尘。吸尘装置位置固定，同时起到限制材料抖动，保证制孔焦距的作用。
图2、3和图1表示了按本发明具有不同并行制孔系统(由激光器2、光学扩束镜3、光束偏转系统5构成)数目的两种不同实施方式。第一种情况下设有八组并行制孔系统，用于宽幅面制孔(如图2)；第二种情况下只设有一组制孔系统，用于窄幅面制孔(如图1)。两种方式都仅由一套控制计算机实施控制。
图2中多向吸尘导通管15通过软管和垂直管道(图中未标出)与风机相连。两套支撑桥16放置在设备支架18上的左右两边，用以托起分两组相对放置的八台激光器，通过旋转螺杆调整支撑桥16位置来调整每组四台激光器的位置。每台激光器都由小支撑板17托起，调整小支撑板17的旋转螺杆来调整单台激光器位置，使得前后两组激光器交叉相对排列(如图2所示)，且八台激光器的工作区域在被制孔材料上分布均匀。
下面结合具体实施例二详细说明本发明设备的工作步骤：首先系统通过速度传感器7获取材料线速度，并通过接口卡传递给控制计算机6。当速度大于控制软件中设定的启动速度时，制孔系统自动执行，并根据要求选择打孔或切孔方式；在制孔过程中，控制计算机按照预先设定的参数控制光束偏转系统和激光器进行制孔，并不断获取材料位移，实时计算补偿量，用补偿信号对光束偏转系统作出补偿校正，在材料上制出符合要求的孔图案；当材料线速度低于设定的终止速度时，制孔系统自动终止，并等待速度。
并行光束偏转系统5是制孔系统的执行机构，具体可选用振镜扫描系统。激光束4从激光器2发出，经过光学扩束镜3，进入光束偏转系统5，光束依照振镜的方向偏转，并由聚焦镜聚焦输出。
将实施例二用于膏药材料(膏状药物与布或人造纤维织物组合的两层复合材料)上的透气孔制备，可实现膏药材料上的密集小孔排列。通过选择合适设备，在50mm×80mm的标准膏药贴片上可制备140个左右透气孔，孔直径0.3mm左右，孔行列间隔小于5mm，膏药损失量约为0.25％；相比以往技术的大透气孔(直径大于2mm，行列间距大于10mm，透气孔数约30个，膏药损失量约为2.4％)，既大大减少了膏药的药量损失，又可保证并改善透气度(透气点增加了3～4倍)，使得透气更加均匀。
Claims (6)
1.一种非金属薄型材料激光制孔的方法，其步骤为：
(1)根据料孔要求，选择打孔或切孔的制孔方式，并通过设置控制装置的程序参数，由控制装置控制激光功率，并由控制装置控制光束偏转系统的运动轨迹，以调整孔的大小、疏密和图样；
(2)在线检测被加工材料的运动速度并传递给控制装置；
(3)当运动速度大于设定的启动速度时，利用激光进行制孔，在切孔过程中，不断获取材料的运动速度，并实时计算位移补偿量，采用光束偏转系统根据补偿信号实时作出补偿校正，以实现激光束与材料同步运动；当材料运动速度低于设定的终止速度时，终止切孔，并等待速度，直至任务完成。
2、一种实现权利要求1所述方法的设备，包括激光器和走料装置，其特征在于：还包括与激光器(2)位于同一光路上的光束偏转系统(5)，二者共同构成制孔装置；控制装置(6)与光束偏转系统(5)相连，它用于控制激光功率和光光束偏转系统(5)的运动轨迹，该设备还设有与控制装置(6)相联的速度传感器(7)。
3、根据权利要求2所述的设备，其特征在于：该设备包括二套或二套以上的制孔装置，各制孔装置分别置于小支撑桥(17)上，并通过支撑桥(16)置于支架(18)上，使激光作用区在被加工材料上成均匀分布。
4、根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于：在激光作用区外围设有吸尘装置(11)，并通过风机(10)与过滤装置(9)相连。
5、根据权利要求2或3所述的设备，其特征在于：光束偏转系统(5)为振镜扫描系统。
6、根据权利要求4所述的设备，其特征在于：光束偏转系统(5)为振镜扫描系统。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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Assignee: NINGBO WELL LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Assignor: HUAZHONG University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY|HENAN LINGRUI PHARMACEUTICAL Co.,Ltd. Contract fulfillment period: 2009.1.20 to 2014.1.19 Contract record no.: 2009330000454 Denomination of invention: Laser hole-making method for non-metal thin type material and its equipment Granted publication date: 20040609 License type: Exclusive license Record date: 20090313 |
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| LIC | Patent licence contract for exploitation submitted for record |
Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2009.1.20 TO 2014.1.19; CHANGE OF CONTRACT Name of requester: NINGBO WELL LASER TECHNOLOGY CO.,LTD. Effective date: 20090313 |
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| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20040609 |
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| CX01 | Expiry of patent term |