CN201350547Y

CN201350547Y - 卷烟接装纸激光打孔设备

Info

Publication number: CN201350547Y
Application number: CNU2009200834510U
Authority: CN
Inventors: 陈培锋; 王英; 王焄; 罗曦
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2009-01-16
Filing date: 2009-01-16
Publication date: 2009-11-25
Anticipated expiration: 2019-01-16

Abstract

本实用新型是卷烟接装纸激光打孔设备，其由连续激光器(1)、光学变换机构(2)和驱动水松纸(9)连续运动的走纸机构(3)组成，其中：光学变换机构由光学半透半反镜(4)、全反镜(5)、旋转式多棱镜(7)，以及安装在走纸机构上方的、呈非直线形排列的多个具有聚焦功能的聚焦头(8)构成，每个聚焦头的光轴均与水松纸表面垂直；所述激光器输出的连续激光束经过多棱镜扫描进入与之对应的多个聚焦头中，并由其聚焦后在连续运动的水松纸的表面形成先后出光的多个聚焦光点，对水松纸打出单排或多排曲线或重复图形排列分布的小孔(14)。本实用新型具有结构简单、打孔速度快、使用寿命长、工作稳定，并且加工效率高、产品质量好等优点。

Description

卷烟接装纸激光打孔设备

技术领域

本实用新型涉及激光打孔设备，特别是一种卷烟接装纸激光打孔设备。

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技术、理论方法以及实践应用等方面进行了广泛而深入的研究，采用了多种降焦技术。

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，另外亚洲的日本等国的通风滤嘴卷烟也占有相当大比例。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己达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、减少尼古丁且对人们健康无伤害的水松纸打孔工艺得到迅速普及。其中，采用激光打孔工艺因其具有多项优势将成为水松纸行业的发展方向。

目前开发和利用的水松纸打孔方式主要有机械打孔、电火花打孔、激光打孔等工艺，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，均为直线型打孔，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(200410036764.2)提出在水松纸上打图形孔的尝试，但专利中没有提供具体的实现方法。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种卷烟接装纸激光打孔设备，该设备能够实现在水松纸上进行高速透气微孔曲线或图形排列型激光打孔。该设备激光能量利用效率高、结构简单、工作稳定且加工效率高。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：由连续激光器、光学变换机构和驱动水松纸连续运动的走纸机构组成。其中：光学变换机构由光学半透半反镜、全反镜、旋转式多棱镜，以及安装在走纸机构上方的、呈非直线形排列的多个具有聚焦功能的聚焦头构成，每个聚焦头的光轴均与水松纸表面垂直；所述激光器输出的连续激光束经过多棱镜扫描进入与之对应的多个聚焦头中，并由其聚焦后在连续运动的水松纸的表面形成先后出光的多个聚焦光点，对水松纸打出单排或多排曲线或重复图形排列分布的小孔。

本实用新型与现有技术相比，主要有以下优点：

(1)水松纸上透气微孔呈简单重复曲线或图形型排列，区别于之前的直线型排列，具有外形美观多变、防伪等功能。可调整变化的孔分布能够提供滤嘴通风的不同气流分布形式，以提供更加可控的降焦效果。

(2)采用多棱镜分光机构，将连续激光束分成顺序出光的多路脉冲激光输出，因此激光能量利用率高、结构简单、使用寿命长、生产维护容易。

(3)采用高速旋转多棱镜进行分光，能够将连续激光束分成多路高重复频率的脉冲激光输出，因此打孔速度快、效率高。

(4)采用多路聚焦头的不同空间排布结果以获得不同的曲线或图形分布形式的孔，因此结构简单、工作稳定。

(5)各聚焦头的空间排布位置能够在线调节，实现水松纸上透气微孔的多种曲线或图形分布。

总之，本实用新型结构简单、打孔速度快、使用寿命长、工作稳定，并且加工效率高、产品质量好。

附图说明

图1是曲线水松纸激光打孔机总体原理图。

图2是采用多个聚焦光点实现一个锯齿曲线分布时聚焦头的位置关系图。

图3是采用多个聚焦光点实现一个锯齿曲线分布。

图4是多个聚焦头分三排平行排列的位置关系图。

图5是采用多个聚焦光点实现一个正弦曲线分布时聚焦头的位置关系图。

图6是采用多个聚焦光点实现一个正弦曲线分布。

图7是采用多个聚焦光点间隔一个曲线周期实现一个锯齿曲线分布。

图8是多棱镜分光实现多个顺序出光脉冲。

图9是采用单一聚焦镜实现多个聚焦点同时聚焦。

图10是采用多个聚焦光点间隔一个曲线周期实现一个锯齿曲线分布时聚焦头的位置关系图。

图中：1.连续激光器；2.光学变换机构；3.走纸机构；4.光学半透半反镜；5.全反镜；6.连续激光束；7.多棱镜；8.聚焦头；9.水松纸；10.收卷辊；11.放卷辊；12.聚焦镜；13.抛物面反射镜；14.小孔。

具体实施方式

本实用新型提供的卷烟接装纸激光打孔设备，其结构如图1所示：由激光器、光学变换机构2和驱动水松纸9连续运动的走纸机构3组成。其中：激光器为连续激光器1。光学变换机构2由光学半透半反镜4、全反镜5、旋转式多棱镜7和多个具有聚焦功能的聚焦头8构成。走纸机构3由收卷辊10和放卷辊11构成。多个聚焦头8呈非直线形排列，可以呈如图2、4、5、10所示的不同形式的排列，并且安装在走纸机构3的上方。每个聚焦头8的光轴均与待加工的水松纸9表面垂直。连续激光器1输出的连续激光束经过多棱镜7被分成多路脉冲激光束，再分别输入到与之对应的多个聚焦头8中，并由其聚焦后在水松纸9的表面形成先后出光的多个聚焦光点，对水松纸打出单排或多排曲线或重复图形排列分布的小孔14。

待加工的水松纸9由走纸机构3中的收卷辊10和放卷辊11进行装夹，水松纸9由收卷辊10旋转带动连续运动。

聚焦光点的个数可以是2n，n≥2。

所述的小孔14，其排列呈三角形(图3)、锯齿形(图7)、菱形或梯形排列分布，或者呈正弦形或余弦形排列分布。小孔14排布的曲线周期长度L为2～24mm。

所述的多棱镜7，其一侧与高速电机转轴相连，其转速由PLC控制。多棱镜(7)边数为8～90。

走纸机构3可由收卷辊10和放卷辊11构成。水松纸9由收卷辊10旋转带动连续运动。

本实用新型的工作过程：参见图1，连续激光器1输出的光经过一组光学半透半反镜4和全反镜5，分成M束能量为原光束1/M的连续激光束6，图1中M为2；一束连续激光束6经全反镜5反射后入射到一个高速旋转的多棱镜7上，多棱镜7的高速旋转将入射连续激光束依次扫入并行排列的多个聚焦头8中，形成多路时序上有先后的脉冲激光束。该多路脉冲激光束被分别输入到与之对应的多个聚焦头8中，并由其聚焦于水松纸9的表面进行打孔。采用旋转式多棱镜分光的方式，可以获得高重复频率的激光脉冲，保证必要的打孔生产效率。多个聚焦头8在空间中按照一定的规律排布，配合水松纸9的连续运动，即可在水松纸上打出曲线或图形分布形式的孔。

下面举出利用本实用新型在卷烟接装纸上实施激光打孔的一个实施例。

1.旋转多棱镜式打孔技术具体实施方式

如图1所示：连续激光器1为连续CO₂激光器，其输出的光经过一组光学半透半反镜4和全反镜5，分成两束能量相等的连续激光束6；一束连续激光束6照射在高速旋转的多棱镜7的某个面上，这里的多棱镜边数根据实际情况可采用8～90个边。多棱镜的这个面在旋转过程中将激光束依次扫过十六个聚焦头8，每一个聚焦头8在激光扫过时接受到一部分激光。这样当激光依次扫过十六个聚焦头时，相当于给每个聚焦头分配一个激光脉冲。当多棱镜7旋转时，多棱镜的每一个面都给所有的聚焦头分配一个脉冲，这样实际上旋转式多棱镜相当于将一个连续激光分割成为十六路脉冲激光，分别通过十六个聚焦头8进行聚焦。聚焦的质量越好，打孔的效果越高。其中每个聚焦头8内均安装有全反镜5和聚焦镜12，其作用是首先将进入的脉冲光束的方向转变为垂直于水松纸9表面，然后通过聚焦镜12使其聚焦在水松纸9上进行打孔。

水松纸9的移动速率由走纸机构3中的收卷辊10通过PLC控制。每个聚焦头8内均装有辅助气体喷射装置，用于将汽化的水松纸材料吹走，保持生产线清洁。

连续激光器1的开关和功率大小，多棱镜7的转速，走纸机构3中收卷辊10的转动速率，各聚焦头8的横向、纵向平移及其中的辅助气体喷射装置均可以调整控制。

当需要采用较复杂的图形时，可能需要将连续激光分成很多路，例如32路，此时可以直接利用多棱镜7将高功率连续CO₂激光器分成32路脉冲光束，也可以先将高功率连续CO₂激光器输出的光经过一组光学半透半反镜4和全反镜5，分成M束能量为原光束1/M的连续激光束6，再利用M个多棱镜7分别对M束连续激光束6进行分光。图1中的实例是将高功率连续CO₂激光器1输出光束经过一组光学半透半反镜4和全反镜5分成两束相等的连续激光束6，两束光分别通过两个多棱镜各分成16路脉冲光束，共32路脉冲激光通过聚焦镜聚焦在以恒定速度运动的水松纸9上，在该水松纸上打出32排透气孔。

标准情况下该系统能够直接打32路孔。当每盘水松纸要求打两排孔时可以将32路脉冲激光分成两组，分别用16个聚焦光点形成一个图形，这样可以直接实现两排曲线或图形打孔，效率很高。

2.具体实施说明：

提出曲线或图形打孔的概念，最终必须有可实现的技术方案。为了实现高速的水松纸曲线激光打孔，可以采用以下方案：利用多个聚焦光点实现单排或多排曲线或重复图形分布形式的打孔。

图2表示了一个用8个聚焦光点实现一条锯齿形打孔的实例。8个聚焦头分两排横向平行排列，每排中相邻聚焦头的间距相等。其中任意一个聚焦头8出光时，由于激光聚焦光点处的高功率密度，使水松纸局部达到汽化温度，汽化成小孔14。8个聚焦头出光打孔的顺序为8-1→8-2→8-3→8-4→8-5→8-6→8-7→8-8→8-1……，当聚焦头8-2出光时水松纸已经比聚焦头8-1出光时在纵向上走过了一个短距离Δ，当聚焦头8-3出光时水松纸已经比聚焦头8-2出光时在纵向上又走过了一个相等的短距离Δ，……，最终的结果是：虽然8个聚焦头分两排横向平行排列，但由于8个聚焦头是顺序出光且每排中相邻聚焦头的间距相等，结合水松纸在纵向上的连续运动，结果在水松纸上打出了锯齿形分布的小孔14，如图3所示。

聚焦点的不同分布结果可以得到不同的曲线分布形式。例如要得到正弦型的分布，图5表示了一个用8个聚焦光点实现一条正弦形打孔的实例。在8个聚焦头分三排横向平行排列的基础上(如图4所示)，通过机械结构的细微调整，使聚焦头8-2、8-4和8-6、8-8分别与聚焦头8-1，8-5和8-7在纵向上有微小的距离差Δl(即在纵向上拉大了聚焦头8-2与8-4，8-6与8-8的距离)，且相邻两聚焦头的横向间距相等，如图5所示。

打孔的顺序为8-1→8-2→8-3→8-4→8-5→8-6→8-7→8-8→8-1……，8个聚焦头顺序出光。聚焦头8-2在纵向上超前于聚焦头8-1一个短距离Δl。这样相比于图2中激光聚焦头的排列关系，当聚焦头8-2出光时水松纸已经比聚焦头8-1出光时在纵向上走过了一个短距离Δ-Δl；又因为聚焦头8-3和聚焦头8-1在纵向上重合，当聚焦头8-3出光时水松纸已经比聚焦头8-2出光时在纵向上又走过了一个短距离Δ+Δl，……，最终的结果是：由于8个聚焦头是顺序出光，结合水松纸的连续运动结果在水松纸上打出了正弦型分布的小孔14，如图6所示。

要实现多个聚焦光点顺序出光可以直接采用多棱镜方式，如图8所示。多棱镜分光的原理是：入射的连续激光束6经聚焦镜12聚焦后照射在旋转多棱镜7的某个表面。多棱镜7的这个面在旋转的过程中，其反射激光束经抛物面反射镜13反射后将依次扫过N个聚焦镜12，每一个聚焦镜12在激光扫过时接受到一部分激光。这样当激光依次扫过N个聚焦镜时，相当于给每个聚焦镜依次分配一个激光脉冲。当多棱镜7高速旋转时，多棱镜的每个面都给所有的聚焦镜分配一个脉冲，这样实际上多棱镜相当于将一个连续激光分割成为N路脉冲激光，每一路激光完全相同，但每一路激光相对在时间上有一个先后的错位。N路脉冲激光分别通过聚焦镜聚焦在水松纸上进行打孔。利用这种N路按先后顺序出光的激光脉冲在空间位置上的合理分布配合水松纸9的连续运动就可以实现曲线或图形打孔。

例如采用多棱镜将连续激光束分成16路脉冲激光，将其中的第1、3、5、7、9、11、13、15路和第2、4、6、8、10、12、14、16路分别组成两组脉冲激光，通过聚焦镜12聚焦在水松纸上就可以直接实现两排曲线或图形打孔。

至于聚焦的方式可以是利用N个聚焦镜12分别聚焦在纸面的不同部位，也可以利用一个聚焦镜12聚焦几路激光，每路激光入射时相对有不同的入射角，从而实现横向有一定距离的多个聚焦光点，如图9所示。

最后，考虑到机械结构上的限制，可以采用间隔若干整数倍曲线周期重复打孔的方法，每一个聚焦头在纵向分布上间隔若干整数倍个曲线周期长度，可以取一至十个曲线周期长度，其中一个曲线周期长度L为2～24mm，综合起来还是一个合适的曲线分布。图10表示了一个用8个聚焦头在纵向分布上间隔一个曲线周期长度L实现一条锯齿形打孔的实例。

在图4所示的8个聚焦头分三排横向平行排列的基础上，将8个聚焦头在纵向上进行分离，使每一个聚焦头在纵向分布上间隔一个曲线周期长度L，并保持相邻聚焦头的横向间距不变。

打孔的顺序为8-1→8-2→8-3→8-4→8-5→8-6→8-7→8-8→8-1……，8个聚焦头顺序出光。当聚焦头8-2出光时水松纸已经比聚焦头8-1出光时在纵向上走过了一个短距离Δ，则第2个小孔与第1个小孔间纵向相距Δ+L；当聚焦头8-3出光时水松纸已经比聚焦头8-2出光时在纵向上又走过了一个相等的短距离Δ，则第3个小孔与第2个小孔间纵向相距Δ+L；……；当聚焦头8-8出光时水松纸已经比聚焦头8-7出光时在纵向上又走过了一个相等的短距离Δ，则第8个小孔与第7个小孔间纵向相距Δ+L。从水松纸的第9段曲线周期开始，所有水松纸在其周期长度L内都将经过所有的8个聚焦头的打孔。那么从水松纸的第9段周期开始，在每段水松纸周期长度L上呈现锯齿型分布的小孔14，如图7所示。

聚焦头的不同排布结果可以得到不同的曲线或图形分布形式。

所述聚焦头可采用透射方式聚焦或采用抛物面反射方式聚焦。

Claims

1.一种卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是由连续激光器(1)、光学变换机构(2)和驱动水松纸(9)连续运动的走纸机构(3)组成，其中：光学变换机构由光学半透半反镜(4)、全反镜(5)、旋转式多棱镜(7)，以及安装在走纸机构上方的、呈非直线形排列的多个具有聚焦功能的聚焦头(8)构成，每个聚焦头的光轴均与水松纸表面垂直；所述激光器输出的连续激光束经过多棱镜扫描进入与之对应的多个聚焦头中，并由其聚焦后在连续运动的水松纸的表面形成先后出光的多个聚焦光点，对水松纸打出单排或多排曲线或重复图形排列分布的小孔(14)。

2.根据权利要求1所述的卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是：聚焦光点的个数是2n，n≥2。

3.根据权利要求1所述的卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是：小孔(14)呈三角形、锯齿形、菱形或梯形排列分布。

4.根据权利要求1所述的卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是：小孔(14)呈正弦形或余弦形排列分布。

5.根据权利要求1或3或4所述的卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是：小孔(14)排布的曲线周期长度L为2～24mm。

6.根据权利要求1所述的卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是：多棱镜(7)的一侧与高速电机转轴相连，其转速由PLC控制。

7.根据权利要求1或6的卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是：多棱镜(7)边数为8～90。

8.根据权利要求1所述的卷烟接装纸激光打孔设备，其特征是：走纸机构(3)由收卷辊(10)和放卷辊(11)构成，水松纸(9)由收卷辊(10)旋转带动连续运动。