CN201664818U - 薄型材料激光在线打孔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄型材料激光在线打孔装置，它包括高功率连续激光器、多棱镜分光机构、振镜扫描聚焦系统、打孔输出机构和走料机构；其中所述多棱镜分光机构包括多棱镜和驱动多棱镜旋转的高速电机，所述振镜扫描聚焦系统由N个振镜扫描聚焦机构组成，所述打孔输出机构则由与所述振镜扫描聚焦机构一一对应且设置在走料机构上方的N个激光打孔加工头组成，其中N≥2。本实用新型借助多棱镜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大幅面密集制孔，不仅效率高，且生产的产品打孔间距更小、透气性能更好，同时整个装置结构简单、成本低，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

本实用新型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实用新型专利和一项实用新型专利：实用新型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)，实用新型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

本实用新型目的是：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大幅面密集制孔，不仅效率高，且生产的产品打孔间距更小、透气性能更好，同时结构简单、成本低，具备更高的性价比。

本实用新型的技术方案是：一种薄型材料激光在线打孔装置，它包括高功率连续激光器、多棱镜分光机构、振镜扫描聚焦系统、打孔输出机构和走料机构；其中所述多棱镜分光机构包括多棱镜和驱动多棱镜旋转的高速电机，所述振镜扫描聚焦系统由N个振镜扫描聚焦机构组成，所述打孔输出机构则由与所述振镜扫描聚焦机构一一对应且设置在走料机构上方的N个激光打孔加工头组成，其中N≥2。

本实用新型中所述走料机构进一步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，所述薄型材料便由收卷辊带动在薄型材料生产线传送支架上作连续运动；而所述N个激光打孔加工头设置在薄型材料生产线传送支架上方。

更进一步的，所述走料机构还包括设置在薄型材料生产线传送支架下方的除尘风机。

更进一步的，所述N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，而所述定位轴连接在所述薄型材料生产线传送支架上。

本实用新型中所述每个激光打孔加工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1000～10000瓦的轴快流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，本实用新型中的高功率连续激光器优选功率范围在1000～10000瓦的轴快流CO₂激光器。

本实用新型中所述高速旋转的多棱镜可将高功率连续激光器输出的连续高功率激光束分成N＝L/ΔL个脉冲激光束，其中L为薄型材料生产线的幅宽，而ΔL为单个振镜扫描聚焦机构的打孔范围，即本实用新型中由高速旋转的多棱镜分成的脉冲激光束的数量根据薄型材料生产线幅宽和振镜打孔的范围决定。

本实用新型中所述每个振镜扫描聚焦机构进一步均由反射扫描振镜、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，所述多棱镜上设有多棱镜转速测量传感器，可根据多棱镜的转速驱动振镜扫描位置调节装置调整振镜的x轴向扫描位置，同时在所述走料机构上设有薄型材料运动速度测量传感器，可根据薄型材料的运动速度驱动振镜扫描位置调节装置调整振镜的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。

本实用新型的工作原理如下：高功率连续激光器输出的连续高功率激光束，经过高速旋转的多棱镜扫描分光，分成N束脉冲激光，每束脉冲激光束经反射扫描振镜反射扫描后，再通过平场聚焦镜进行聚焦，最后经激光打孔加工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。N个振镜扫描聚焦机构并排布置且同时工作，使得N个激光打孔加工头同时输出聚焦激光在连续运动的薄型材料上实现纵向多排打孔，从而满足宽幅(例如800-2000毫米)在线打孔。具体工作过程中，N个激光打孔加工头固定不动，每个激光打孔加工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。

本实用新型与现有的专利技术：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来进行打孔。但区别是现有的专利技术中进入振镜扫描聚焦机构内的激光束直接来自多台独立的激光器，因此需要多台激光器并联工作；而本实用新型中的多个激光束则来自同一个高功率激光器，即这些激光束是由高功率激光器输出的连续高功率激光束通过一个高速旋转的多棱镜分割形成的，相比现有专利技术，本实用新型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宽幅面内同时打孔这个问题，本实用新型采用纵向多排打孔，其要求将连续的激光束分割成所要求的多束激光脉冲，多棱镜分光技术特别适合。高速旋转的多棱镜分光效率高，占空比可调，能够承受高的激光功率，因此与高功率激光配合能够获得更高的打孔能力，具有好的发展前景。

本实用新型的优点是：

(1)本实用新型采用多棱镜分光机构将连续高功率激光束分成多路脉冲激光输出，相比现有技术的多激光器并联模式，不仅激光能量利用效率高，且使得装置结构更加简单、体积更小、成本更低，使用寿命则更长，生产维护也更容易。

(2)本实用新型采用高功率连续激光器作为加工光源，由于激光打孔加工头可以是多个，所以技术上没有对激光功率的限制，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)本实用新型采用高功率连续激光器(例如高功率连续轴快流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。一台高功率连续便可取代多台中小功率激光器，性价比好，故障率大大降低，性能更稳定。

总之本实用新型与现有技术相比，不仅具有速度快、成本低、孔径小、无接触、薄型材料损耗少等突出效果，而且能够充分利用激光能量，激光功率没有限制，可多头同时加工、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实用新型作进一步描述：

图1为本实用新型一种具体实施例的结构示意图；

图2为单个振镜扫描聚焦机构扫描原理图；

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。

具体实施方式

实施例：首先如图1所示，本实用新型提供的这种薄型材料激光在线打孔装置，它包括高功率连续激光器1、多棱镜分光机构、振镜扫描聚焦系统、打孔输出机构和走料机构；其中所述多棱镜分光机构包括多棱镜3和驱动多棱镜3旋转的高速电机(图中省略)，所述多棱镜面数为八(当然面数也可以是其它)。所述振镜扫描聚焦系统由十个振镜扫描聚焦机构5(图中未全部画出)组成，所述打孔输出机构则由与所述振镜扫描聚焦机构5一一对应且设置在走料机构上方的十个激光打孔加工头9(图中也未全部画出)组成，并且所述每个激光打孔加工头9内均设有辅助气体喷射装置。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，以及设置在薄型材料生产线传送支架7下方的除尘风机8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N个激光打孔加工头9设置在薄型材料生产线传送支架7上方。

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轴快流CO₂激光器，这对于保障生产稳定高效非常重要，所述轴快流CO₂激光器的波长为10.6μm，功率范围在1000～10000瓦。

进一步结合图2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；高功率连续激光器1输出的连续高功率激光被旋转的多棱镜3分光后形成的脉冲激光束4经反射扫描振镜10反射扫描，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。反射扫描振镜的扫描是二维的，其中一维将脉冲激光沿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沿y轴方向，也即与薄型材料运动方向一致的方向展开。所述多棱镜3上设有多棱镜转速测量传感器，可根据多棱镜3的转速驱动振镜扫描位置调节装置调整振镜的x轴向扫描位置，同时在所述走料机构上设有薄型材料运动速度测量传感器，可根据薄型材料的运动速度驱动振镜扫描位置调节装置调整振镜的y轴向扫描位置。

再结合图3所示，本实施例中所述十个振镜扫描聚焦机构5平均分成两组分别可调节的均匀安装在两根定位轴12、13上，所述定位轴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，两组振镜扫描聚焦机构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。

需要采用本实施例进行在线打孔的薄型材料幅宽：1000mm；打孔间距要求：4mm(横向)×3.5mm(纵向)；本实施例采用十个振镜扫描聚焦机构5分成十束激光就是为了满足这个幅宽的打孔要求。

本实施例的工作原理如下：高功率连续激光器1输出的连续高功率激光束2，经过高速旋转的多棱镜3扫描分光，分成N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，最后经激光打孔加工头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。十个振镜扫描聚焦机构5并排布置且同时工作，使得十个激光打孔加工头9同时输出聚焦激光在连续运动的薄型材料上实现纵向多排打孔，从而满足宽幅在线打孔。具体工作过程中，十个激光打孔加工头9固定不动，每个激光打孔加工头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4000瓦的CO₂连续高功率激光，通过旋转多棱镜3分成十束平均功率为400瓦脉冲激光束4，每一束脉冲激光束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100毫米范围内展开，十束脉冲激光束4可以实现1000毫米宽度薄型材料打孔，从而实现宽幅在线打孔。

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10m/min＝167mm/s，每个反射扫描振镜10每一秒钟y轴方向需要打孔167mm/3.5mm＝48排/s，x轴方向需要打孔100mm/4mm＝25个/排，因此每一个反射扫描振镜10每一秒钟需要打孔48排/s×25个/排＝1200个/s。

本实施例总的打孔速度为1200孔/振镜/s×10振镜＝12000孔/s。每个激光脉冲的持续时间为1/12000＝0.083ms，考虑到功率损耗取为0.08ms。每个脉冲的能量为3000W×0.08ms＝0.24J，基本满足在连续运动的薄型材料上打孔对于激光能量的要求。若进一步考虑到其它功率损耗，激光功率应该选择在3500瓦以上。

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

当然以上仅是本实用新型设备的一种具体应用范例，对本实用新型设备的保护范围不构成任何限制。除上述实施例外，本实用新型设备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，均落在本实用新型设备所要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于它包括高功率连续激光器(1)、多棱镜分光机构、振镜扫描聚焦系统、打孔输出机构和走料机构；其中所述多棱镜分光机构包括多棱镜(3)和驱动多棱镜(3)旋转的高速电机，所述振镜扫描聚焦系统由N个振镜扫描聚焦机构(5)组成，所述打孔输出机构则由与所述振镜扫描聚焦机构(5)一一对应且设置在走料机构上方的N个激光打孔加工头(9)组成，其中N≥2。

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N个激光打孔加工头(9)设置在薄型材料生产线传送支架(7)上方。

3.根据权利要求2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还包括设置在薄型材料生产线传送支架(7)下方的除尘风机(8)。

4.根据权利要求2所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述N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。

5.根据权利要求1或2或3或4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加工头(9)内均设有辅助气体喷射装置。

6.根据权利要求1所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述高功率连续激光器(1)优选功率范围在1000～10000瓦的轴快流CO₂激光器。

7.根据权利要求1所述的薄型材料激光在线打孔装置，其特征在于所述高速旋转的多棱镜(3)可将高功率连续激光器(1)输出的连续高功率激光束(2)分成N＝L/ΔL个脉冲激光束(4)，其中L为薄型材料生产线的幅宽，而ΔL为单个振镜扫描聚焦机构(5)的打孔范围。

8.根据权利要求1或7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，所述多棱镜(3)上设有多棱镜转速测量传感器，可根据多棱镜(3)的转速驱动振镜扫描位置调节装置调整振镜的x轴向扫描位置，同时在所述走料机构上设有薄型材料运动速度测量传感器，可根据薄型材料的运动速度驱动振镜扫描位置调节装置调整振镜的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。

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