CN202877728U - 薄型材料的激光打孔装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种薄型材料激光打孔装置，解决了现有薄型材料激光打孔装置设备昂贵的问题。技术方案包括激光器及控制系统，所述激光器为连续CO₂激光器，所述连续CO₂激光器至薄型表面的激光传输光路上依次布置有开有通光孔的机械斩光盘、振镜系统和平场透镜。本实用新型以连续CO₂激光器取代现有的射频激励CO₂激光器，激光能量充分利用、加工效率很高、技术容易实现、激光功率没有限制的同时，还具有打孔速度快、成本低、孔径形式和分布可控、无接触、薄型材料损耗少等优点。

Description

薄型材料的激光打孔装置

技术领域

本实用新型涉及一种激光加工装置，具体的是说一种薄型材料的激光打孔装置。

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，在中医药的发展中占有重要地位。但传统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，近几年来采用机械接触式冲孔打孔的方法对生产的贴膏产品进行打孔，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。该机械打孔方法成本低，但存在刀头难加工、易磨损、产品收率低、外观不美等缺点。近年来，随着科学技术发展，用激光对生产的橡胶膏剂进行打孔，提高了产品收率和质量，且生产效率高，易管理。河南羚锐集团与华中科技大学激光研究院合作进行“CO₂激光超微切孔技术”的研发，成功研制出全自动的“CO₂激光超微切孔设备”，目前该成套设备与工艺已得到了很好的应用。采用该设备生产的密集微孔贴膏受到了患者的广泛欢迎，该项目的设备和工艺申请了一项发明专利和一项实用新型专利：发明专利：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：一种贴膏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多台50瓦和100瓦级射频激励CO₂激光器和高速振镜系统，并采用高速、高精度硬件控制系统，同时配以高精度位移传感单元。打孔设备的控制系统控制多台射频激励CO₂激光器的激光通过振镜反射,在连续运动的贴膏的横向展开扫描，当激光束指向需要打孔的部位时，控制系统指示射频激励激光器发射激光脉冲，打出一个小孔；然后控制系统控制振镜反射到下一个打孔的位置，控制系统再一次指示射频激励激光器发射激光脉冲，再打出一个小孔。该原理的基础是射频激励CO₂激光器具有良好的开关脉冲性能，射频激励CO₂激光器可以在电控制信号的控制下高速开关，从而高速发射激光脉冲。控制系统可以控制振镜系统将激光束指向需要打孔的位置后，再高速打开激光脉冲发射开关，发射合适的激光脉冲。由于振镜的控制和激光脉冲开关的控制可以分别进行，因此控制系统总是以振镜的控制优先，在控制振镜到达指定位置后再控制激光脉冲。这样的控制系统已经成熟，贴膏打孔系统辅以恒温、排烟、安全保障系统，是一套光机电一体化的自动打孔设备，可满足幅宽100毫米、生产线速度6～20米/分钟的生产要求。

采用激光在贴膏上打孔具有速度快、成本低、孔径形式和分布可控、无接触、贴膏损耗少等突出优点，但是目前采用的射频激励CO₂激光打孔方式投资很大，最主要的是射频激励CO₂激光器的价格很高，严重的限制了该技术的应用。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决上述技术问题，提供一种以连续CO₂激光器取代现有的射频激励CO₂激光器，激光能量充分利用、加工效率很高、技术容易实现、激光功率没有限制的同时，还具有打孔速度快、成本低、孔径形式和分布可控、无接触、薄型材料损耗少等优点的。

技术方案包括激光器及控制系统，所述激光器为连续CO₂激光器，所述连续CO₂激光器至薄型材料表面的激光传输光路上依次布置有开有通光孔的机械斩光盘、振镜系统和平场透镜。

所述机械斩光盘上装有角度传感器，所述控制系统的输入端与角度传感器和薄型材料运动速度传感器相连，输出端与振镜系统及控制机械斩光盘转动的电机的控制器相连。

所述角度传感器为与机械斩光盘同轴安装的编码器。

所述振镜系统包括两个振镜，所述两个振镜的旋转轴相互垂直放置。

所述机械斩光盘的激光入射面为散射面或吸收面或高反射面。

所述机械斩光盘的激光入射面为高反射面时，所述激光传输光路上布置有两套振镜系统和平场透镜，其中一套用于控制通过机械斩光盘通光孔的激光光束，另一套用于控制经机械斩光盘高反射面反射出的激光光束。

本实用新型的工作原理为：当机械斩光盘处于某个遮挡光的区域时，通过振镜运动，使紧跟着的一个脉冲的出射光能正好打在需要打孔的位置；当斩光盘处于透光位置时，通过振镜运动，使光束聚焦于打孔位置并与薄型材料处于相对静止的状态，进行打孔；机械斩光盘继续运行到下一个遮挡光的区域时，振镜再运动到使下一个出射光能打到薄型材料上下一个指定的打孔位置处，继续持续完成对所有指定位置的打孔。

机械斩光盘为一圆盘，在圆盘的外缘开有多个通光孔，所述通光孔可以为圆孔形或齿形。将激光照射在圆盘的外缘，当圆盘旋转时，透射的激光就被斩光盘调制成脉冲激光，脉冲的占空比可以通过改变透光孔（或齿）占圆盘外缘的比例来调整。如果将圆盘背面的外缘制作成可以反射激光的反射面，则从斩光盘反射的激光也是一路脉冲激光，反射激光和透射激光形成两路脉冲激光，如果调制的占空比正好是50%，则两路脉冲都是50%占空比的激光调制脉冲。

为了便于判断激光脉冲的输出，可以在机械斩光盘上安装一个角度传感器，优选在斩光盘同轴安装一个编码器，根据编码器的输出信号判断机械斩光盘是否处于透光位置。当机械斩光盘处于不透光位置时，配合振镜的运动，使紧跟着的一个脉冲的出射光正好打在需要打孔的位置；当机械斩光盘处于透光位置时，配合振镜的运动，使光束聚焦于打孔位置并与薄型材料处于相对静止的状态。由于薄型材料不断连续运动，因此薄型材料上的打孔点也随之运动，为了保证激光脉冲始终聚焦在打孔点上，振镜的反射光束应该跟踪薄型材料的运动，也就是说应该保证振镜反射的聚焦光点跟随薄型材料的运动速度，与薄型材料同步运动。因此可以设置与控制系统连接的用于检测薄型材料运动速度的速度传感器，该速度传感器可以安装在例如薄型材料放卷和放卷之间的辊轴上，可将检测的运行速度传给控制系统。

振镜系统包括两个可以高速往返的振镜，振镜中的反射镜可以通过例如一个高速往返旋转的检流计进行驱动。激光束照射到反射镜上，当反射镜旋转时，反射的光束就发生在垂直于其旋转轴的方向来回运动，反射光的出射方向可以精确控制。为了将光束扫描到二维平面的任意一个位置，一般将两个振镜相互垂直放置，分别完成两个方向的扫描，合成为平面扫描系统，扫描光束通过一个平场透镜（F-θ透镜）聚焦在某个平面上，控制振镜的角度，可以将入射的激光束聚焦在聚焦平面的任何点，从而完成在聚焦面上的任意指定点打孔的任务。

有益效果：

（1）采用价格低廉的连续CO₂激光器（几千元）替代现有价格昂贵的射频激励CO₂激光器（价格是连续CO₂激光器10－20倍），满足现有打孔的性能要求的同时，大大降低激光打孔设备的造价，从而极大地促进激光打孔技术的应用。

（2）本实用新型结构简单、操作简便、打孔工艺简单、精度高、可控性好，可实现高速打孔。

（3）同一激光光路可形成一路脉冲激光，也可以分成两路脉冲激光，实现双路同步打孔，使激光能量得到充分利用、大大提高了加工效率、对激光功率没有限制，具有广阔的市场应用前景。

附图说明

图1为实施例1机械斩光盘调制脉冲激光的原理示意图；

图2为实施例2两路脉冲调制的激光脉冲原理示意图；

图3为采用角度传感器判断斩光盘位置的原理示意图；

图4为薄型材料运动速度传感器安装的示意图；

图5为控制系统原理框图；

图6为本实用新型实施例1装置示意图；

图7为薄型材料上打孔示意图；

图8为振镜系统控制的聚焦光点的实际运动轨迹示意图；

图9为实施例2中两振镜系统左右放置打孔系统示意图；

图10为实施例3两振镜系统前后放置打孔系统示意图。

其中，1－激光器、2－机械斩光盘、3－振镜系统、4－平场透镜、5－角度传感器、6－速度传感器、7－薄型材料运动系统、8－控制系统、9－通光孔、10－转轴、11－薄型材料。

具体实施方式

实施例1：

 参照图5及图6，激光打孔装置包括激光器1及控制系统8，所述激光器1为连续CO₂激光器，所述激光器1至薄型材料11表面的激光传输光路上依次布置有开有通光孔9的机械斩光盘2、振镜系统3和平场透镜4。所述机械斩光盘2的转轴10装有角度传感器5（为编码器），所述控制系统8的输入端与角度传感器5和速度传感器6相连，输出端与振镜系统3及控制机械斩光盘2转动的电机控制器（图中未示出）相连。所述振镜系统包括两个旋转轴相互垂直放置的振镜301、302。

图1是机械斩光盘调制脉冲激光的原理，机械斩光盘2上设有多个通光孔9，激光器1输出的连续激光通过机械斩光盘2后成为脉冲激光，为了保证透光占空比一致，优选将机械斩光盘2上的通光孔9制成扇形。

图3表示了作为角度传感器5的编码器判断机械斩光盘2位置的原理。编码器有一个零位参考点，当编码器经过该位置时，会从Z相输出一个脉冲，表示此处为零位。当编码器从零位开始转过一定角度后，会从M、N两相输出脉冲信号，通过计算M、N脉冲数目，得到编码器转过的角度，从而知道斩光盘运动的角度，再根据预先设定的规定，判断机械斩光盘2是处于遮挡光还是输出光的状态。

图4是一个简单的薄型材料运动系统7的示意图。图中11为薄型材料、701为放卷，702为收卷，在放卷701和收卷702之间的某一个辊轴703上，装有检测薄型材料运动速度的传感器6，通过传感器6将运行速度传递给控制系统8，控制系统8以这个速度信号为基础，结合机械斩光盘2上角度传感器5传出的信息，进行综合比较运算后，输出相应的控制信息给振镜系统3控制激光束打孔。为了保证收卷的平整一致性，一般要求薄型材料必须匀速运动，这可以通过控制收放卷电机的转速完成，同时为了保证一致平整性还会增加纠偏系统。这些设备都是典型的通用机电系统，在薄型材料生产线上有广泛应用。

振镜系统如图6所示，振镜301、302的旋转轴相互垂直放置，以便完成对下方某个平面的完整扫描（其中一维的扫描沿薄型材料运动平行的方向，另一维的扫描则垂直于薄型材料运动的方向。）。振镜为可以高速旋转的反射镜，反射镜的驱动通过一个高速往返旋转的检流计（图中未示出）进行（或者是其它可驱动反射镜往返旋转的装置）。激光照射到反射镜上，当反射镜旋转时，反射的光束就发生在垂直于旋转轴的方向来回运动，反射光的出射方向可以精确控制。为了将光束扫描到二维平面的任意一个位置，一般将两个振镜相互垂直放置，分别进行两个方向的扫描，以完成薄型材料的平面扫描过程。机械过斩光盘2调制成为脉冲的激光束通过振镜系统3反射，再经平场透镜4聚焦到运动的薄型材料表面合适位置就可以完成打孔，控制系统8可通过控制驱动各个振镜的检流计来实现控制各个振镜转速及旋转角度的目的。

工作过程：

本实施例中：薄型材料11宽度100mm，需要按照图7所示规则打孔，孔间距5mm，每排20个孔，边距2.5mm，选择的振镜系统3和平场透镜4的扫描区域大于100mm。开启激光器1，激光功率稳定后，开启薄型材料运动系统7，薄型材料11以匀速运动，机械斩光盘2启动旋转，机械斩光盘2的旋转速度根据薄型材料运动速度而设定，薄型材料11运动速度由速度传感器6采集后送入控制系统8，由控制系统8对信息进行比较判后，再输出控制信号控制机械斩光盘2的电机的控制器，以使机械斩光盘2按照设计转速旋转，确保薄型材料在向前运动5mm时，激光光束刚好能完成一排的打孔；同时根据机械斩光盘2上的角度传感器5及速度传感器6传来的信号，控制系统8输出控制信号给振镜系统3，当机械斩光盘2运动到遮挡光的位置时，振镜系统3其中一个振镜302横向（垂直于薄型材料11长度运动方向）运动到指向薄型材料11上最前面的第一个打孔位置，振镜系统3的另一镜振301纵向的运动则根据速度传感器6监测到的薄型材料运动速度在薄型材料11纵向（沿薄型材料长度运动方向）与薄型材料11同步运动，当斩光盘运行到紧跟这个遮光区域的透射光区域时，激光脉冲通过平场透镜4聚焦在第一个孔上完成对这个点的打孔；斩光盘2继续运行到下一个遮挡光的区域时，振镜系统3再横向向后运动5mm指向薄型材料11上第二个打孔位置，以此类推，继续持续完成对第一排的打孔。当系统完成对第一排最后一个（第20个）的打孔后，薄型材料运动了一个行间距（5mm），此时振镜系统3在纵向也已经运动了一个行间距离（5mm），为了从新开始下一排的打孔，振镜系统3在完成第一排的最后一个打孔后，应该在纵向逆向薄型材料打孔方向运动一个行间距离（5mm），这时振镜系统3的横向（振镜302）不运动，这样实际上在从前到后完成第一排的最后一个打孔后，振镜系统3再从后向前完成第二排打孔，这样做的优点是每一次振镜的运动都只走一个比较短的距离。从后向前完成第二排打孔后，振镜系统3回到前面第一个孔位，振镜系统3在逆向薄型材料纵向运动一个行距，继续完成第三排的打孔，第三排打孔仍然与第一排一样是从前向后完成，以此类推，打孔过程连续持续下去就可以完成整个薄型材料的打孔。

图8表示了振镜系统3控制的聚焦光斑的实际运动轨迹，薄型材料运动方式为从左到右，光斑按A→B→C→D→A的阶梯状路径运动，其中振镜的纵向运动在每一个行距跳跃之间的运动是匀速运动，运动速度根据编码器6提供的信号与薄型材料运动保持一致。而横向运动的时机则根据编码器5提供的信号在遮挡光的区域进行。

本实施例中，薄型材料11运行速度6m/min，每秒钟需要打孔400个，采用50%占空比，振镜系统3从一个打孔点运动到另一个打孔点的时间不能大于1.25ms，目前的典型振镜产品完全可以完成这个运动速度；打孔的持续时间也不大于1.25ms，选择100瓦的玻璃管CO₂激光器1，实验证明完全可以完成薄型材料的打孔。

机械斩光盘2并无特别的要求，本实例中可以采用一个20齿(20个通光孔9)的机械斩光盘2，机械斩光盘2的旋转速度为1200rpm时完成6m/min速度的打孔。可以直接选用伺服电机。

实施例2：

与实施例1不同的是：所述机械斩光盘2的激光入射面（或其入射面的外缘部）为高反射面，所述激光传输光路上布置有两套振镜系统和平场透镜，其中一套用于控制通过机械斩光盘通光孔的激光光束（透射光束A），另一套用于控制经机械斩光盘高反射面反射出的激光光束（反射光束B），即除激光通过通光孔9形成的透射光束A外，当激光束被机械斩光盘2遮挡时，还有从机械斩光盘2反射的激光形成的另一路脉冲激光即反射光束B，如图2所示，两束脉冲激光的占空比互补，即如果一束激光的占空比为γ，另一束激光的占空比为1-γ。

采用图2的方式分光成两路脉冲，这两路脉冲可以分别通过两个振镜进行打孔。采用图9的布置方式，将两个振镜系统3左右布置，配合平场透镜4，可以完成对100mm宽，速度12m/min的薄型材料11打孔。

实施例3：

与实施例2不同的是：采用图10的布置方式，将两个振镜系统3沿薄型材料1前后布置，配合平场透镜4，可以共同完成200mm宽，速度6m/min的薄型材料11打孔。布置极为灵活，适用于多种规格的薄型材料11打孔，极大的提高了工作效率。

Claims (6)

1.一种薄型材料的激光打孔装置，包括激光器及控制系统，其特征在于，所述激光器为连续CO₂激光器，所述连续CO₂激光器至薄型材料表面的激光传输光路上依次布置有开有通光孔的机械斩光盘、振镜系统和平场透镜。

2.如权利要求1所述的薄型材料的激光打孔装置，其特征在于，所述机械斩光盘上装有角度传感器，所述控制系统的输入端与角度传感器和薄型材料运动速度传感器相连，输出端与振镜系统及控制机械斩光盘转动的电机的控制器相连。

3.如权利要求2所述的薄型材料的激光打孔装置，其特征在于，所述角度传感器为与机械斩光盘同轴安装的编码器。

4.如权利要求1或2或3所述的薄型材料的激光打孔装置，其特征在于，所述振镜系统包括两个振镜，所述两个振镜的旋转轴相互垂直放置。

5.如权利要求4所述的薄型材料的激光打孔装置，其特征在于，所述机械斩光盘的激光入射面为散射面或吸收面或高反射面。

6.如权利要求5所述的薄型材料的激光打孔装置，其特征在于，所述机械斩光盘的激光入射面为高反射面，所述激光传输光路上布置有两套振镜系统和平场透镜，其中一套用于控制通过机械斩光盘通光孔的激光光束，另一套用于控制经机械斩光盘高反射面反射出的激光光束。 

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