專利名稱：薄型材料的激光打孔裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種激光加工裝置，具體的是說一種薄型材料的激光打孔裝置。
背景技術：
薄型材料是工業(yè)材料中的一種基本形式，很多薄型材料需要制備密集的微孔，例如卷煙行業(yè)的水松紙激光打孔，又或者是醫(yī)藥行業(yè)的橡膠膏劑，再或者是人造革、包裝薄膜等也需要進行密集透氣孔制備。以橡膠膏劑這類薄型材料為例，其作為中藥的主導劑型產品之一，在中醫(yī)藥的發(fā)展中占有重要地位。但傳統(tǒng)橡膠膏劑由于透氣性差，會給患者帶來皮膚紅腫、瘙癢、潰爛等副作用。為了解決這個問題，近幾年來采用機械接觸式?jīng)_孔打孔的方法對生產的貼膏產品進行打孔，以增加產品透氣性，為橡膠膏劑產品的發(fā)展起到了較好的促進作用。該機械打孔方法成本低，但存在刀頭難加工、易磨損、產品收率低、外觀不美等缺點。近年來，隨著科學技術發(fā)展，用激光對生產的橡膠膏劑進行打孔，提高了產品收率和質量，且生產效率高，易管理。河南羚銳集團與華中科技大學激光研究院合作進行“co2激光超微切孔技術”的研發(fā)，成功研制出全自動的“0)2激光超微切孔設備”，目前該成套設備與工藝已得到了很好的應用。采用該設備生產的密集微孔貼膏受到了患者的廣泛歡迎，該項目的設備和工藝申請了一項發(fā)明專利和一項實用新型專利發(fā)明專利非金屬薄型材料激光制孔的方法和設備(申請?zhí)?2139127.0);實用新型一種貼膏材料的激光打孔裝置(申請?zhí)?2279414. X)。上述專利技術的核心是使用多臺50瓦和100瓦級射頻激勵CO2激光器和高速振鏡系統(tǒng)，并采用高速、高精度硬件控制系統(tǒng)，同時配以高精度位移傳感單元。打孔設備的控制系統(tǒng)控制多臺射頻激勵CO2激光器的激光通過振鏡反射，在連續(xù)運動的貼膏的橫向展開掃描，當激光束指向需要打孔的部位時，控制系統(tǒng)指示射頻激勵激光器發(fā)射激光脈沖，打出一個小孔；然后控制系統(tǒng)控制振鏡反射到下一個打孔的位置，控制系統(tǒng)再一次指示射頻激勵激光器發(fā)射激光脈沖，再打出一個小孔。該原理的基礎是射頻激勵CO2激光器具有良好的開關脈沖性能，射頻激勵CO2激光器可以在電控制信號的控制下高速開關，從而高速發(fā)射激光脈沖?？刂葡到y(tǒng)可以控制振鏡系統(tǒng)將激光束指向需要打孔的位置后，再高速打開激光脈沖發(fā)射開關，發(fā)射合適的激光脈沖。由于振鏡的控制和激光脈沖開關的控制可以分別進行，因此控制系統(tǒng)總是以振鏡的控制優(yōu)先，在控制振鏡到達指定位置后再控制激光脈沖。這樣的控制系統(tǒng)已經(jīng)成熟，貼膏打孔系統(tǒng)輔以恒溫、排煙、安全保障系統(tǒng)，是一套光機電一體化的自動打孔設備，可滿足幅寬100毫米、生產線速度6 20米/分鐘的生產要求。采用激光在貼膏上打孔具有速度快、成本低、孔徑形式和分布可控、無接觸、貼膏損耗少等突出優(yōu)點，但是目前采用的射頻激勵CO2激光打孔方式投資很大，最主要的是射頻激勵CO2激光器的價格很高，嚴重的限制了該技術的應用。
發(fā)明內容本實用新型的目的是為了解決上述技術問題，提供一種以連續(xù)CO2激光器取代現(xiàn)有的射頻激勵CO2激光器，激光能量充分利用、加工效率很高、技術容易實現(xiàn)、激光功率沒有限制的同時，還具有打孔速度快、成本低、孔徑形式和分布可控、無接觸、薄型材料損耗少等優(yōu)點的。技術方案包括激光器及控制系統(tǒng)，所述激光器為連續(xù)CO2激光器，所述連續(xù)CO2激光器至薄型材料表面的激光傳輸光路上依次布置有開有通光孔的機械斬光盤、振鏡系統(tǒng)和平場透鏡。所述機械斬光盤上裝有角度傳感器，所述控制系統(tǒng)的輸入端與角度傳感器和薄型材料運動速度傳感器相連，輸出端與振鏡系統(tǒng)及控制機械斬光盤轉動的電機的控制器相連。所述角度傳感器為與機械斬光盤同軸安裝的編碼器。所述振鏡系統(tǒng)包括兩個振鏡，所述兩個振鏡的旋轉軸相互垂直放置。所述機械斬光盤的激光入射面為散射面或吸收面或高反射面。所述機械斬光盤的激光入射面為高反射面時，所述激光傳輸光路上布置有兩套振鏡系統(tǒng)和平場透鏡，其中一套用于控制通過機械斬光盤通光孔的激光光束，另一套用于控制經(jīng)機械斬光盤高反射面反射出的激光光束。本實用新型的工作原理為當機械斬光盤處于某個遮擋光的區(qū)域時，通過振鏡運動，使緊跟著的一個脈沖的出射光能正好打在需要打孔的位置；當斬光盤處于透光位置時，通過振鏡運動，使光束聚焦于打孔位置并與薄型材料處于相對靜止的狀態(tài)，進行打孔；機械斬光盤繼續(xù)運行到下一個遮擋光的區(qū)域時，振鏡再運動到使下一個出射光能打到薄型材料上下一個指定的打孔位置處，繼續(xù)持續(xù)完成對所有指定位置的打孔。機械斬光盤為一圓盤，在圓盤的外緣開有多個通光孔，所述通光孔可以為圓孔形或齒形。將激光照射在圓盤的外緣，當圓盤旋轉時，透射的激光就被斬光盤調制成脈沖激光，脈沖的占空比可以通過改變透光孔(或齒)占圓盤外緣的比例來調整。如果將圓盤背面的外緣制作成可以反射激光的反射面，則從斬光盤反射的激光也是一路脈沖激光，反射激光和透射激光形成兩路脈沖激光，如果調制的占空比正好是50%，則兩路脈沖都是50%占空比的激光調制脈沖。為了便于判斷激光脈沖的輸出，可以在機械斬光盤上安裝一個角度傳感器，優(yōu)選在斬光盤同軸安裝一個編碼器，根據(jù)編碼器的輸出信號判斷機械斬光盤是否處于透光位置。當機械斬光盤處于不透光位置時，配合振鏡的運動，使緊跟著的一個脈沖的出射光正好打在需要打孔的位置；當機械斬光盤處于透光位置時，配合振鏡的運動，使光束聚焦于打孔位置并與薄型材料處于相對靜止的狀態(tài)。由于薄型材料不斷連續(xù)運動，因此薄型材料上的打孔點也隨之運動，為了保證激光脈沖始終聚焦在打孔點上，振鏡的反射光束應該跟蹤薄型材料的運動，也就是說應該保證振鏡反射的聚焦光點跟隨薄型材料的運動速度，與薄型材料同步運動。因此可以設置與控制系統(tǒng)連接的用于檢測薄型材料運動速度的速度傳感器，該速度傳感器可以安裝在例如薄型材料放卷和放卷之間的輥軸上，可將檢測的運行速度傳給控制系統(tǒng)。振鏡系統(tǒng)包括兩個可以高速往返的振鏡，振鏡中的反射鏡可以通過例如一個高速往返旋轉的檢流計進行驅動。激光束照射到反射鏡上，當反射鏡旋轉時，反射的光束就發(fā)生在垂直于其旋轉軸的方向來回運動，反射光的出射方向可以精確控制。為了將光束掃描到二維平面的任意一個位置，一般將兩個振鏡相互垂直放置，分別完成兩個方向的掃描，合成為平面掃描系統(tǒng)，掃描光束通過一個平場透鏡(F-θ透鏡)聚焦在某個平面上，控制振鏡的角度，可以將入射的激光束聚焦在聚焦平面的任何點，從而完成在聚焦面上的任意指定點打孔的任務。有益效果(I)采用價格低廉的連續(xù)CO2激光器(幾千元)替代現(xiàn)有價格昂貴的射頻激勵CO2激光器(價格是連續(xù)CO2激光器10 - 20倍)，滿足現(xiàn)有打孔的性能要求的同時，大大降低激光打孔設備的造價，從而極大地促進激光打孔技術的應用。(2)本實用新型結構簡單、操作簡便、打孔工藝簡單、精度高、可控性好，可實現(xiàn)高速打孔。(3)同一激光光路可形成一路脈沖激光，也可以分成兩路脈沖激光，實現(xiàn)雙路同步打孔，使激光能量得到充分利用、大大提高了加工效率、對激光功率沒有限制，具有廣闊的市場應用前景。

圖1為實施例1機械斬光盤調制脈沖激光的原理示意圖；圖2為實施例2兩路脈沖調制的激光脈沖原理示意圖；圖3為采用角度傳感 器判斷斬光盤位置的原理示意圖；圖4為薄型材料運動速度傳感器安裝的示意圖；圖5為控制系統(tǒng)原理框圖；圖6為本實用新型實施例1裝置示意圖；圖7為薄型材料上打孔示意圖；圖8為振鏡系統(tǒng)控制的聚焦光點的實際運動軌跡示意圖；圖9為實施例2中兩振鏡系統(tǒng)左右放置打孔系統(tǒng)示意圖；圖10為實施例3兩振鏡系統(tǒng)前后放置打孔系統(tǒng)示意圖。其中，I 一激光器、2 —機械斬光盤、3 —振鏡系統(tǒng)、4 一平場透鏡、5 —角度傳感器、6 一速度傳感器、7 —薄型材料運動系統(tǒng)、8 —控制系統(tǒng)、9 一通光孔、10 —轉軸、11 一薄型材料。
具體實施方式
實施例1 :參照圖5及圖6，激光打孔裝置包括激光器I及控制系統(tǒng)8，所述激光器I為連續(xù)CO2激光器，所述激光器I至薄型材料11表面的激光傳輸光路上依次布置有開有通光孔9的機械斬光盤2、振鏡系統(tǒng)3和平場透鏡4。所述機械斬光盤2的轉軸10裝有角度傳感器5 (為編碼器)，所述控制系統(tǒng)8的輸入端與角度傳感器5和速度傳感器6相連，輸出端與振鏡系統(tǒng)3及控制機械斬光盤2轉動的電機控制器(圖中未示出)相連。所述振鏡系統(tǒng)包括兩個旋轉軸相互垂直放置的振鏡301、302。圖1是機械斬光盤調制脈沖激光的原理，機械斬光盤2上設有多個通光孔9，激光器I輸出的連續(xù)激光通過機械斬光盤2后成為脈沖激光，為了保證透光占空比一致，優(yōu)選將機械斬光盤2上的通光孔9制成扇形。圖3表示了作為角度傳感器5的編碼器判斷機械斬光盤2位置的原理。編碼器有一個零位參考點，當編碼器經(jīng)過該位置時，會從Z相輸出一個脈沖，表示此處為零位。當編碼器從零位開始轉過一定角度后，會從M、N兩相輸出脈沖信號，通過計算M、N脈沖數(shù)目，得到編碼器轉過的角度，從而知道斬光盤運動的角度，再根據(jù)預先設定的規(guī)定，判斷機械斬光盤2是處于遮擋光還是輸出光的狀態(tài)。圖4是一個簡單的薄型材料運動系統(tǒng)7的示意圖。圖中11為薄型材料、701為放卷，702為收卷，在放卷701和收卷702之間的某一個輥軸703上，裝有檢測薄型材料運動速度的傳感器6，通過傳感器6將運行速度傳遞給控制系統(tǒng)8，控制系統(tǒng)8以這個速度信號為基礎，結合機械斬光盤2上角度傳感器5傳出的信息,進行綜合比較運算后,輸出相應的控制信息給振鏡系統(tǒng)3控制激光束打孔。為了保證收卷的平整一致性，一般要求薄型材料必須勻速運動，這可以通過控制收放卷電機的轉速完成，同時為了保證一致平整性還會增加糾偏系統(tǒng)。這些設備都是典型的通用機電系統(tǒng)，在薄型材料生產線上有廣泛應用。振鏡系統(tǒng)如圖6所示，振鏡301、302的旋轉軸相互垂直放置，以便完成對下方某個平面的完整掃描(其中一維的掃描沿薄型材料運動平行的方向，另一維的掃描則垂直于薄型材料運動的方向。)。振鏡為可以高速旋轉的反射鏡，反射鏡的驅動通過一個高速往返旋轉的檢流計(圖中未示出)進行(或者是其它可驅動反射鏡往返旋轉的裝置)。激光照射到反射鏡上，當反射鏡旋轉時，反射的光束就發(fā)生在垂直于旋轉軸的方向來回運動，反射光的出射方向可以精確控制。為了將光束掃描到二維平面的任意一個位置，一般將兩個振鏡相互垂直放置，分別進行兩個方向的掃描，以完成薄型材料的平面掃描過程。機械過斬光盤2調制成為脈沖的激光束通過振鏡系統(tǒng)3反射，再經(jīng)平場透鏡4聚焦到運動的薄型材料表面合適位置就可以完成打孔，控制系統(tǒng)8可通過控制驅動各個振鏡的檢流計來實現(xiàn)控制各個振鏡轉速及旋轉角度的目的。工作過程本實施例中薄型材料11寬度100mm，需要按照圖7所示規(guī)則打孔，孔間距5mm，每排20個孔，邊距2. 5mm，選擇的振鏡系統(tǒng)3和平場透鏡4的掃描區(qū)域大于100mm。開啟激光器1，激光功率穩(wěn)定后，開啟薄型材料運動系統(tǒng)7，薄型材料11以勻速運動，機械斬光盤2啟動旋轉，機械斬光盤2的旋轉速度根據(jù)薄型材料運動速度而設定，薄型材料11運動速度由速度傳感器6采集后送入控制系統(tǒng)8，由控制系統(tǒng)8對信息進行比較判后，再輸出控制信號控制機械斬光盤2的電機的控制器，以使機械斬光盤2按照設計轉速旋轉，確保薄型材料在向前運動5_時,激光光束剛好能完成一排的打孔；同時根據(jù)機械斬光盤2上的角度傳感器5及速度傳感器6傳來的信號,控制系統(tǒng)8輸出控制信號給振鏡系統(tǒng)3,當機械斬光盤2運動到遮擋光的位置時，振鏡系統(tǒng)3其中一個振鏡302橫向(垂直于薄型材料11長度運動方向)運動到指向薄型材料11上最前面的第一個打孔位置，振鏡系統(tǒng)3的另一鏡振301縱向的運動則根據(jù)速度傳感器6監(jiān)測到的薄型材料運動速度在薄型材料11縱向(沿薄型材料長度運動方向)與薄型材料11同步運動，當斬光盤運行到緊跟這個遮光區(qū)域的透射光區(qū)域時，激光脈沖通過平場透鏡4聚焦在第一個孔上完成對這個點的打孔；斬光盤2繼續(xù)運行到下一個遮擋光的區(qū)域時，振鏡系統(tǒng)3再橫向向后運動5mm指向薄型材料11上第二個打孔位置，以此類推，繼續(xù)持續(xù)完成對第一排的打孔。當系統(tǒng)完成對第一排最后一個(第20個)的打孔后，薄型材料運動了一個行間距(5mm)，此時振鏡系統(tǒng)3在縱向也已經(jīng)運動了一個行間距離(5mm)，為了從新開始下一排的打孔，振鏡系統(tǒng)3在完成第一排的最后一個打孔后，應該在縱向逆向薄型材料打孔方向運動一個行間距離(5mm)，這時振鏡系統(tǒng)3的橫向(振鏡302)不運動，這樣實際上在從如到后完成弟一排的最后Iv打孔后，振鏡系統(tǒng)3再從后向前完成第二排打孔，這樣做的優(yōu)點是每一次振鏡的運動都只走一個比較短的距離。從后向前完成第二排打孔后，振鏡系統(tǒng)3回到前面第一個孔位，振鏡系統(tǒng)3在逆向薄型材料縱向運動一個行距，繼續(xù)完成第三排的打孔，第三排打孔仍然與第一排一樣是從前向后完成，以此類推，打孔過程連續(xù)持續(xù)下去就可以完成整個薄型材料的打孔。圖8表示了振鏡系統(tǒng)3控制的聚焦光斑的實際運動軌跡，薄型材料運動方式為從左到右，光斑按A — B — C — D — A的階梯狀路徑運動，其中振鏡的縱向運動在每一個行距跳躍之間的運動是勻速運動，運動速度根據(jù)編碼器6提供的信號與薄型材料運動保持一致。而橫向運動的時機則根據(jù)編碼器5提供的信號在遮擋光的區(qū)域進行。本實施例中，薄型材料11運行速度6m/min，每秒鐘需要打孔400個，采用50%占空t匕，振鏡系統(tǒng)3從一個打孔點運動到另一個打孔點的時間不能大于1. 25ms,目前的典型振鏡產品完全可以完成這個運動速度；打孔的持續(xù)時間也不大于1. 25ms，選擇100瓦的玻璃管CO2激光器1，實驗證明完全可以完成薄型材料的打孔。機械斬光盤2并無特別的要求，本實例中可以采用一個20齒(20個通光孔9)的機械斬光盤2,機械斬光盤2的旋轉速度為1200rpm時完成6m/min速度的打孔?？梢灾苯舆x用伺服電機。實施例2 與實施例1不同的是所述機械斬光盤2的激光入射面(或其入射面的外緣部)為高反射面，所述激光傳輸光路上布置有 兩套振鏡系統(tǒng)和平場透鏡，其中一套用于控制通過機械斬光盤通光孔的激光光束(透射光束A),另一套用于控制經(jīng)機械斬光盤高反射面反射出的激光光束(反射光束B)，即除激光通過通光孔9形成的透射光束A外，當激光束被機械斬光盤2遮擋時，還有從機械斬光盤2反射的激光形成的另一路脈沖激光即反射光束B，如圖2所示，兩束脈沖激光的占空比互補，S卩如果一束激光的占空比為Y，另一束激光的占空比為1- Y。采用圖2的方式分光成兩路脈沖，這兩路脈沖可以分別通過兩個振鏡進行打孔。采用圖9的布置方式，將兩個振鏡系統(tǒng)3左右布置，配合平場透鏡4，可以完成對100_寬，速度12m/min的薄型材料11打孔。實施例3 與實施例2不同的是采用圖10的布置方式，將兩個振鏡系統(tǒng)3沿薄型材料I前后布置，配合平場透鏡4,可以共同完成200mm寬,速度6m/min的薄型材料11打孔。布置極為靈活，適用于多種規(guī)格的薄型材料11打孔，極大的提高了工作效率。
權利要求1.一種薄型材料的激光打孔裝置，包括激光器及控制系統(tǒng)，其特征在于，所述激光器為連續(xù)CO2激光器，所述連續(xù)CO2激光器至薄型材料表面的激光傳輸光路上依次布置有開有通光孔的機械斬光盤、振鏡系統(tǒng)和平場透鏡。
2.如權利要求1所述的薄型材料的激光打孔裝置，其特征在于，所述機械斬光盤上裝有角度傳感器，所述控制系統(tǒng)的輸入端與角度傳感器和薄型材料運動速度傳感器相連，輸出端與振鏡系統(tǒng)及控制機械斬光盤轉動的電機的控制器相連。
3.如權利要求2所述的薄型材料的激光打孔裝置，其特征在于，所述角度傳感器為與機械斬光盤同軸安裝的編碼器。
4.如權利要求1或2或3所述的薄型材料的激光打孔裝置，其特征在于，所述振鏡系統(tǒng)包括兩個振鏡，所述兩個振鏡的旋轉軸相互垂直放置。
5.如權利要求4所述的薄型材料的激光打孔裝置，其特征在于，所述機械斬光盤的激光入射面為散射面或吸收面或高反射面。
6.如權利要求5所述的薄型材料的激光打孔裝置，其特征在于，所述機械斬光盤的激光入射面為高反射面，所述激光傳輸光路上布置有兩套振鏡系統(tǒng)和平場透鏡，其中一套用于控制通過機械斬光盤通光孔的激光光束，另一套用于控制經(jīng)機械斬光盤高反射面反射出的激光光束。
專利摘要本實用新型公開了一種薄型材料激光打孔裝置，解決了現(xiàn)有薄型材料激光打孔裝置設備昂貴的問題。技術方案包括激光器及控制系統(tǒng)，所述激光器為連續(xù)CO2激光器，所述連續(xù)CO2激光器至薄型表面的激光傳輸光路上依次布置有開有通光孔的機械斬光盤、振鏡系統(tǒng)和平場透鏡。本實用新型以連續(xù)CO2激光器取代現(xiàn)有的射頻激勵CO2激光器，激光能量充分利用、加工效率很高、技術容易實現(xiàn)、激光功率沒有限制的同時，還具有打孔速度快、成本低、孔徑形式和分布可控、無接觸、薄型材料損耗少等優(yōu)點。
文檔編號B23K26/04GK202877728SQ20122046698
公開日2013年4月17日 申請日期2012年9月14日 優(yōu)先權日2012年9月14日
發(fā)明者陳培鋒, 劉著新, 夏兵兵 申請人:武漢市凱瑞迪激光技術有限公司