捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置的製作方法

2023-05-03 18:41:51 4

專利名稱：捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射打孔技術領域，特別是涉及一種捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置。
背景技術：
吸菸有害健康是公認的事實，降低焦油含量對改善吸菸群體的身體健康具有重要 意義。各國的捲菸製造商相繼投入了大量的人力、物力和巨額資金，對降低捲菸焦油含量的 理論方法、技術以及實踐應用等方面進行了廣泛而深入的研究，並發展了多種降焦技術。捲菸接裝紙作為捲菸過濾嘴專用外包裝用紙，因其外觀類似松木紋而曾得名水松 紙。濾嘴通風稀釋技術的原理是通過在水松紙上打孔、使用高透氣度濾棒成型紙或在濾棒 上製成凹槽等方式，從而在抽吸捲菸時使外部空氣進入濾嘴內並對主流煙氣進行稀釋，使 吸入人體的焦油量相對減少。該項技術已成為國際上採用最廣泛和最有效的降焦技術。目 前美國捲菸市場上有90%左右的捲菸和西歐市場上80%左右的捲菸都採用了通風濾嘴， 另外在亞洲的日本等國，通風濾嘴捲菸也佔有相當大的比例。採用通風濾嘴這一簡單、成熟 且非常可靠的降焦技術，其降焦效果也十分明顯，如美國Carlton牌捲菸採用通風濾嘴後 可降低捲菸焦油量70%以上，降低CO高達80%以上，且通過強化加香、加料措施，也使該卷 煙的吸味品質保持了較高水平。目前我國過濾嘴香菸的比例已達95 %。隨著人類對於吸菸者健康保護要求的日益 提高，能有效降低焦油含量、且減少尼古丁對人們健康傷害的水松紙打孔工藝得到迅速普 及。目前開發和利用的水松紙打孔技術主要包括機械打孔、電火花打孔、雷射打孔等 技術，其中雷射打孔由於具有穩定性高和準確性高的特點，成為國際上廣泛採用的方式。雷射打孔是利用雷射輻射的高功率密度特點，將其聚焦加熱水松紙，使水松紙局 部達到汽化溫度，汽化成孔。目前已經推出的水松紙雷射打孔機產品，以德國和中國華中科技大學開發的系列 水松紙雷射打孔機為主要代表。但其均為直線型打孔機，即每一路雷射只能固定打一排孔， 每排孔均為直線。玉溪金燦科技有限公司曾提出了多種由微孔構成圖形的水松紙，例如中 國專利「帶有由微孔構成圖形的捲菸用水松紙」(專利號ZL200410036764. 2)與中國專利 「一種帶有由微孔構成圓弧形圖形的水松紙」(專利號ZL200420050165. 1)，但上述專利中 均未提供具體的水松紙表面微孔圖形打孔的實現方法。
發明內容本發明目的是提供一種捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，該裝置能夠在水松紙 上進行高速透氣微孔圖形或字符雷射打孔，並且結構簡單、工作穩定、加工效率高。本發明的技術方案是一種捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，該裝置包括雷射器 陣列、光路變換系統、控制系統、水松紙在線速度檢測系統、雷射器電源陣列、雷射器陣列冷卻系統以及驅動水松紙連續運動的走紙機構，其中所述雷射器陣列由並行排列的K個脈衝 雷射器組成，所述雷射器電源陣列由與控制系統電連接的K個雷射器電源組成，K = 2 10，每個雷射器電源對應連接控制所述雷射器陣列中的一個脈衝雷射器；所述走紙機構與 控制系統電連接，用於裝夾待加工的水松紙，並驅動水松紙連續運動，所述水松紙在線速度 檢測系統安裝在走紙機構上並與控制系統電連接，用於實時檢測水松紙的運動速度，並將 測得的速度信號反饋到控制系統上；所述光路變換系統設於雷射器陣列前部，用於將雷射 器陣列輸出的K路脈衝雷射束耦合傳輸並聚焦於連續運動的水松紙的表面，形成沿水松紙 寬度方向呈直線形或斜線形密集排列的K路打孔脈衝雷射；所述雷射器陣列冷卻系統與控 制系統電連接，用於冷卻雷射器陣列中的各脈衝雷射器。本發明裝置中所述控制系統進一步由主處理器、中斷處理輸出模塊和打孔圖形字 符數據存儲模塊組成，所述水松紙在線速度檢測系統與主處理器電連接並向主處理器發送 水松紙的運動速度信號，主處理器根據該速度信號並結合打孔圖形字符數據存儲模塊中的 圖形或字符信息，通過中斷處理輸出模塊對所述雷射器陣列中各脈衝雷射器的出光時序、 脈衝頻率以及脈衝間隔進行控制，在水松紙上打出所需的圖形或字符排列分布的小孔，同 時，所述主處理器與雷射器陣列冷卻系統相連，並對其進行監控，以保證所述雷射器陣列中 各脈衝雷射器的正常工作。本發明裝置中所述光路變換系統具體可由光路傳輸耦合系統與單透鏡聚焦系統 的組合。本發明裝置中所述光路變換系統也可以是光學耦合聚焦單元陣列，其由與脈衝激 光器一一對應的K個光學耦合聚焦單元組成，並且每個光學耦合聚焦單元採用透射方式完 成聚焦，具體是它包括一個用於將脈衝雷射器輸出的脈衝雷射束進行90°導向的45°反 射鏡和一個用於將反射光線會聚輸出的聚焦透鏡。當然本發明裝置中每個光學耦合聚焦單 元也可以通過反射方式完成聚焦，具體是它包括兩個對稱布置並用於將脈衝雷射器輸出的 脈衝雷射束實施兩次90°導向的45°反射鏡和一個用於將反射光線會聚輸出的反射聚焦
^Mi ο本發明裝置中所述走紙機構同常規技術一樣包括收卷輥與放卷輥，水松紙裝夾在 收卷輥和放卷輥上，並由收卷輥旋轉帶動作連續的直線運動，所述水松紙在線速度檢測系 統具體是一個高精度編碼器，其安裝在收卷輥的轉軸上，或者也可以是任何與收卷輥等轉 速旋轉的轉軸上，用於對水松紙的運動速度作實施檢測。採用本發明裝置實施捲菸接裝紙並行式雷射打孔方法，其原理如下將K路並行 排列的脈衝雷射器組成的雷射器陣列輸出的K路脈衝雷射束，經光路變換系統耦合傳輸 後，聚焦於連續運動的水松紙的表面，形成沿水松紙寬度方向呈直線形或斜線形密集排列 的K路打孔脈衝雷射；藉由水松紙在線速度檢測系統對水松紙的運動速度進行實時檢測， 並將其速度信息反饋到控制系統，再通過控制系統發出控制信號對所述雷射器陣列中各脈 衝激光器的出光時序、脈衝頻率以及脈衝間隔時間進行控制，配合水松紙的連續運動，在水 松紙表面打出圖形或字符排列分布的小孔，其中K = 2 10。上述方法的具體實施步驟如下A.由走紙機構的收卷輥和放卷輥裝夾水松紙；B.啟動走紙機構，使收卷輥按設定的轉速旋轉，並帶動水松紙連續運動；[0018]C.由K路並行排列的脈衝雷射器組成的雷射器陣列輸出的K路脈衝雷射束，經光 路變換系統耦合傳輸後，聚焦於連續運動的水松紙的表面，形成沿水松紙寬度方向呈直線 形或斜線形密集排列的K路打孔脈衝雷射，其中K = 2 10 ；D.通過水松紙在線速度檢測系統對水松紙的運動速度進行實時檢測，並將其速度 信息反饋到控制系統；E.根據水松紙的運動速度信息，在控制系統對所述雷射器陣列中各脈衝雷射器的 出光時序、脈衝頻率以及脈衝間隔的集中控制下，配合水松紙的連續運動，在水松紙上打出 所需的圖形或字符排列分布的小孔。本發明的優點是(1)採用多路脈衝雷射並行式打孔，裝置造價低，且結構簡單、技術容易實現，並可 以根據實際使用情況方便地更換其中任意一臺雷射器，維護成本低。(2)通過控制系統與水松紙在線速度檢測系統的相互協調，可以在水松紙上進行 高速透氣微孔圖形或字符雷射打孔，打孔速度可達到與直線型打孔一樣的速度。(3)通過本發明裝置在水松紙上打出的透氣微孔圖形或字符分布，區別於現有的 直線形排列，具有外型美觀多變及防偽等功能，且可通過調整變化的透氣微孔分布來提供 濾嘴通風的不同氣流分布形式，從而產生更加可控的降焦效果。(4)本發明裝置的光學變換系統結構簡單，無需採用振鏡等光學元件，且為固定光 路，因此工作穩定。總之，本發明可以在水松紙上進行高速圖形或字符打孔，打孔速度快，加工效率 高，產品質量好，並且結構簡單、使用壽命長、工作穩定。
以下結合附圖及實施例對本發明作進一步描述


圖1為本發明所提供的捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置各部分連接關係示意圖；圖2為
圖1中所述控制系統的控制流程示意圖；圖3為
圖1中所述光路變換系統採用光路傳輸耦合系統與單透鏡聚焦系統相結合 的結構示意圖；圖4為
圖1中所述光路變換系統採用光學耦合聚焦單元陣列的結構示意圖；圖5為圖4中所述光學耦合聚焦單元採用透射方式聚焦的示意圖；圖6為圖4中所述光學耦合聚焦單元採用反射方式聚焦的示意圖；圖7為本發明所述並行式雷射打孔點陣信息原理圖。
具體實施方式
實施例1 結合
圖1、圖2和圖3所示為本發明捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置的 一種具體實施例，其由雷射器陣列1、光路變換系統2、控制系統3、水松紙在線速度檢測系 統4、雷射器電源陣列5、雷射器陣列冷卻系統6以及驅動水松紙連續運動的走紙機構7，其 中所述雷射器陣列1由並行排列的K = 7個脈衝雷射器101、102、103、104、105、106、107組 成，各脈衝雷射器可採用射頻激勵的氣體CO2雷射器，其輸出功率約為50 2000瓦，雷射輸 出波長為10. 6 μ m，脈衝重複頻率可達10000Hz ；所述雷射器電源陣列5由與控制系統3電
5連接的K = 7個雷射器電源組成，每個雷射器電源對應連接控制所述雷射器陣列1中的一 個脈衝雷射器；所述各雷射器電源的有效通斷和時間延遲受控制系統3的集中控制，從而 控制雷射器陣列1中相應的脈衝雷射器出光，在水松紙10上進行並行式雷射打孔；所述走 紙機構7與控制系統3電連接，用於裝夾待加工的水松紙10，並驅動水松紙10連續運動，所 述水松紙在線速度檢測系統4安裝在走紙機構7上並與控制系統3電連接，用於實時檢測 水松紙10的運動速度，並將測得的速度信號反饋到控制系統3上；所述光路變換系統2設 於雷射器陣列1前部，用於將雷射器陣列1輸出的K路脈衝雷射束耦合傳輸並聚焦於連續 運動的水松紙10的表面，形成沿水松紙10寬度方向呈直線形或斜線形密集排列的K路打 孔脈衝雷射；所述雷射器陣列冷卻系統6與控制系統3電連接，用於冷卻雷射器陣列1中的 各脈衝雷射器。所述控制系統3由主處理器301、中斷處理輸出模塊302和打孔圖形字符數據存儲 模塊303組成，所述水松紙在線速度檢測系統4與主處理器301電連接並向主處理器301 發送水松紙10的運動速度信號，主處理器301根據該速度信號並結合打孔圖形字符數據存 儲模塊303中的圖形或字符信息，通過中斷處理輸出模塊302對所述雷射器陣列1中各脈 衝激光器的出光時序、脈衝頻率以及脈衝間隔進行控制，在水松紙10上打出所需的圖形或 字符排列分布的小孔；同時，所述主處理器301與雷射器陣列冷卻系統6相連，並對其進行 監控，以保證所述雷射器陣列1中各脈衝雷射器的正常工作。所述水松紙在線速度檢測系統4是整個裝置中較為重要的一個環節。為了在運動 的水松紙10上準確地打出所需圖形或字符排列分布的小孔，相應打孔脈衝雷射器的輸出 脈衝頻率必須與水松紙10的運動速度相配合，因此在打孔過程中需要對水松紙10的運動 速度進行實時檢測。本實施例中所述走紙機構同常規技術一樣包括收卷輥701與放卷輥 702，所述水松紙在線速度檢測系統4是一個高精度編碼器，其安裝在收卷輥701的轉軸上， 工作時隨轉軸同步運動。本實施例中所述光路變換系統2採用光路傳輸耦合系統8與單透鏡聚焦系統9相 結合的結構，其結構如圖3所示。由K(K = 2 10)路並行排列的脈衝雷射器組成的雷射 器陣列1輸出的K路沿水平方向傳輸的脈衝雷射束，經光路傳輸耦合系統8變換後，光路改 變90°並耦合進入單透鏡聚焦系統9 ；耦合後的K路脈衝雷射束經單透鏡聚焦系統9聚焦 於連續運動的水松紙10的表面，形成沿水松紙10寬度方向呈直線形密集排列的K路打孔 脈衝雷射，在運動的水松紙10表面打出K排圖形或字符分布的微孔點陣排列。採用上述實施例裝置進行捲菸接裝紙並行式雷射打孔的方法具體分成下述幾個 步驟Α.由走紙機構7的收卷輥701和放卷輥702裝夾水松紙10 ；B.啟動走紙機構7，使收卷輥701按設定的轉速旋轉，並帶動水松紙10連續運動；C.由K路並行排列的脈衝雷射器組成的雷射器陣列1輸出的K路脈衝雷射束，經 光路變換系統2耦合傳輸後，聚焦於連續運動的水松紙10的表面，形成沿水松紙10寬度方 向呈直線形或斜線形密集排列的K路打孔脈衝雷射，其中K = 7 ；D.通過水松紙在線速度檢測系統4對水松紙10的運動速度進行實時檢測，並將其 速度信息反饋到控制系統3 ；Ε.根據水松紙10的運動速度信息，在控制系統3對所述雷射器陣列1中各脈衝激
6光器101、102、103、104、105、106、107的出光時序、脈衝頻率以及脈衝間隔的集中控制下， 配合水松紙10的連續運動，在水松紙10上打出所需的圖形或字符排列分布的小孔。所述並行式雷射打孔點陣信息原理如圖7所示圖中黑格代表雷射器需要打孔的 點，白格代表不需要打孔的點。所述雷射器陣列1輸出的K路脈衝雷射束，經光路變換系統 2耦合傳輸後，聚焦於連續運動的水松紙10的表面，形成沿水松紙10寬度方向呈直線形密 集排列的K路打孔脈衝雷射，對水松紙10進行並行式打孔；同時，水松紙10由收卷輥701 旋轉帶動沿水平方向連續運動；因此通過控制所述雷射器陣列1與水松紙10運動速度的相 互配合，在需要打孔的點打孔、在不需要的點忽略打孔，從而可以在水松紙上打出相應的圖 形或字符分布微孔點陣。所述水松紙10上透氣微孔構成的圖案包括簡單圖形、字符以及簡單的曲線或字 母等；實際中可將所需圖案數據轉化為K行打孔點陣數據信息，並將其預先存入所述打孔 圖形字符數據存儲模塊303。以每毫米一個微孔組成的圖形或字符點陣為例，本實施例的打 孔速度可以達到10m/s (即600m/min)。實施例2 結合圖4、圖5所示，本實施例與實施例1的區別是，所述光路變換系統 2是光學耦合聚焦單元陣列，其由與脈衝雷射器101、102、103、104、105、106、107 —一對應 的K個光學耦合聚焦單元201、202、203、204、205、206、207組成，每個光學耦合聚焦單元均 採用透射方式完成聚焦，所述每個光學耦合聚焦單元的組成是一個用於將脈衝雷射器輸 出的脈衝雷射束進行90°導向的45°反射鏡11和一個用於將反射光線會聚輸出的聚焦透 鏡12。從脈衝雷射器出射的脈衝雷射束經過45°反射鏡11後，光路改變90°，然後經聚焦 透鏡12聚焦後，焦點落在待加工的水松紙10表面。本實施例其餘同實施例1。實施例3 結合圖6所示，本實施例與實施例2的區別是，所述每個光學耦合聚焦 單元通過反射方式完成聚焦，所述每個光學耦合聚焦單元的組成是兩個對稱布置並用於 將脈衝雷射器輸出的脈衝雷射束實施兩次90°導向的45°反射鏡和一個用於將反射光線 會聚輸出的反射聚焦鏡14，且本實施例中該反射聚焦鏡為拋物面反射聚焦鏡。從脈衝雷射 器101出射的脈衝雷射束經過第一 45°反射鏡11後，光路改變90°，然後入射到第二 45° 反射鏡13，光路再改變90°，最後經反射聚焦鏡14聚焦後，焦點落在待加工的水松紙10表 面。本實施例其餘同實施例2。當然如上所述的具體實施方式
並非是對本發明的限制，在本發明創意構思實質範 圍內的添加、改型、替換也屬於本發明的保護範圍。
權利要求一種捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，其特徵在於包括雷射器陣列(1)、光路變換系統(2)、控制系統(3)、水松紙在線速度檢測系統(4)、雷射器電源陣列(5)、雷射器陣列冷卻系統(6)以及驅動水松紙連續運動的走紙機構(7)，其中所述雷射器陣列(1)由並行排列的K個脈衝雷射器(101、102、103、104、105、106、107)組成，所述雷射器電源陣列(5)由與控制系統(3)電連接的K個雷射器電源組成，K＝2～10，每個雷射器電源對應連接控制所述雷射器陣列(1)中的一個脈衝雷射器；所述走紙機構(7)與控制系統電連接，用於裝夾待加工的水松紙(10)，並驅動水松紙(10)連續運動，所述水松紙在線速度檢測系統(4)安裝在走紙機構(7)上並與控制系統(3)電連接，用於實時檢測水松紙(10)的運動速度，並將測得的速度信號反饋到控制系統(3)上；所述光路變換系統(2)設於雷射器陣列(1)前部，用於將雷射器陣列(1)輸出的K路脈衝雷射束耦合傳輸並聚焦於連續運動的水松紙(10)的表面，形成沿水松紙(10)寬度方向呈直線形或斜線形密集排列的K路打孔脈衝雷射；所述雷射器陣列冷卻系統(6)與控制系統(3)電連接，用於冷卻雷射器陣列(1)中的各脈衝雷射器。
2.根據權利要求1所述的捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，其特徵在於所述控制系統 (3)由主處理器(301)、中斷處理輸出模塊(302)和打孔圖形字符數據存儲模塊(303)組 成，所述水松紙在線速度檢測系統(4)與主處理器(301)電連接並向主處理器(301)發送 水松紙(10)的運動速度信號，主處理器(301)根據該速度信號並結合打孔圖形字符數據存 儲模塊(303)中的圖形或字符信息，通過中斷處理輸出模塊(302)對所述雷射器陣列(1) 中各脈衝雷射器的出光時序、脈衝頻率以及脈衝間隔進行控制，在水松紙(10)上打出所需 的圖形或字符排列分布的小孔，同時，所述主處理器(301)與雷射器陣列冷卻系統(6)相 連，並對其進行監控，以保證所述雷射器陣列(1)中各脈衝雷射器的正常工作。
3.根據權利要求1所述的捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，其特徵在於所述光路變換 系統(2)為光路傳輸耦合系統(8)與單透鏡聚焦系統(9)的組合。
4.根據權利要求1所述的捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，其特徵在於所述光路變換 系統(2)是光學耦合聚焦單元陣列，其由與脈衝雷射器(101、102、103、104、105、106、107) 一一對應的K個光學耦合聚焦單元(201、202、203、204、205、206、207)組成，每個光學耦合 聚焦單元包括一個用於將脈衝雷射器輸出的脈衝雷射束進行90°導向的45°反射鏡(11) 和一個用於將反射光線會聚輸出的聚焦透鏡(12)。
5.根據權利要求1所述的捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，其特徵在於所述光路變換 系統(2)為光學耦合聚焦單元陣列，其由與脈衝雷射器(101、102、103、104、105、106、107) 一一對應的K個光學耦合聚焦單元(201、202、203、204、205、206、207)組成，每個光學耦合 聚焦單元包括兩個對稱布置並用於將脈衝雷射器輸出的脈衝雷射束實施兩次90°導向的 45°反射鏡(11、13)和一個用於將反射光線會聚輸出的反射聚焦鏡(14)。
6.根據權利要求1所述的捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，其特徵在於所述走紙機構 (7)包括收卷輥(701)與放卷輥(702)，所述水松紙在線速度檢測系統(4)是一個高精度編 碼器，其安裝在收卷輥(701)的轉軸上，或者任何與收卷輥(701)等轉速旋轉的轉軸上。專利摘要本實用新型公開了一種捲菸接裝紙並行式雷射打孔裝置，該裝置包括雷射器陣列、光路變換系統、控制系統、水松紙在線速度檢測系統、雷射器電源陣列、雷射器陣列冷卻系統以及驅動水松紙連續運動的走紙機構；該裝置能夠在水松紙上進行高速透氣微孔圖形或字符雷射打孔，並且結構簡單、工作穩定、加工效率高。
文檔編號B23K26/04GK201693295SQ201020226658
公開日2011年1月5日 申請日期2010年6月17日 優先權日2010年6月17日
發明者孫長東, 王焄, 羅曦, 陳培鋒 申請人:蘇州市博海雷射科技有限公司