非金屬薄型材料雷射制孔的方法和設備的製作方法
2023-09-20 13:50:00
專利名稱：非金屬薄型材料雷射制孔的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於雷射加工技術，具體涉及一種非金屬薄型材料雷射制孔的方法和設備。它使用可由振鏡掃描系統控制偏轉的CO2雷射束，在連續運動的寬幅面或窄幅面非金屬薄型材料上通過局部汽化形成通孔。通孔均勻分布或排列成花樣，孔徑、疏密可調。
目前雷射在材料制孔中應用較多的是脈衝打孔裝置，如專利CN 1327897A描述了一種薄形材料的高速打孔裝置，基本思路是將雷射器發出的雷射束通過一套可調整的並行排列的聚焦光學系統照射到有獨立單捲走紙機構的薄型材料上實施打孔。因其沿被打孔材料運動方向每一列孔都對應一套固定的聚焦光學系統，當增加孔的列數時，必須增加相同數目的聚焦光學系統，使得設備結構繁雜，特別不適於多列孔、寬幅面打孔要求。即使用於窄幅面打孔，由於其每一套聚焦光學系統一旦固定，位置不易調整，即列間距不易調整。且其每一光束位置固定，不能作圓周形運動，即不能實現大直徑孔的切割及孔徑的大範圍可調。
雷射用於材料打孔時，主要有靜止打孔和動態打孔兩種打孔形式，靜止和動態以被打孔對象在打孔時處於靜止或移動狀態加以區分。對於金屬和厚材料的打孔，需要的雷射作用時間長，一般採用靜止打孔；對於非金屬薄型材料則多採用動態打孔。在動態打孔時，孔的定位成為打孔質量的關鍵因素。在以往的報導中，對於材料的定位一般是採用步進電機控制走料長度，或在被打孔材料上做標記，靠檢測標記位置進行定位，對於非步進電機生產線或難以做位置標記的加工材料，上述方法是不可行的。
另外，目前所報導的雷射打孔設備一般用於對水松紙、塑料包裝紙等較薄、可彎曲、無粘連材料的制孔。對於較厚的薄型材料，如布、纖維織物；不可彎曲的薄型材料，如有機塑料薄板；有粘性的薄型材料，如醫用膠布，膏藥貼片等材料，還沒有很好的打孔方法和設備。
為實現上述發明目的，一種非金屬薄型材料雷射制孔的方法，其步驟為(1)根據制孔要求，選擇打孔或切孔的制孔方式；並通過設置控制裝置的程序參數，由控制裝置控制雷射功率，並通過控制光束偏轉系統的運動軌跡來調整孔的大小、疏密和圖樣；(2)在線檢測被加工材料的運動速度並傳遞給控制裝置；(3)當運動速度大於設定的啟動速度時，利用雷射進行制孔，在切孔過程中，不斷獲取材料的運動速度，並實時計算位移補償量，採用光束偏轉系統根據補償信號實時作出補償校正；當材料運動速度低於終止速度時，終止切孔，並等待速度，直至任務完成。
實現上述方法的設備，包括雷射器、光束偏轉系統和走料裝置，光束偏轉系統與雷射器位於同一光路上，共同構成制孔裝置；控制裝置與光束偏轉系統相連，該設備設有與控制裝置相聯的速度傳感器。
上述設備可包括二套或二套以上的制孔裝置，各制孔裝置分別置於小支撐橋上，並通過支撐橋置於支架上，使雷射作用區在被加工材料上成均勻分布。
上述設備還可以在雷射作用區外圍設有吸塵裝置，並通過風機與過濾裝置相連。
本發明具有以下優點(1)可通過調整控制程序，選擇打孔或切孔的制孔方式，並通過設置控制程序參數，控制雷射器功率、孔的大小、疏密和圖樣。在採用切孔工作方式時，可實現孔徑大範圍可調。
(2)在一定速度範圍內，可保證制孔圖樣不隨生產線速度的變化發生改變。即不論對於勻速生產線，或變速生產線，由於有控制計算機對振鏡掃描系統的自動實時補償校正，孔的間距、大小和圖樣始終保持一致。
(3)通過設置在制孔區域附近的精密位移傳感器獲取位移信號，提供給計算機來動態確定製孔位置，此定位方法不僅設備簡單，適用於多種材料，而且不需要在被制孔材料上加任何定位標記，在生產過程中不對被制孔材料造成浪費。
(4)現有設備對於較厚的薄型材料，如布或有機塑料薄板，雷射需要較長時間作用才能穿透材料，材料的運動會使孔形拉長。本專利所述方法和設備，利用速度傳感器的位移信號使雷射束跟隨材料同步運動，打孔作用點相對材料靜止，直至穿孔，不出現孔的拉長現象。
採用本發明的改進方案，雷射器加光束偏轉系統的並行制孔系統，可以方便地通過增加並行制孔系統數，擴大制孔幅面。並且並行的每個制孔系統布局靈活。在各制孔系統的工作區域均勻分布於被制孔材料上的前提下，各制孔系統可相向放置、同向放置和垂直放置等，用軟體控制來統一各制孔系統的動作，使輸出花圖樣一致。可以靈活適應不同廠房和原有設備布置。
動態制孔時，由於材料的連續運動，造成制孔位置的動態改變，為保證制孔圖樣在材料不同運動速度時保持一致，採用在線檢測材料的位移和運動速度方法。根據檢測到的材料位移，實時計算位移補償量，動態地對實施制孔的光束偏轉系統作出補償校正；並根據檢測到的材料運動速度，控制制孔裝置自動啟動和終止，並提供生產記錄；根據寬、窄幅面的不同要求，通過增減並行制孔裝置數目來適應幅面要求。
本發明設有一個測定材料位移和運動速度的精密測速元件，即速度傳感器，其產生的位移信號輸入控制計算機，控制計算機實時計算位移補償量，動態地對實施制孔的光束偏轉系統作出補償校正。測速元件一般安裝在制孔區域附近，其通過連接盤與用於託起和帶動被制孔材料運動的滾筒相切或直接與被制孔材料接觸，獲取被制孔材料位移和線速度；採用光束偏轉系統，其受控於控制計算機。光束偏轉系統作為執行機構，按控制計算機要求控制雷射束的偏轉，保證制孔圖樣與控制要求一致。
採用低功率射頻CO2雷射器，其無須外部供氣，運行穩定，壽命長，能由雷射功率控制器實時調整雷射功率，並可由控制計算機方便控制其開關和功率值。
為了正確給出動態補償量，調整孔大小、疏密和圖樣，本發明還涉及配套的軟體控制系統。軟體控制系統按預先設定的參數，計算出孔坐標、孔軌跡和雷射強度。用孔坐標和孔軌跡控制光束偏轉系統進行制孔，並通過控制雷射功率控制器調節雷射功率。
此外，本發明還設有一些裝置，藉助於它們保證設備的穩定運行。採用帶製冷壓縮機的水冷裝置，為雷射器提供冷卻循環水，當水溫超過正常溫度時，溫度開關控制壓縮機製冷。
為了避免或減少材料汽化形成的煙塵對材料和雷射器鏡頭的汙染，在本發明的另一項設計中，在制孔區域外圍設有上下兩組吸塵管道，用於除去在材料局部汽化時形成的煙塵，並採用垂直通風道設計，提高煙塵排放量。設備在切孔方式工作時，下煙道應設置在切孔工作區域下方，緊貼被切孔材料，用於收集材料切孔時落下的廢料。此時下煙道與抽風管連接口應設有過濾網，煙道底部應加設廢料收集槽。
在附圖中，給出了本發明的兩種實際實施例一種採用單制孔系統(附
圖1)，有效制孔寬度為100mm，用於窄幅面材料制孔；另一種採用8個制孔系統並行連接(附圖2)，有效制孔寬度為800mm，用於寬幅材料制孔。
圖1示意本發明的設備對生產線上運動著的被制孔材料1連續制孔。在此圖中材料1從圖中沒有詳細表示的送料設備中送出，沿V方向運行，並輸入到轉動滾筒組8中。
材料1的速度由設置在轉動滾筒組8上的速度傳感器7採集，本例選用光電轉盤式速度傳感器。其直接檢測材料運動的位移和線速度。當光電轉盤式速度傳感器周脈衝為1000，連接盤直徑為40mm時，其位移解析度為0.125mm。
雷射器2產生雷射束4用於材料1的切割，雷射束4的強度由外部雷射功率控制器控制，可手動調整，也可由控制計算機6自動調整。帶製冷壓縮機的水冷裝置12，通過導管13，為雷射器提供循環冷卻水。
為改善光束質量，加入光學擴束鏡3，雷射束經過擴束，進入光束偏轉系統5。光束偏轉系統5由控制計算機控制，實現雷射束的偏轉。
此外，沿材料1制孔區域的外圍，設置吸塵裝置9，藉助於風機10抽除由於局部汽化形成的煙塵，並導入過濾裝置11。如圖所示，吸塵裝置分為上下兩組，分別抽除在材料1上下兩面形成的煙塵。吸塵裝置位置固定，同時起到限制材料抖動，保證制孔焦距的作用。
圖2、3和圖1表示了按本發明具有不同並行制孔系統(由雷射器2、光學擴束鏡3、光束偏轉系統5構成)數目的兩種不同實施方式。第一種情況下設有八組並行制孔系統，用於寬幅面制孔(如圖2)；第二種情況下只設有一組制孔系統，用於窄幅面制孔(如圖1)。兩種方式都僅由一套控制計算機實施控制。
圖2中多向吸塵導通管15通過軟管和垂直管道(圖中未標出)與風機相連。兩套支撐橋16放置在設備支架18上的左右兩邊，用以託起分兩組相對放置的八臺雷射器，通過旋轉螺杆調整支撐橋16位置來調整每組四臺雷射器的位置。每臺雷射器都由小支撐板17託起，調整小支撐板17的旋轉螺杆來調整單臺雷射器位置，使得前後兩組雷射器交叉相對排列(如圖2所示)，且八臺雷射器的工作區域在被制孔材料上分布均勻。
下面結合具體實施例二詳細說明本發明設備的工作步驟首先系統通過速度傳感器7獲取材料線速度，並通過接口卡傳遞給控制計算機6。當速度大於控制軟體中設定的啟動速度時，制孔系統自動執行，並根據要求選擇打孔或切孔方式；在制孔過程中，控制計算機按照預先設定的參數控制光束偏轉系統和雷射器進行制孔，並不斷獲取材料位移，實時計算補償量，用補償信號對光束偏轉系統作出補償校正，在材料上制出符合要求的孔圖案；當材料線速度低於終止速度時，制孔系統自動終止，並等待速度。
並行光束偏轉系統5是制孔系統的執行機構，具體可選用振鏡掃描系統。雷射束4從雷射器2發出，經過光學擴束鏡3，進入光束偏轉系統5，光束依照振鏡的方向偏轉，並由聚焦鏡聚焦輸出。
將實施例二用於膏藥材料(膏狀藥物與布或人造纖維織物組合的兩層複合材料)上的透氣孔製備，可實現膏藥材料上的密集小孔排列。通過選擇合適設備，在50mm×80mm的標準膏藥貼片上可製備140個左右透氣孔，孔直徑0.3mm左右，孔行列間隔小於5mm，膏藥損失量約為0.25％；相比以往技術的大透氣孔(直徑大於2mm，行列間距大於10mm，透氣孔數約30個，膏藥損失量約為2.4％)，既大大減少了膏藥的藥量損失，又可保證並改善透氣度(透氣點增加了3～4倍)，使得透氣更加均勻。
權利要求
1.一種非金屬薄型材料雷射制孔的方法，其步驟為(1)根據制孔要求，選擇打孔或切孔的制孔方式，並通過設置控制裝置的程序參數，由控制裝置控制雷射功率，通過控制光束偏轉系統的運動軌跡來調整孔的大小、疏密和圖樣；(2)在線檢測被加工材料的運動速度並傳遞給控制裝置；(3)當運動速度大於設定的啟動速度時，利用雷射進行制孔，在切孔過程中，不斷獲取材料的運動速度，並實時計算位移補償量，採用光束偏轉系統根據補償信號實時作出補償校正；當材料運動速度低於終止速度時，終止切孔，並等待速度，直至任務完成。
2.一種實現權利要求1所述方法的設備，包括雷射器和走料裝置，其特徵在於還包括與雷射器(2)位於同一光路上的光束偏轉系統(5)，二者共同構成制孔裝置；控制裝置(6)與光束偏轉系統(5)相連，該設備還設有與控制裝置(6)相聯的速度傳感器(7)。
3.根據權利要求2所述的設備，其特徵在於該設備二套或二套以上的制孔裝置，各制孔裝置分別置於小支撐橋(17)上，並通過支撐橋(16)置於支架(18)上，使雷射作用區在被加工材料上成均勻分布。
4.根據權利要求2或3所述的設備，其特徵在於在雷射作用區外圍設有吸塵裝置(11)，並通過風機(10)與過濾裝置(9)相連。
5.根據權利要求2或3所述的設備，其特徵在於光束偏轉系統(5)為振鏡掃描系統。
6.根據權利要求4所述的設備，其特徵在於光束偏轉系統(5)為振鏡掃描系統。
全文摘要
一種非金屬薄型材料雷射制孔的方法，根據制孔要求，選擇制孔方式；通過設置控制裝置的程序參數，控制雷射功率，並通過光束偏轉系統的運動軌跡來調整孔的大小、疏密和圖樣；在線檢測被加工材料的運動速度並傳遞給控制裝置；當運動速度大於設定的啟動速度時，利用雷射進行制孔，切孔過程中，不斷獲取材料的運動速度，實時計算補償量，光束偏轉系統根據補償信號實時作出補償校正；當材料運動速度低於終止速度時，終止切孔，等待速度。其設備包括雷射器和走料裝置，光束偏轉系統與雷射器位於同一光路上，共同構成制孔裝置；控制裝置與光束偏轉系統相連，該設備還設有與控制裝置相連的速度傳感器。本發明可在生產線上實現多幅面、多類型薄型材料的雷射制孔。
文檔編號B23K26/08GK1411943SQ0213912
公開日2003年4月23日 申請日期2002年9月30日 優先權日2002年9月30日
發明者汪盛烈, 陳世全, 楊海, 楊義厚, 王曉東, 閔志浩, 何雲貴, 樂仁漢, 趙學明, 張忠國, 李敦明 申請人:華中科技大學, 河南羚銳製藥股份有限公司