專(zhuān)利名稱：非金屬薄型材料激光制孔的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光加工技術(shù)，具體涉及一種非金屬薄型材料激光制孔的方法和設(shè)備。它使用可由振鏡掃描系統(tǒng)控制偏轉(zhuǎn)的CO2激光束，在連續(xù)運(yùn)動(dòng)的寬幅面或窄幅面非金屬薄型材料上通過(guò)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(diào)。
目前激光在材料制孔中應(yīng)用較多的是脈沖打孔裝置，如專(zhuān)利CN 1327897A描述了一種薄形材料的高速打孔裝置，基本思路是將激光器發(fā)出的激光束通過(guò)一套可調(diào)整的并行排列的聚焦光學(xué)系統(tǒng)照射到有獨(dú)立單卷走紙機(jī)構(gòu)的薄型材料上實(shí)施打孔。因其沿被打孔材料運(yùn)動(dòng)方向每一列孔都對(duì)應(yīng)一套固定的聚焦光學(xué)系統(tǒng)，當(dāng)增加孔的列數(shù)時(shí)，必須增加相同數(shù)目的聚焦光學(xué)系統(tǒng)，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)繁雜，特別不適于多列孔、寬幅面打孔要求。即使用于窄幅面打孔，由于其每一套聚焦光學(xué)系統(tǒng)一旦固定，位置不易調(diào)整，即列間距不易調(diào)整。且其每一光束位置固定，不能作圓周形運(yùn)動(dòng)，即不能實(shí)現(xiàn)大直徑孔的切割及孔徑的大范圍可調(diào)。
激光用于材料打孔時(shí)，主要有靜止打孔和動(dòng)態(tài)打孔兩種打孔形式，靜止和動(dòng)態(tài)以被打孔對(duì)象在打孔時(shí)處于靜止或移動(dòng)狀態(tài)加以區(qū)分。對(duì)于金屬和厚材料的打孔，需要的激光作用時(shí)間長(zhǎng)，一般采用靜止打孔；對(duì)于非金屬薄型材料則多采用動(dòng)態(tài)打孔。在動(dòng)態(tài)打孔時(shí)，孔的定位成為打孔質(zhì)量的關(guān)鍵因素。在以往的報(bào)道中，對(duì)于材料的定位一般是采用步進(jìn)電機(jī)控制走料長(zhǎng)度，或在被打孔材料上做標(biāo)記，靠檢測(cè)標(biāo)記位置進(jìn)行定位，對(duì)于非步進(jìn)電機(jī)生產(chǎn)線或難以做位置標(biāo)記的加工材料，上述方法是不可行的。
另外，目前所報(bào)道的激光打孔設(shè)備一般用于對(duì)水松紙、塑料包裝紙等較薄、可彎曲、無(wú)粘連材料的制孔。對(duì)于較厚的薄型材料，如布、纖維織物；不可彎曲的薄型材料，如有機(jī)塑料薄板；有粘性的薄型材料，如醫(yī)用膠布，膏藥貼片等材料，還沒(méi)有很好的打孔方法和設(shè)備。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，一種非金屬薄型材料激光制孔的方法，其步驟為(1)根據(jù)制孔要求，選擇打孔或切孔的制孔方式；并通過(guò)設(shè)置控制裝置的程序參數(shù)，由控制裝置控制激光功率，并通過(guò)控制光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)調(diào)整孔的大小、疏密和圖樣；(2)在線檢測(cè)被加工材料的運(yùn)動(dòng)速度并傳遞給控制裝置；(3)當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度大于設(shè)定的啟動(dòng)速度時(shí)，利用激光進(jìn)行制孔，在切孔過(guò)程中，不斷獲取材料的運(yùn)動(dòng)速度，并實(shí)時(shí)計(jì)算位移補(bǔ)償量，采用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)根據(jù)補(bǔ)償信號(hào)實(shí)時(shí)作出補(bǔ)償校正；當(dāng)材料運(yùn)動(dòng)速度低于終止速度時(shí)，終止切孔，并等待速度，直至任務(wù)完成。
實(shí)現(xiàn)上述方法的設(shè)備，包括激光器、光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和走料裝置，光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與激光器位于同一光路上，共同構(gòu)成制孔裝置；控制裝置與光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)相連，該設(shè)備設(shè)有與控制裝置相聯(lián)的速度傳感器。
上述設(shè)備可包括二套或二套以上的制孔裝置，各制孔裝置分別置于小支撐橋上，并通過(guò)支撐橋置于支架上，使激光作用區(qū)在被加工材料上成均勻分布。
上述設(shè)備還可以在激光作用區(qū)外圍設(shè)有吸塵裝置，并通過(guò)風(fēng)機(jī)與過(guò)濾裝置相連。
本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)可通過(guò)調(diào)整控制程序，選擇打孔或切孔的制孔方式，并通過(guò)設(shè)置控制程序參數(shù)，控制激光器功率、孔的大小、疏密和圖樣。在采用切孔工作方式時(shí)，可實(shí)現(xiàn)孔徑大范圍可調(diào)。
(2)在一定速度范圍內(nèi)，可保證制孔圖樣不隨生產(chǎn)線速度的變化發(fā)生改變。即不論對(duì)于勻速生產(chǎn)線，或變速生產(chǎn)線，由于有控制計(jì)算機(jī)對(duì)振鏡掃描系統(tǒng)的自動(dòng)實(shí)時(shí)補(bǔ)償校正，孔的間距、大小和圖樣始終保持一致。
(3)通過(guò)設(shè)置在制孔區(qū)域附近的精密位移傳感器獲取位移信號(hào)，提供給計(jì)算機(jī)來(lái)動(dòng)態(tài)確定制孔位置，此定位方法不僅設(shè)備簡(jiǎn)單，適用于多種材料，而且不需要在被制孔材料上加任何定位標(biāo)記，在生產(chǎn)過(guò)程中不對(duì)被制孔材料造成浪費(fèi)。
(4)現(xiàn)有設(shè)備對(duì)于較厚的薄型材料，如布或有機(jī)塑料薄板，激光需要較長(zhǎng)時(shí)間作用才能穿透材料，材料的運(yùn)動(dòng)會(huì)使孔形拉長(zhǎng)。本專(zhuān)利所述方法和設(shè)備，利用速度傳感器的位移信號(hào)使激光束跟隨材料同步運(yùn)動(dòng)，打孔作用點(diǎn)相對(duì)材料靜止，直至穿孔，不出現(xiàn)孔的拉長(zhǎng)現(xiàn)象。
采用本發(fā)明的改進(jìn)方案，激光器加光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的并行制孔系統(tǒng)，可以方便地通過(guò)增加并行制孔系統(tǒng)數(shù)，擴(kuò)大制孔幅面。并且并行的每個(gè)制孔系統(tǒng)布局靈活。在各制孔系統(tǒng)的工作區(qū)域均勻分布于被制孔材料上的前提下，各制孔系統(tǒng)可相向放置、同向放置和垂直放置等，用軟件控制來(lái)統(tǒng)一各制孔系統(tǒng)的動(dòng)作，使輸出花圖樣一致?？梢造`活適應(yīng)不同廠房和原有設(shè)備布置。
動(dòng)態(tài)制孔時(shí)，由于材料的連續(xù)運(yùn)動(dòng)，造成制孔位置的動(dòng)態(tài)改變，為保證制孔圖樣在材料不同運(yùn)動(dòng)速度時(shí)保持一致，采用在線檢測(cè)材料的位移和運(yùn)動(dòng)速度方法。根據(jù)檢測(cè)到的材料位移，實(shí)時(shí)計(jì)算位移補(bǔ)償量，動(dòng)態(tài)地對(duì)實(shí)施制孔的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作出補(bǔ)償校正；并根據(jù)檢測(cè)到的材料運(yùn)動(dòng)速度，控制制孔裝置自動(dòng)啟動(dòng)和終止，并提供生產(chǎn)記錄；根據(jù)寬、窄幅面的不同要求，通過(guò)增減并行制孔裝置數(shù)目來(lái)適應(yīng)幅面要求。
本發(fā)明設(shè)有一個(gè)測(cè)定材料位移和運(yùn)動(dòng)速度的精密測(cè)速元件，即速度傳感器，其產(chǎn)生的位移信號(hào)輸入控制計(jì)算機(jī)，控制計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)計(jì)算位移補(bǔ)償量，動(dòng)態(tài)地對(duì)實(shí)施制孔的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作出補(bǔ)償校正。測(cè)速元件一般安裝在制孔區(qū)域附近，其通過(guò)連接盤(pán)與用于托起和帶動(dòng)被制孔材料運(yùn)動(dòng)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；采用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，其受控于控制計(jì)算機(jī)。光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，按控制計(jì)算機(jī)要求控制激光束的偏轉(zhuǎn)，保證制孔圖樣與控制要求一致。
采用低功率射頻CO2激光器，其無(wú)須外部供氣，運(yùn)行穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)，能由激光功率控制器實(shí)時(shí)調(diào)整激光功率，并可由控制計(jì)算機(jī)方便控制其開(kāi)關(guān)和功率值。
為了正確給出動(dòng)態(tài)補(bǔ)償量，調(diào)整孔大小、疏密和圖樣，本發(fā)明還涉及配套的軟件控制系統(tǒng)。軟件控制系統(tǒng)按預(yù)先設(shè)定的參數(shù)，計(jì)算出孔坐標(biāo)、孔軌跡和激光強(qiáng)度。用孔坐標(biāo)和孔軌跡控制光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)進(jìn)行制孔，并通過(guò)控制激光功率控制器調(diào)節(jié)激光功率。
此外，本發(fā)明還設(shè)有一些裝置，借助于它們保證設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。采用帶制冷壓縮機(jī)的水冷裝置，為激光器提供冷卻循環(huán)水，當(dāng)水溫超過(guò)正常溫度時(shí)，溫度開(kāi)關(guān)控制壓縮機(jī)制冷。
為了避免或減少材料汽化形成的煙塵對(duì)材料和激光器鏡頭的污染，在本發(fā)明的另一項(xiàng)設(shè)計(jì)中，在制孔區(qū)域外圍設(shè)有上下兩組吸塵管道，用于除去在材料局部汽化時(shí)形成的煙塵，并采用垂直通風(fēng)道設(shè)計(jì)，提高煙塵排放量。設(shè)備在切孔方式工作時(shí)，下煙道應(yīng)設(shè)置在切孔工作區(qū)域下方，緊貼被切孔材料，用于收集材料切孔時(shí)落下的廢料。此時(shí)下煙道與抽風(fēng)管連接口應(yīng)設(shè)有過(guò)濾網(wǎng)，煙道底部應(yīng)加設(shè)廢料收集槽。
在附圖中，給出了本發(fā)明的兩種實(shí)際實(shí)施例一種采用單制孔系統(tǒng)(附

圖1)，有效制孔寬度為100mm，用于窄幅面材料制孔；另一種采用8個(gè)制孔系統(tǒng)并行連接(附圖2)，有效制孔寬度為800mm，用于寬幅材料制孔。
圖1示意本發(fā)明的設(shè)備對(duì)生產(chǎn)線上運(yùn)動(dòng)著的被制孔材料1連續(xù)制孔。在此圖中材料1從圖中沒(méi)有詳細(xì)表示的送料設(shè)備中送出，沿V方向運(yùn)行，并輸入到轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒組8中。
材料1的速度由設(shè)置在轉(zhuǎn)動(dòng)滾筒組8上的速度傳感器7采集，本例選用光電轉(zhuǎn)盤(pán)式速度傳感器。其直接檢測(cè)材料運(yùn)動(dòng)的位移和線速度。當(dāng)光電轉(zhuǎn)盤(pán)式速度傳感器周脈沖為1000，連接盤(pán)直徑為40mm時(shí)，其位移分辨率為0.125mm。
激光器2產(chǎn)生激光束4用于材料1的切割，激光束4的強(qiáng)度由外部激光功率控制器控制，可手動(dòng)調(diào)整，也可由控制計(jì)算機(jī)6自動(dòng)調(diào)整。帶制冷壓縮機(jī)的水冷裝置12，通過(guò)導(dǎo)管13，為激光器提供循環(huán)冷卻水。
為改善光束質(zhì)量，加入光學(xué)擴(kuò)束鏡3，激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束，進(jìn)入光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)5。光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)5由控制計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)激光束的偏轉(zhuǎn)。
此外，沿材料1制孔區(qū)域的外圍，設(shè)置吸塵裝置9，借助于風(fēng)機(jī)10抽除由于局部汽化形成的煙塵，并導(dǎo)入過(guò)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(shí)起到限制材料抖動(dòng)，保證制孔焦距的作用。
圖2、3和圖1表示了按本發(fā)明具有不同并行制孔系統(tǒng)(由激光器2、光學(xué)擴(kuò)束鏡3、光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)5構(gòu)成)數(shù)目的兩種不同實(shí)施方式。第一種情況下設(shè)有八組并行制孔系統(tǒng)，用于寬幅面制孔(如圖2)；第二種情況下只設(shè)有一組制孔系統(tǒng)，用于窄幅面制孔(如圖1)。兩種方式都僅由一套控制計(jì)算機(jī)實(shí)施控制。
圖2中多向吸塵導(dǎo)通管15通過(guò)軟管和垂直管道(圖中未標(biāo)出)與風(fēng)機(jī)相連。兩套支撐橋16放置在設(shè)備支架18上的左右兩邊，用以托起分兩組相對(duì)放置的八臺(tái)激光器，通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺桿調(diào)整支撐橋16位置來(lái)調(diào)整每組四臺(tái)激光器的位置。每臺(tái)激光器都由小支撐板17托起，調(diào)整小支撐板17的旋轉(zhuǎn)螺桿來(lái)調(diào)整單臺(tái)激光器位置，使得前后兩組激光器交叉相對(duì)排列(如圖2所示)，且八臺(tái)激光器的工作區(qū)域在被制孔材料上分布均勻。
下面結(jié)合具體實(shí)施例二詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明設(shè)備的工作步驟首先系統(tǒng)通過(guò)速度傳感器7獲取材料線速度，并通過(guò)接口卡傳遞給控制計(jì)算機(jī)6。當(dāng)速度大于控制軟件中設(shè)定的啟動(dòng)速度時(shí)，制孔系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行，并根據(jù)要求選擇打孔或切孔方式；在制孔過(guò)程中，控制計(jì)算機(jī)按照預(yù)先設(shè)定的參數(shù)控制光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)和激光器進(jìn)行制孔，并不斷獲取材料位移，實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償量，用補(bǔ)償信號(hào)對(duì)光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)作出補(bǔ)償校正，在材料上制出符合要求的孔圖案；當(dāng)材料線速度低于終止速度時(shí)，制孔系統(tǒng)自動(dòng)終止，并等待速度。
并行光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)5是制孔系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具體可選用振鏡掃描系統(tǒng)。激光束4從激光器2發(fā)出，經(jīng)過(guò)光學(xué)擴(kuò)束鏡3，進(jìn)入光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)5，光束依照振鏡的方向偏轉(zhuǎn)，并由聚焦鏡聚焦輸出。
將實(shí)施例二用于膏藥材料(膏狀藥物與布或人造纖維織物組合的兩層復(fù)合材料)上的透氣孔制備，可實(shí)現(xiàn)膏藥材料上的密集小孔排列。通過(guò)選擇合適設(shè)備，在50mm×80mm的標(biāo)準(zhǔn)膏藥貼片上可制備140個(gè)左右透氣孔，孔直徑0.3mm左右，孔行列間隔小于5mm，膏藥損失量約為0.25％；相比以往技術(shù)的大透氣孔(直徑大于2mm，行列間距大于10mm，透氣孔數(shù)約30個(gè)，膏藥損失量約為2.4％)，既大大減少了膏藥的藥量損失，又可保證并改善透氣度(透氣點(diǎn)增加了3～4倍)，使得透氣更加均勻。
權(quán)利要求
1.一種非金屬薄型材料激光制孔的方法，其步驟為(1)根據(jù)制孔要求，選擇打孔或切孔的制孔方式，并通過(guò)設(shè)置控制裝置的程序參數(shù)，由控制裝置控制激光功率，通過(guò)控制光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)調(diào)整孔的大小、疏密和圖樣；(2)在線檢測(cè)被加工材料的運(yùn)動(dòng)速度并傳遞給控制裝置；(3)當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度大于設(shè)定的啟動(dòng)速度時(shí)，利用激光進(jìn)行制孔，在切孔過(guò)程中，不斷獲取材料的運(yùn)動(dòng)速度，并實(shí)時(shí)計(jì)算位移補(bǔ)償量，采用光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)根據(jù)補(bǔ)償信號(hào)實(shí)時(shí)作出補(bǔ)償校正；當(dāng)材料運(yùn)動(dòng)速度低于終止速度時(shí)，終止切孔，并等待速度，直至任務(wù)完成。
2.一種實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的設(shè)備，包括激光器和走料裝置，其特征在于還包括與激光器(2)位于同一光路上的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(5)，二者共同構(gòu)成制孔裝置；控制裝置(6)與光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(5)相連，該設(shè)備還設(shè)有與控制裝置(6)相聯(lián)的速度傳感器(7)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于該設(shè)備二套或二套以上的制孔裝置，各制孔裝置分別置于小支撐橋(17)上，并通過(guò)支撐橋(16)置于支架(18)上，使激光作用區(qū)在被加工材料上成均勻分布。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的設(shè)備，其特征在于在激光作用區(qū)外圍設(shè)有吸塵裝置(11)，并通過(guò)風(fēng)機(jī)(10)與過(guò)濾裝置(9)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的設(shè)備，其特征在于光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(5)為振鏡掃描系統(tǒng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)(5)為振鏡掃描系統(tǒng)。
全文摘要
一種非金屬薄型材料激光制孔的方法，根據(jù)制孔要求，選擇制孔方式；通過(guò)設(shè)置控制裝置的程序參數(shù)，控制激光功率，并通過(guò)光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)軌跡來(lái)調(diào)整孔的大小、疏密和圖樣；在線檢測(cè)被加工材料的運(yùn)動(dòng)速度并傳遞給控制裝置；當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度大于設(shè)定的啟動(dòng)速度時(shí)，利用激光進(jìn)行制孔，切孔過(guò)程中，不斷獲取材料的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)時(shí)計(jì)算補(bǔ)償量，光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)根據(jù)補(bǔ)償信號(hào)實(shí)時(shí)作出補(bǔ)償校正；當(dāng)材料運(yùn)動(dòng)速度低于終止速度時(shí)，終止切孔，等待速度。其設(shè)備包括激光器和走料裝置，光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)與激光器位于同一光路上，共同構(gòu)成制孔裝置；控制裝置與光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)相連，該設(shè)備還設(shè)有與控制裝置相連的速度傳感器。本發(fā)明可在生產(chǎn)線上實(shí)現(xiàn)多幅面、多類(lèi)型薄型材料的激光制孔。
文檔編號(hào)B23K26/08GK1411943SQ0213912
公開(kāi)日2003年4月23日 申請(qǐng)日期2002年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年9月30日
發(fā)明者汪盛烈, 陳世全, 楊海, 楊義厚, 王曉東, 閔志浩, 何云貴, 樂(lè)仁漢, 趙學(xué)明, 張忠國(guó), 李敦明 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué), 河南羚銳制藥股份有限公司