一種水松紙激光異形打孔降焦技術

程 榮，趙曉晴，方 舟，萬 攀，張向明

(1.武漢淡雅香生物科技有限公司，湖北 武漢 430010；2.中國船舶集團有限公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205；3.華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074)

0 引言

激光打孔是利用激光高功率密度特性作用于被加工材料，使材料升溫到一定溫度汽化成孔[1]。水松紙激光打孔是現階段卷煙降低焦油含量采取的最廣泛的一種方式[2]，但是水松紙激光孔的排列方式和孔的形狀目前全世界只有一種，即直線均勻排列和直徑為0.1 mm左右的微孔。

如何能更大強度地降低香煙制品給消費者帶來的焦油危害以及如何采用新技術開拓國外卷煙市場，已成為相關企業及學者非常迫切解決的問題[3，4]。針對香煙的降焦、孔圖案的個性化要求或者透氣度的設定，國內外設備制造商一直都在探尋和研究水松紙激光異形排列和萬能形狀打孔的技術和方法，遺憾的是沒有任何一家設備制造商擁有這項設備技術。為此，本文提出了一種水松紙激光異形打孔降焦技術，并成功開發了一款水松紙激光孔異形排列和萬能形狀打孔機。

1 水松紙激光異形打孔原理

水松紙激光異形排列和萬能形狀打孔機技術原理是：在控制系統中輸入某種要求的圖形，激光器發出光束，經擴束鏡擴束再射到振鏡的反射鏡上，激光掃描振鏡中的擺動伺服電機在計算機控制下高速擺動，使激光束在X、Y二維方向上掃描形成圖形[5]，而通過掃描振鏡中的聚焦鏡頭將激光束聚焦到運動的水松紙上，形成細微的、高能量密度的焦點[6]，并在計算機控制下掃描輸入的圖形，從而在水松紙上切出預設圖形的孔形。水松紙激光異形打孔原理示意圖如圖1所示。

圖1 水松紙激光異形打孔原理示意圖

2 激光孔異形排列和萬能形狀打孔機總體結構

2.1 打孔機總體結構

激光孔異形排列和萬能形狀打孔機包括機架以及機架上設置的激光器、擴束鏡、振鏡頭、水松紙放卷軸、水松紙收卷輪、水松紙收卷軸、導軌及滑塊、過渡輪、水松紙張力傳感器、托紙輪盒、顯示屏、張力控制器、控制系統等，其總體結構如圖2所示。

2.2 機械傳動系統設計

保證水松紙激光異形打孔降焦精度的必要條件是水松紙運動的線速度恒定，鑒于此，水松紙傳動機構采用表面驅動收卷技術，即收卷軸壓在兩收卷輪之上，兩收卷輪由電機同步驅動，當收卷輪轉速一定時，由于是收卷輪表面旋轉傳動，因此水松紙工作時收卷盤徑盡管不斷變徑增大，其水松紙線速度v恒定不變。此設計簡化了變徑的恒速控制算法，保證了水松紙打孔精度。

水松紙傳動系統中張力傳感器的作用是保持水松紙在運動過程中的張力恒定，保證水松紙收卷整齊，由張力控制器調整其壓力。

2.3 光學系統設計

光學系統由激光器、擴束鏡、振鏡頭和聚焦鏡等組成，其作用是利用激光高功率密度特性作用于運動的水松紙上，使材料升溫到一定溫度汽化成孔，光路工作流程如圖3所示。

1-機架；2，3，5，12-過渡輪；4-水松紙張力傳感器；6-水松紙放卷軸；7-張力控制器；8-控制系統；9-顯示屏；10-張力調節器；11-水松紙收卷輪；13-水松紙收卷軸；14-導軌及滑塊；15-收卷紙筒；16-激光器；17-托紙輪盒；18-擴束鏡；19-振鏡頭

圖3 光路工作流程

(1) 擴束鏡的作用是改變激光光束直徑和發散角。激光器發射出發散角為θ、直徑小于入射孔直徑di的光束，經過同軸布置的一個輸入凹透鏡和一個輸出凸透鏡后，將發散角為θ的光束整形為直徑為d0(≥di)的平行光，于是得到更好的聚焦效果，其原理如圖4所示。

圖4 擴束鏡原理

(2) 激光掃描振鏡的作用：一束激光被兩片掃描振鏡反射，并且通過一片聚焦鏡，兩片振鏡在馬達的帶動下高速地來回轉動,實現激光光束按預設圖形對水松紙平面掃描(打孔、切割、打標)，其原理如圖5所示。

圖5 激光掃描振鏡原理

當收卷輪開始工作時，激光器出光，激光束經過擴束鏡擴束后射到振鏡頭二維轉動鏡片上。控制系統輸入某種要求的圖形，然后控制振鏡頭二維鏡片的角速度和水松紙的運動速度兩個參數，再通過場鏡聚焦，讓激光束作用在運動的水松紙上，完成對水松紙各種形狀要求的打孔工作。

2.4 控制系統

控制系統是激光打孔設備的核心部件，它是基于PLC編程的工控系統，采用模塊化設計，人機界面操作，根據組態軟件觸摸屏所設計的用戶交互界面將PLC程序設計分為公用程序模塊、手動程序模塊與自動控制模塊三個功能程序模塊，保障整機的運行。

通過控制電機軸轉動，可使水松紙收卷、放卷及以恒定張力行走。控制激光器、振鏡等光路部分可使水松紙按要求輸入的圖形實現打孔工作，控制系統流程如圖6所示。

圖6 控制系統流程

3 水松紙激光異形打孔機的實現

經過團隊長時間的理論研究工作，前期設計建模、加工和測試，已攻克很多行業局限及難題，成功開發出水松紙激光異形排列和萬能形狀打孔機樣機，如圖7所示。

圖7 水松紙激光異形打孔機實物

根據卷煙行業相關客戶要求進行了多批次打孔實驗，取得了很好的打孔降焦及個性化效果，實驗結果如圖8所示。

圖8 水松紙激光異形打孔機打孔樣品

4 結束語

本文在理論研究的基礎上提出了一種水松紙異形打孔降焦技術，并成功開發了水松紙激光異形排列和萬能形狀打孔機，實現了靈活高效的異形打孔降焦工作。該設備控制簡單、線速度穩定，打孔孔間距精度高。此技術可根據客戶需求輸入各種形狀的圖形來適應工業化生產的市場需求，對煙草行業降焦及日益增長的個性化產品需求有重大的意義，目前樣品已服務于南洋兄弟煙廠等知名廠商。