程 榮，趙曉晴，方 舟，萬(wàn) 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(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七二二研究所，湖北 武漢 430205；3.華中科技大學(xué) 光學(xué)與電子信息學(xué)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(xiàn)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(xiàn)均勻排列和直徑為0.1 mm左右的微孔。

如何能更大強(qiáng)度地降低香煙制品給消費(fèi)者帶來(lái)的焦油危害以及如何采用新技術(shù)開(kāi)拓國(guó)外卷煙市場(chǎng)，已成為相關(guān)企業(yè)及學(xué)者非常迫切解決的問(wèn)題[3，4]。針對(duì)香煙的降焦、孔圖案的個(gè)性化要求或者透氣度的設(shè)定，國(guó)內(nèi)外設(shè)備制造商一直都在探尋和研究水松紙激光異形排列和萬(wàn)能形狀打孔的技術(shù)和方法，遺憾的是沒(méi)有任何一家設(shè)備制造商擁有這項(xiàng)設(shè)備技術(shù)。為此，本文提出了一種水松紙激光異形打孔降焦技術(shù)，并成功開(kāi)發(fā)了一款水松紙激光孔異形排列和萬(wàn)能形狀打孔機(jī)。

1 水松紙激光異形打孔原理

水松紙激光異形排列和萬(wàn)能形狀打孔機(jī)技術(shù)原理是：在控制系統(tǒng)中輸入某種要求的圖形，激光器發(fā)出光束，經(jīng)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束再射到振鏡的反射鏡上，激光掃描振鏡中的擺動(dòng)伺服電機(jī)在計(jì)算機(jī)控制下高速擺動(dòng)，使激光束在X、Y二維方向上掃描形成圖形[5]，而通過(guò)掃描振鏡中的聚焦鏡頭將激光束聚焦到運(yùn)動(dòng)的水松紙上，形成細(xì)微的、高能量密度的焦點(diǎn)[6]，并在計(jì)算機(jī)控制下掃描輸入的圖形，從而在水松紙上切出預(yù)設(shè)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(wàn)能形狀打孔機(jī)總體結(jié)構(gòu)

2.1 打孔機(jī)總體結(jié)構(gòu)

激光孔異形排列和萬(wàn)能形狀打孔機(jī)包括機(jī)架以及機(jī)架上設(shè)置的激光器、擴(kuò)束鏡、振鏡頭、水松紙放卷軸、水松紙收卷輪、水松紙收卷軸、導(dǎo)軌及滑塊、過(guò)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(tǒng)等，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(yùn)動(dòng)的線(xiàn)速度恒定，鑒于此，水松紙傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用表面驅(qū)動(dòng)收卷技術(shù)，即收卷軸壓在兩收卷輪之上，兩收卷輪由電機(jī)同步驅(qū)動(dòng)，當(dāng)收卷輪轉(zhuǎn)速一定時(shí)，由于是收卷輪表面旋轉(zhuǎn)傳動(dòng)，因此水松紙工作時(shí)收卷盤(pán)徑盡管不斷變徑增大，其水松紙線(xiàn)速度v恒定不變。此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)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(dòng)系統(tǒng)中張力傳感器的作用是保持水松紙?jiān)谶\(yùn)動(dòng)過(guò)程中的張力恒定，保證水松紙收卷整齊，由張力控制器調(diào)整其壓力。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)由激光器、擴(kuò)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(yùn)動(dòng)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(jī)架；2，3，5，12-過(guò)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(tǒng)；9-顯示屏；10-張力調(diào)節(jié)器；11-水松紙收卷輪；13-水松紙收卷軸；14-導(dǎo)軌及滑塊；15-收卷紙筒；16-激光器；17-托紙輪盒；18-擴(kuò)束鏡；19-振鏡頭

圖3 光路工作流程

(1) 擴(kuò)束鏡的作用是改變激光光束直徑和發(fā)散角。激光器發(fā)射出發(fā)散角為θ、直徑小于入射孔直徑di的光束，經(jīng)過(guò)同軸布置的一個(gè)輸入凹透鏡和一個(gè)輸出凸透鏡后，將發(fā)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(kuò)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(guò)一片聚焦鏡，兩片振鏡在馬達(dá)的帶動(dòng)下高速地來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng),實(shí)現(xiàn)激光光束按預(yù)設(shè)圖形對(duì)水松紙平面掃描(打孔、切割、打標(biāo))，其原理如圖5所示。

圖5 激光掃描振鏡原理

當(dāng)收卷輪開(kāi)始工作時(shí)，激光器出光，激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)束后射到振鏡頭二維轉(zhuǎn)動(dòng)鏡片上?？刂葡到y(tǒng)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(yùn)動(dòng)速度兩個(gè)參數(shù)，再通過(guò)場(chǎng)鏡聚焦，讓激光束作用在運(yùn)動(dòng)的水松紙上，完成對(duì)水松紙各種形狀要求的打孔工作。

2.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是激光打孔設(shè)備的核心部件，它是基于PLC編程的工控系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)，人機(jī)界面操作，根據(jù)組態(tài)軟件觸摸屏所設(shè)計(jì)的用戶(hù)交互界面將PLC程序設(shè)計(jì)分為公用程序模塊、手動(dòng)程序模塊與自動(dòng)控制模塊三個(gè)功能程序模塊，保障整機(jī)的運(yùn)行。

通過(guò)控制電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，可使水松紙收卷、放卷及以恒定張力行走?？刂萍す馄鳌⒄耒R等光路部分可使水松紙按要求輸入的圖形實(shí)現(xiàn)打孔工作，控制系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 控制系統(tǒng)流程

3 水松紙激光異形打孔機(jī)的實(shí)現(xiàn)

經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)時(shí)間的理論研究工作，前期設(shè)計(jì)建模、加工和測(cè)試，已攻克很多行業(yè)局限及難題，成功開(kāi)發(fā)出水松紙激光異形排列和萬(wàn)能形狀打孔機(jī)樣機(jī)，如圖7所示。

圖7 水松紙激光異形打孔機(jī)實(shí)物

根據(jù)卷煙行業(yè)相關(guān)客戶(hù)要求進(jìn)行了多批次打孔實(shí)驗(yàn)，取得了很好的打孔降焦及個(gè)性化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 水松紙激光異形打孔機(jī)打孔樣品

4 結(jié)束語(yǔ)

本文在理論研究的基礎(chǔ)上提出了一種水松紙異形打孔降焦技術(shù)，并成功開(kāi)發(fā)了水松紙激光異形排列和萬(wàn)能形狀打孔機(jī)，實(shí)現(xiàn)了靈活高效的異形打孔降焦工作。該設(shè)備控制簡(jiǎn)單、線(xiàn)速度穩(wěn)定，打孔孔間距精度高。此技術(shù)可根據(jù)客戶(hù)需求輸入各種形狀的圖形來(lái)適應(yīng)工業(yè)化生產(chǎn)的市場(chǎng)需求，對(duì)煙草行業(yè)降焦及日益增長(zhǎng)的個(gè)性化產(chǎn)品需求有重大的意義，目前樣品已服務(wù)于南洋兄弟煙廠等知名廠商。