一种水松纸激光异形打孔降焦技术

程 荣，赵晓晴，方 舟，万 攀，张向明

(1.武汉淡雅香生物科技有限公司，湖北 武汉 430010；2.中国船舶集团有限公司第七二二研究所，湖北 武汉 430205；3.华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 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，使材料升温到一定温度汽化成孔[1]。水松纸激光打孔是现阶段卷烟降低焦油含量采取的最广泛的一种方式[2]，但是水松纸激光孔的排列方式和孔的形状目前全世界只有一种，即直线均匀排列和直径为0.1 mm左右的微孔。

如何能更大强度地降低香烟制品给消费者带来的焦油危害以及如何采用新技术开拓国外卷烟市场，已成为相关企业及学者非常迫切解决的问题[3，4]。针对香烟的降焦、孔图案的个性化要求或者透气度的设定，国内外设备制造商一直都在探寻和研究水松纸激光异形排列和万能形状打孔的技术和方法，遗憾的是没有任何一家设备制造商拥有这项设备技术。为此，本文提出了一种水松纸激光异形打孔降焦技术，并成功开发了一款水松纸激光孔异形排列和万能形状打孔机。

1 水松纸激光异形打孔原理

水松纸激光异形排列和万能形状打孔机技术原理是：在控制系统中输入某种要求的图形，激光器发出光束，经扩束镜扩束再射到振镜的反射镜上，激光扫描振镜中的摆动伺服电机在计算机控制下高速摆动，使激光束在X、Y二维方向上扫描形成图形[5]，而通过扫描振镜中的聚焦镜头将激光束聚焦到运动的水松纸上，形成细微的、高能量密度的焦点[6]，并在计算机控制下扫描输入的图形，从而在水松纸上切出预设图形的孔形。水松纸激光异形打孔原理示意图如图1所示。

图1 水松纸激光异形打孔原理示意图

2 激光孔异形排列和万能形状打孔机总体结构

2.1 打孔机总体结构

激光孔异形排列和万能形状打孔机包括机架以及机架上设置的激光器、扩束镜、振镜头、水松纸放卷轴、水松纸收卷轮、水松纸收卷轴、导轨及滑块、过渡轮、水松纸张力传感器、托纸轮盒、显示屏、张力控制器、控制系统等，其总体结构如图2所示。

2.2 机械传动系统设计

保证水松纸激光异形打孔降焦精度的必要条件是水松纸运动的线速度恒定，鉴于此，水松纸传动机构采用表面驱动收卷技术，即收卷轴压在两收卷轮之上，两收卷轮由电机同步驱动，当收卷轮转速一定时，由于是收卷轮表面旋转传动，因此水松纸工作时收卷盘径尽管不断变径增大，其水松纸线速度v恒定不变。此设计简化了变径的恒速控制算法，保证了水松纸打孔精度。

水松纸传动系统中张力传感器的作用是保持水松纸在运动过程中的张力恒定，保证水松纸收卷整齐，由张力控制器调整其压力。

2.3 光学系统设计

光学系统由激光器、扩束镜、振镜头和聚焦镜等组成，其作用是利用激光高功率密度特性作用于运动的水松纸上，使材料升温到一定温度汽化成孔，光路工作流程如图3所示。

1-机架；2，3，5，12-过渡轮；4-水松纸张力传感器；6-水松纸放卷轴；7-张力控制器；8-控制系统；9-显示屏；10-张力调节器；11-水松纸收卷轮；13-水松纸收卷轴；14-导轨及滑块；15-收卷纸筒；16-激光器；17-托纸轮盒；18-扩束镜；19-振镜头

图3 光路工作流程

(1) 扩束镜的作用是改变激光光束直径和发散角。激光器发射出发散角为θ、直径小于入射孔直径di的光束，经过同轴布置的一个输入凹透镜和一个输出凸透镜后，将发散角为θ的光束整形为直径为d0(≥di)的平行光，于是得到更好的聚焦效果，其原理如图4所示。

图4 扩束镜原理

(2) 激光扫描振镜的作用：一束激光被两片扫描振镜反射，并且通过一片聚焦镜，两片振镜在马达的带动下高速地来回转动,实现激光光束按预设图形对水松纸平面扫描(打孔、切割、打标)，其原理如图5所示。

图5 激光扫描振镜原理

当收卷轮开始工作时，激光器出光，激光束经过扩束镜扩束后射到振镜头二维转动镜片上。控制系统输入某种要求的图形，然后控制振镜头二维镜片的角速度和水松纸的运动速度两个参数，再通过场镜聚焦，让激光束作用在运动的水松纸上，完成对水松纸各种形状要求的打孔工作。

2.4 控制系统

控制系统是激光打孔设备的核心部件，它是基于PLC编程的工控系统，采用模块化设计，人机界面操作，根据组态软件触摸屏所设计的用户交互界面将PLC程序设计分为公用程序模块、手动程序模块与自动控制模块三个功能程序模块，保障整机的运行。

通过控制电机轴转动，可使水松纸收卷、放卷及以恒定张力行走。控制激光器、振镜等光路部分可使水松纸按要求输入的图形实现打孔工作，控制系统流程如图6所示。

图6 控制系统流程

3 水松纸激光异形打孔机的实现

经过团队长时间的理论研究工作，前期设计建模、加工和测试，已攻克很多行业局限及难题，成功开发出水松纸激光异形排列和万能形状打孔机样机，如图7所示。

图7 水松纸激光异形打孔机实物

根据卷烟行业相关客户要求进行了多批次打孔实验，取得了很好的打孔降焦及个性化效果，实验结果如图8所示。

图8 水松纸激光异形打孔机打孔样品

4 结束语

本文在理论研究的基础上提出了一种水松纸异形打孔降焦技术，并成功开发了水松纸激光异形排列和万能形状打孔机，实现了灵活高效的异形打孔降焦工作。该设备控制简单、线速度稳定，打孔孔间距精度高。此技术可根据客户需求输入各种形状的图形来适应工业化生产的市场需求，对烟草行业降焦及日益增长的个性化产品需求有重大的意义，目前样品已服务于南洋兄弟烟厂等知名厂商。