专利名称：卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法及设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法及设备。
背景技术：
吸烟有害健康是公认的事实，降低焦油含量对改善吸烟群体的身 体健康具有重要 意义。各国的卷烟制造商相继投入了大量的人力、物力和巨额资金，对降低卷烟焦油含量的 理论方法、技术以及实践应用等方面进行了广泛而深入的研究，并发展了多种降焦技术。卷烟接装纸作为卷烟过滤嘴专用外包装用纸，因其外观类似松木纹而曾得名水松 纸。滤嘴通风稀释技术的原理是通过在水松纸上打孔、使用高透气度滤棒成型纸或在滤棒 上制成凹槽等方式，从而在抽吸卷烟时使外部空气进入滤嘴内并对主流烟气进行稀释，使 吸入人体的焦油量相对减少。该项技术已成为国际上采用最广泛和最有效的降焦技术。目 前美国卷烟市场上有90%左右的卷烟和西欧市场上80%左右的卷烟都采用了通风滤嘴， 另外在亚洲的日本等国，通风滤嘴卷烟也占有相当大的比例。采用通风滤嘴这一简单、成熟 且非常可靠的降焦技术，其降焦效果也十分明显，如美国Carlton牌卷烟采用通风滤嘴后 可降低卷烟焦油量70%以上，降低CO高达80%以上，且通过强化加香、加料措施，也使该卷 烟的吸味品质保持了较高水平。目前，我国过滤嘴香烟的比例已达95%。随着人类对于吸烟者健康保护要求的日 益提高，能有效降低焦油含量、且减少尼古丁对人们健康伤害的水松纸打孔工艺得到迅速普及。目前开发和利用的水松纸打孔技术主要包括机械打孔、电火花打孔、激光打孔等 技术，其中激光打孔由于具有打孔均勻、透气度稳定性高等优点，成为国际上广泛采用的方 式。目前，已经研制成功且用于生产的水松纸激光打孔设备通常采用机械式斩 光盘光束调制原理(例如中国专利“在线式水松纸激光打孔卷烟接嘴机”，专利号 ZL02263600. 5)和旋转式多棱镜扫描分光原理(例如中国专利“水松纸激光打孔机”，专利 号ZL200820147995. 4)两种基本方案，将连续激光器输出的连续激光束变换成脉冲激光 束，以实现对水松纸表面进行在线透气微孔加工。同时，由于多棱镜扫描分光方式对激光能 量的利用率较机械式斩光盘高很多，因而水松纸激光打孔技术一般偏向于采用多棱镜扫描 分光的方式对连续激光束进行变换，以实现打孔脉冲式激光输出。目前，基于多棱镜扫描分光方式的水松纸激光打孔设备的基本原理是利用单台 连续激光器输出连续激光束，并将其聚焦于旋转式多棱镜的某个工作面上；这个工作面在 旋转过程中将激光束依次扫过N个(例如4、8、16、32个)紧密排列的独立聚焦系统，每个 独立的聚焦系统在激光扫过时接受到一部分激光；当多棱镜旋转时，每一个多棱镜的工作 面都给上述的N个聚焦系统分配一个脉冲，这样旋转式多棱镜便将进入的连续激光束分成 N路脉冲激光输出；N路脉冲激光分别经N个独立的聚焦系统聚焦于连续运动的水松纸表 面，从而在水松纸上打出N排直线型排列分布的小孔。上述方法采用旋转式多棱镜扫描方式将一束连续激光束分割成N束(例如4、8、16、32束)脉冲激光，因此每一束脉冲激光的 能量只是连续激光束功率的N分之一。随着卷烟降焦幅度要求的日益提高，卷烟制造商对于激光打孔水松纸的透气度要求也越来越高。但对上述基于多棱镜扫描分光原理的常规水松纸激光打孔设备而言，在保 证具有较高的打孔加工效率前提之下，透气度越高则要求设备所采用激光器的输出功率也 越高。但高功率激光器往往价格较高，因而大大降低了设备的性价比，难以被厂家接受；但 若设备所采用激光器的输出功率较低，则必须在降低待加工水松纸的运动速度前提之下， 以保证其具有足够的透气度指标，从而大大降低了水松纸激光打孔的加工效率。
发明内容
本发明目的是为了克服现有水松纸激光打孔方法的不足而提供一种卷烟接装纸 多激光器并联式激光打孔方法，该方法可以利用并联式的连续激光器在运动水松纸上进行 高速多排打孔，以便在提高加工效率的同时，降低生产成本。本发明同时提供一种卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备，该设备可以实现 多台连续激光器并联式水松纸激光打孔，在水松纸上进行高速多排透气微孔加工，并且结 构简单、工作稳定、加工效率高。本发明的技术方案首先是一种卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法，该方 法利用K台具有相同输出功率的连续激光器输出K路连续激光束，以不同的入射角度同时 聚焦于高速旋转的多棱镜的某个工作面上，所述K路连续激光束经多棱镜扫描后，形成具 有不同空间扫描区域的K路扇形反射式扫描光束；所述每一路扇形扫描光束依次扫过与其 空间扫描区域对应的N/K个独立的聚焦机构时，光束被分光、传输并聚焦于连续运动的水 松纸表面，形成沿水松纸宽度方向密集排列的N/K路打孔脉冲激光输出；所述K路扇形扫描 光束对应N/KXK = N个聚焦机构，共输出N路聚焦式脉冲激光，对水松纸同时进行打孔，配 合水松纸的连续运动，在水松纸表面形成N排沿其宽度方向排列分布的小孔；其中K ^ 2,N =2η，η 彡 2。本发明的上述方法进一步是按下述具体步骤对水松纸进行打孔1)预先在K台具有相同输出功率的连续激光器的输出光路上对应设置K个以不同 倾斜角度布置的前端聚焦镜，其中κ > 2 ；2)调节N个聚焦机构的空间位置，使它们在水松纸的上方沿水松纸长度方向呈斜 线或其他形式密集排列，且调节过程中确保每个聚焦机构的光轴均与水松纸表面垂直，其 中 N = 2η，η > 2 ；3)由走纸机构的收卷辊和放卷辊装夹水松纸；4)启动走纸机构，使走纸机构中的收卷辊按设定的转速旋转，带动水松纸连续运 动；5)使K台具有相同输出功率的连续激光器输出K路连续激光束，分别经所述K个 前端聚焦镜聚焦后，以不同的入射角度同时聚焦到高速旋转的多棱镜的某个工作面上，所 述K路连续激光束经多棱镜扫描后，形成具有不同空间扫描区域的K路扇形反射式扫描光 束；6)所述每路扇形扫描光束依次扫过与其空间扫描区域对应的Ν/Κ个独立的聚焦机构时，光束被分光、传输并聚焦于连续运动的水松纸表面，形成沿水松纸宽度方向密集排 列的N/K路打孔脉冲激光输出；所述K路扇形扫描光束总共输出N路聚焦式脉冲激光，对水 松纸同时进行打孔，配合水松纸的连续运动，在水松纸表面形成N排沿其宽度方向排列分 布的小孔。 本发明的上述方法中，所述各聚焦机构具体均由第一聚焦镜、第一反射镜、第二反 射镜和第二聚焦镜组成，所述N个第一聚焦镜对应于所述多棱镜的某个工作面呈扇形排 列，而所述N个第二聚焦镜则沿水松纸长度方向呈斜线或其他形式密集排列于水松纸上 方。所述每一路经高速旋转的多棱镜工作面反射的，且具有不同空间扫描区域的扇形反射 式扫描光束依次扫过与其空间扫描区域对应的N/K个由第一聚焦镜、第一反射镜、第二反 射镜和第二聚焦镜组成的聚焦机构，并经所述N/K个聚焦机构聚焦于连续运动水松纸的表 面进行打孔。 本发明其次提供一种用于实现上述方法的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔 设备，它由K台连续激光器、多棱镜分光机构和驱动水松纸连续运动的走纸机构组成；其中 所述多棱镜分光机构由多棱镜、驱动多棱镜旋转的高速电机、与所述K台连续激光器输出 光束分别对应的K个前端聚焦镜，以及安装在走纸机构上方且沿水松纸长度方向呈斜线或 其他形式密集排列的N个具有聚焦功能的聚焦机构组成；所述K个前端聚焦镜以不同的倾 斜角度布置，可将K台连续激光器输出的K路连续激光束以不同的入射角度同时聚焦于高 速旋转的多棱镜的某个工作面上，其中K彡2，N = 2η，η彡2。 本发明的所述卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备中，所述每个聚焦机构进 一步均由第一聚焦镜、第一反射镜、第二反射镜和第二聚焦镜组成，所述N个第一聚焦镜对 应于所述多棱镜的某个工作面呈扇形排列，而所述N个第二聚焦镜则沿水松纸长度方向呈 斜线或其他形式密集排列于水松纸上方；并且所述每个聚焦机构的光轴均与水松纸表面垂直。本发明的所述卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备中，所述K个前端聚焦镜 可以为反射式聚焦镜，也可以为透射式聚焦镜。本发明的所述卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备中，所述走纸机构同常规 技术一样，由收卷辊和放卷辊构成，所述水松纸由收卷辊带动旋转。本发明的所述卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备中，所述多棱镜的一侧与 高速电机转轴相连，并且所述多棱镜的面数M = 6 120。本发明的所述卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备中，所述连续激光器为功 率在50 4000瓦的连续激光器，例如功率为50 4000瓦的CO2连续激光器。本发明的优点是本发明提供的这种卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法，相比现有技术，其 优点如下1.由于采用多激光器并联的方式来对水松纸进行激光打孔，故在实际操作过程中 可运用多台连续激光器替代目前的单台相对高功率激光器来获得同样的打孔效果，使得设 备整体造价低，结构简单、技术容易实现。2.由于采用多激光器并联的方式来对水松纸进行高速多排打孔，打孔速度快，故 可以实现高透气度条件下的高效水松纸激光打孔，加工效率可较现有技术更高。
3.由于采用多激光器并联的方式来对水松纸进行激光打孔，故在实际生产中，厂家可根据需要选择和配置具有不同输出功率的连续激光器，大大提高了水松纸激光打孔设 备的灵活性。总之，本发明利用并联式的多台连续激光器在水松纸上进行高速多排打孔，打孔 速度快，加工效率高，产品质量好，并且提供的设备整体造价低、结构简单、灵活性高、使用 寿命长、工作稳定。
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述图1为本发明方法的实现原理图；图2为本发明设备的一种具体实施例的结构及工作原理图。
具体实施例方式实施例本发明首先提供了一种卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法，下面 结合图1所示对所述方法的实现过程及原理进行说明，该方法包括下述具体实施步骤1)预先在K台具有相同输出功率的连续激光器101、102的输出光路上对应设置K 个以不同倾斜角度布置的前端反射式聚焦镜201、202，其中K > 2 ；2)调节N个聚焦机构的空间位置，使它们在水松纸8的上方沿水松纸8长度方向 呈斜线或其他形式密集排列，且调节过程中确保每个聚焦机构的光轴均与水松纸8表面垂 直，其中N = 2n，n > 2 ；所述各聚焦机构均由第一聚焦镜4、第一反射镜5、第二反射镜6和 第二聚焦镜7组成，所述N个第一聚焦镜4对应于所述多棱镜204的某个工作面呈扇形排 列，而所述N个第二聚焦镜7则沿水松纸8长度方向呈斜线或其他形式密集排列于水松纸 8上方；3)由走纸机构的收卷辊901和放卷辊902装夹水松纸8 ；4)启动走纸机构，使走纸机构中的收卷辊901按设定的转速旋转，带动水松纸8连 续运动；5)使K台具有相同输出功率的连续激光器101、102输出K路连续激光束，分别经 所述K个前端反射式聚焦镜201、202导向并聚焦后，以不同的入射角度同时聚焦到高速旋 转的多棱镜204的某个工作面上，所述K路连续激光束经多棱镜204扫描后形成具有不同 空间扫描区域的K路扇形反射式扫描光束301、302 ；6)使所述每路扇形扫描光束依次扫过与其空间扫描区域对应的N/K个独立的聚 焦机构，光束被分光、传输并聚焦于连续运动的水松纸8表面(所述每一路扇形扫描光束依 次经聚焦机构内设的第一聚焦镜4变换、第一反射镜5和第二反射镜6两次导向、第二聚焦 镜7聚焦后，最终垂直于水松纸8表面输出)，形成沿水松纸8宽度方向密集排列的N/K路 打孔脉冲激光输出；所述K路扇形扫描光束总共输出N路聚焦式脉冲激光，对水松纸8同 时进行打孔，配合水松纸8的连续运动，在水松纸表面形成N排沿其宽度方向排列分布的小 孔。如图2所示为用来实现本发明所述卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法的 设备一种具体实施方式
，它具体由K = 2台连续激光器101、102、多棱镜分光机构和驱动水松纸8连续运动的走纸机构共同组成；其中所述2台连续激光器101、102均为功率100瓦的 玻璃管CO2连续激光器；所述多棱镜分光机构由多棱镜204、驱动多棱镜204旋转的高速电 机、与所述2台连续激光器101、102输出光束分别对应的K = 2个前端反射式聚焦镜201、 202，以及安装在走纸机构上方且沿水松纸8长度方向呈斜线形密集排列的N = 4个具有聚 焦功能的聚焦机构(图中只画出了两个聚焦机构)组成。所述多棱镜204的一侧连接高速电机转轴(高速电机图中未画出)，且其面数M = 6。所述每个聚焦机构均由第一聚焦镜4、第一反射镜5、第二反射镜6和第二聚焦镜7组 成，所述N = 4个第一聚焦镜4对应于所述多棱镜204的某个工作面呈扇形排列，而所述N =4个第二聚焦镜7则沿水松纸8长度方向呈斜线形密集排列于水松纸8上方；并且所述 每个聚焦机构的光轴均与水松纸8表面垂 直。所述走纸机构同常规技术一样，由收卷辊901 和放卷辊902构成，所述水松纸8由收卷辊901带动旋转。所述K = 2个前端反射式聚焦 镜201、202以不同的倾斜角度布置，可将K = 2台连续激光器101、102输出的K = 2路连 续激光束以不同的入射角度同时聚焦于高速旋转的多棱镜204的某个工作面上。下面依旧结合图2所示，对采用上述设备进行水松纸8表面激光打孔的原理说明 如下由走纸机构的收卷辊901和放卷辊902装夹水松纸8，启动走纸机构，使走纸机构中 的收卷辊901按设定的转速旋转，带动水松纸8连续运动。K = 2台连续激光器101、102输 出相同功率的K = 2路连续激光束，分别经K = 2个前端反射式聚焦镜201、202导向并聚焦 后，以不同的入射角度同时聚焦到高速旋转的多棱镜204的某个工作面上，形成具有不同 空间扫描区域的K = 2路扇形反射式扫描光束301、302 ；所述每一路扇形扫描光束依次扫 过与其空间扫描区域对应的N/K = 2个独立的聚焦机构，光束被分光、传输并聚焦于连续运 动的水松纸8表面(所述每一路扇形扫描光束依次经聚焦机构内设的第一聚焦镜4变换、 第一反射镜5和第二反射镜6两次导向、第二聚焦镜7聚焦后，最终垂直于水松纸8表面输 出)，形成沿水松纸8宽度方向密集排列的N/K = 2路打孔脉冲激光输出；所述K = 2路扇 形扫描光束则总共输出N/KXK = N = 4路聚焦式脉冲激光，对水松纸8同时进行打孔，配 合水松纸8的连续运动，在水松纸表面形成4排沿其宽度方向排列分布的小孔。采用上述实施例设备加工的水松纸可满足单只卷烟透气度200C. U的要求，且其 走纸速度可达到600m/min，该速度与采用单台输出功率200瓦的全金属射频激励CO2激光 器构成的水松纸激光打孔设备的走纸速度完全相同；但是单台输出功率200瓦的全金属射 频激励CO2激光器的价格大约是本实施例中两台100瓦的玻璃管CO2连续激光器总价格的 近30倍。由此可见，本发明设备大大降低了制造成本。当然以上仅是本发明设备的一种具体应用范例，对本发明设备的保护范围不构成 任何限制。除上述实施例外，本发明设备还可以有其它实施方式。凡采用等同替换或等效 变换形成的技术方案，均落在本发明设备所要求保护的范围之内。
权利要求
一种卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法，其特征在于利用K台具有相同输出功率的连续激光器(101、102)输出K路连续激光束，以不同的入射角度同时聚焦于高速旋转的多棱镜(204)的某个工作面上，所述K路连续激光束经多棱镜(204)扫描后，形成具有不同空间扫描区域的K路扇形反射式扫描光束(301、302)；所述每一路扇形扫描光束依次扫过与其空间扫描区域对应的N/K个独立的聚焦机构时，光束被分光、传输并聚焦于连续运动的水松纸(8)表面，形成沿水松纸宽度方向密集排列的N/K路打孔脉冲激光输出；所述K路扇形扫描光束对应N/K×K＝N个聚焦机构，共输出N路聚焦式脉冲激光，对水松纸同时进行打孔，配合水松纸的连续运动，在水松纸表面形成N排沿其宽度方向排列分布的小孔；其中K≥2，N＝2n，n≥2。
2.根据权利要求1所述的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法，其特征在于按 下述具体步骤对水松纸进行打孔1)预先在K台具有相同输出功率的连续激光器(101、102)的输出光路上对应设置K个 以不同倾斜角度布置的前端聚焦镜，其中K > 2 ；2)调节N个聚焦机构的空间位置，使它们在水松纸(8)的上方沿水松纸(8)长度方向 呈斜线或其他形式密集排列，且调节过程中确保每个聚焦机构的光轴均与水松纸(8)表面 垂直，其中N = 2η，η彡2 ；3)由走纸机构的收卷辊(901)和放卷辊(902)装夹水松纸(8)；4)启动走纸机构，使走纸机构中的收卷辊(901)按设定的转速旋转，带动水松纸(8)连 续运动；5)使K台具有相同输出功率的连续激光器(101、102)输出K路连续激光束，分别经所 述K个前端聚焦镜聚焦后，以不同的入射角度同时聚焦到高速旋转的多棱镜(204)的某个 工作面上，所述K路连续激光束经多棱镜(204)扫描后形成具有不同空间扫描区域的K路 扇形反射式扫描光束(301、302)；6)所述每路扇形扫描光束依次扫过与其空间扫描区域对应的Ν/Κ个独立的聚焦机构 时，光束被分光、传输并聚焦于连续运动的水松纸(8)表面，形成沿水松纸(8)宽度方向密 集排列的Ν/Κ路打孔脉冲激光输出；所述K路扇形扫描光束总共输出N路聚焦式脉冲激光， 对水松纸(8)同时进行打孔，配合水松纸(8)的连续运动，在水松纸表面形成N排沿其宽度 方向排列分布的小孔。
3.根据权利要求1或2所述的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法，其特征在于 所述各聚焦机构均由第一聚焦镜(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)和第二聚焦镜(7) 组成，所述N个第一聚焦镜(4)对应于所述多棱镜(204)的某个工作面呈扇形排列，而所述 N个第二聚焦镜(7)则沿水松纸(8)长度方向呈斜线或其他形式密集排列于水松纸(8)上 方；所述每一路经高速旋转的多棱镜(204)工作面反射的，且具有不同空间扫描区域的扇 形反射式扫描光束依次扫过与其空间扫描区域对应的Ν/Κ个由第一聚焦镜(4)、第一反射 镜(5)、第二反射镜(6)和第二聚焦镜(7)组成的聚焦机构，并经所述Ν/Κ个聚焦机构聚焦 于连续运动水松纸(8)的表面进行打孔。
4.一种实现如权利要求1所述方法的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备，其特 征在于它由K台连续激光器(101、102)、多棱镜分光机构和驱动水松纸(8)连续运动的走纸 机构组成；其中所述多棱镜分光机构由多棱镜(204)、驱动多棱镜(204)旋转的高速电机、与所述K台连续激光器(101、102)输出光束分别对应的K个前端聚焦镜，以及安装在走纸 机构上方且沿水松纸(8)长度方向呈斜线或其他形式密集排列的N个具有聚焦功能的聚焦 机构组成；所述K个前端聚焦镜以不同的倾斜角度布置，可将K台连续激光器(101、102)输 出的K路连续激光束以不同的入射角度同时聚焦于高速旋转的多棱镜(204)的某个工作面 上，其中K彡2，N = 2η，η彡2。
5.根据权利要求4所述的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备，其特征在于所述 每个聚焦机构均由第一聚焦镜(4)、第一反射镜(5)、第二反射镜(6)和第二聚焦镜(7)组 成，所述N个第一聚焦镜(4)对应于所述多棱镜(204)的某个工作面呈扇形排列，而所述N 个第二聚焦镜(7)则沿水松纸(8)长度方向呈斜线或其他形式密集排列于水松纸(8)上 方；并且所述每个聚焦机构的光轴均与水松纸(8)表面垂直。
6.根据权利要求4所述的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备，其特征在于所述 K个前端聚焦镜为反射式聚焦镜或透射式聚焦镜。
7.根据权利要求4所述的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备，其特征在于所述 走纸机构由收卷辊(901)和放卷辊(902)构成，所述水松纸(8)由收卷辊(901)带动旋转。
8.根据权利要求4所述的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备，其特征在于多棱 镜(204)的一侧与高速电机转轴相连，并且所述多棱镜(204)的面数M = 6 120。
9.根据权利要求4所述的卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔设备，其特征在于所述 连续激光器为功率在50 4000瓦的连续激光器。
全文摘要
本发明公开了一种卷烟接装纸多激光器并联式激光打孔方法，其利用K台具有相同输出功率的连续激光器输出K路连续激光束，以不同的入射角度同时聚焦于高速旋转的多棱镜的某个工作面上，经多棱镜扫描形成具有不同空间扫描区域的K路扇形反射式扫描光束；每路扇形扫描光束依次扫过与其空间对应的N/K个独立的聚焦机构，光束被分光、传输并聚焦于连续运动的水松纸表面，形成沿水松纸宽度方向密集排列的N/K路聚焦式脉冲激光，对水松纸同时进行打孔，配合水松纸的连续运动，总共在水松纸表面形成N排沿其宽度方向排列分布的小孔；其中K≥2，N＝2n，n≥2。本发明提高加工效率的同时，降低了生产成本。
文档编号B23K26/00GK101804507SQ20101014092
公开日2010年8月18日 申请日期2010年4月2日 优先权日2010年4月2日
发明者孙长东, 王焄, 陈培锋 申请人:苏州市博海激光科技有限公司