一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统及方法与流程

本发明涉及塑料瓶吹塑成型，具体为一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统及方法。

背景技术：

1、在现有的塑料瓶（特别是pet瓶）吹塑成型生产线中，瓶坯的加热普遍采用多排卤素灯管组成的加热炉。该技术存在能耗高、升温慢、温度均匀性差、难以精确控制等固有缺陷。

2、为解决上述问题，现有技术中尝试采用激光光源替代传统卤素灯。例如，有技术方案提出利用旋转机构带动激光头对单个瓶坯进行环向扫描加热。此类方案可改善环向温度均匀性，但由于其加工方式属于“准静态”或“低速”过程，难以适应现代高速连续生产线的需求。

技术实现思路

1、为克服上述现有技术加热效率低、控温精度低的不足，本发明提供一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统及方法，通过“面光斑预热+振镜分区控温”的组合，实现了加热效率与控温精度的完美平衡，进而实现从低温到高温全过程的高效、节能、精准的分段加热。

2、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，包括主控制系统及与所述主控制系统连接的光源装置、光束整形与匀化系统、两段式传送机构、温度检测单元以及高速振镜扫描系统；在预热加热段，各个塑料瓶坯以预设小间距排列前行，主控制系统控制光源装置发出激光束，激光束经光束整形与匀化系统进行光束整形与匀化后，形成一个大面积矩形匀化光斑，以对各个塑料瓶坯进行预热；在过渡段，主控制系统控制两段式传送机构的变节距装置将相邻塑料瓶坯的间距从预设小间距动态拉大至预设大间距；在控温加热段，温度检测单元实时监测间距拉大后的各个塑料瓶坯表面的温度分布数据，并将温度分布数据反馈至主控制系统，主控制系统根据预设的温度分布模型，控制高速振镜扫描系统依次对保持前行状态的每一塑料瓶坯的不同区域进行差异化加热。

3、进一步地，所述两段式传送机构还包括前段传送轨道、后段传送轨道以及同步旋转单元，所述变节距装置位于前段传送轨道和后段传送轨道之间，所述前段传送轨道用于在预热加热段传送各个塑料瓶坯，所述后段传送轨道用于在控温加热段传送各个塑料瓶坯；所述前段传送轨道和后段传送轨道上均设有同步旋转单元，以驱动各个塑料瓶坯在通过预热加热段和控温加热段时均保持自转。

4、进一步地，所述变节距装置将相邻塑料瓶坯的间距从20mm45mm动态拉大至100300mm。

5、进一步地，所述光源装置包括一台或多台高功率激光器，当所述光源装置包括多台高功率激光器时，多台高功率激光器沿垂直于传送方向的方向并排设置。

6、进一步地，所述光束整形与匀化系统包括一个或者多个第一光束整形单元，各个高功率激光器分别连接独立的第一光束整形单元，各个第一光束整形单元输出的子光斑在空间上相邻或部分重叠，共同构成所述大面积矩形匀化光斑。

7、进一步地，所述大面积矩形匀化光斑为面积大于200cm²、能量均匀度不低于90%的匀化光斑。

8、进一步地，所述光束整形与匀化系统包括非球面透镜组、微透镜阵列和衍射光学元件，所述非球面透镜组用于对激光束进行准直和像差校正；所述微透镜阵列用于将激光束分割并重叠叠加；所述衍射光学元件用于将激光束进行光斑整形和均匀化。

9、进一步地，每一第一光束整形单元包括非球面透镜组、微透镜阵列、衍射光学元件中的一种或多种组合。

10、进一步地，所述高速振镜扫描系统包括x-y轴电动振镜、f-theta透镜和第二光束整形单元，所述f-theta透镜将所述x-y轴电动振镜的角度变化变成扫描平面的线性光斑移动；所述第二光束整形单元用于将激光转化为均匀、可控的光斑形状。

11、根据本发明说明书的一方面，提供一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热方法，采用所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统实现，所述加热方法包括：在预热加热段，控制光源装置发出激光束，并控制光束整形与匀化系统对所述激光束进行整形与匀化，以形成大面积矩形匀化光斑，进而对各个塑料瓶坯进行预热；其中，各个塑料瓶坯在预热加热段以预设小间距排列前行；在过渡段，控制两段式传送机构的变节距装置将相邻塑料瓶坯的间距从预设小间距动态拉大至预设大间距；在控温加热段，控制温度检测单元实时监测间距拉大后的各个塑料瓶坯表面的温度分布数据，并根据所述温度分布数据和预设的温度分布模型，控制高速振镜扫描系统依次对保持前行状态的每一塑料瓶坯的不同区域进行差异化加热。

12、上述技术方案，该加热系统采用分段式加热策略，具体地，在预热加热段，各个塑料瓶坯紧密排列前行，主控制系统控制光源装置发出激光束，激光束经光束整形与匀化系统进行光束整形与匀化后，形成一个超大面积矩形匀化光斑，以实现塑料瓶坯的快速预热。在过渡段，控制两段式传送机构的变节距装置将相邻塑料瓶坯的间距动态拉大，以使各个塑料瓶胚在控温加热段以更大的间距前行。在控温加热段，温度检测单元实时监测间距拉大后的各个塑料瓶坯表面的温度分布数据，并将温度分布数据反馈至主控制系统，主控制系统根据预设的温度分布模型，控制高速振镜扫描系统依次对保持前行状态的每一塑料瓶坯的不同区域进行差异化、动态的精准加热，实现边走边精准控温加热。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

14、（1）完全替代卤素灯：实现加热系统的“激光化”升级。

15、（2）分段式高效加热：前段“面光斑”实现高效预热，后段“振镜”实现精准控温，兼顾效率与精度。

16、（3）差异化温度分布：可根据瓶型需求，精确控制不同区域的最终温度，优化吹塑质量。

17、（4）高速连续生产：通过“变节距”的传送设计，使各个塑料瓶胚在控温加热段以更大的间距前行，利用高速振镜扫描系统设计加热路径，以实现边走边精准控温加热（即飞行加热），适应高速生产线。

18、（5）节能高效：激光加热效率远高于卤素灯，且精准控温避免了能量浪费。

19、（6）通用性强：通过选择合适波长，可适用于pet、pp、pc、hdpe等多种热塑性塑料。

20、（7）系统灵活：光源装置可采用单台或多台激光器，适应不同产能需求。

1.一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，包括主控制系统及与所述主控制系统连接的光源装置、光束整形与匀化系统、两段式传送机构、温度检测单元以及高速振镜扫描系统；在预热加热段，各个塑料瓶坯以预设小间距排列前行，主控制系统控制光源装置发出激光束，激光束经光束整形与匀化系统进行光束整形与匀化后，形成一个大面积矩形匀化光斑，以对各个塑料瓶坯进行预热；在过渡段，主控制系统控制两段式传送机构的变节距装置将相邻塑料瓶坯的间距从预设小间距动态拉大至预设大间距；在控温加热段，温度检测单元实时监测间距拉大后的各个塑料瓶坯表面的温度分布数据，并将温度分布数据反馈至主控制系统，主控制系统根据预设的温度分布模型，控制高速振镜扫描系统依次对保持前行状态的每一塑料瓶坯的不同区域进行差异化加热。

2.根据权利要求1所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，所述两段式传送机构还包括前段传送轨道、后段传送轨道以及同步旋转单元，所述变节距装置位于前段传送轨道和后段传送轨道之间，所述前段传送轨道用于在预热加热段传送各个塑料瓶坯，所述后段传送轨道用于在控温加热段传送各个塑料瓶坯；所述前段传送轨道和后段传送轨道上均设有同步旋转单元，以驱动各个塑料瓶坯在通过预热加热段和控温加热段时均保持自转。

3.根据权利要求2所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，所述变节距装置将相邻塑料瓶坯的间距从20mm45mm动态拉大至100300mm。

4.根据权利要求1所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，所述光源装置包括一台或多台高功率激光器，当所述光源装置包括多台高功率激光器时，多台高功率激光器沿垂直于传送方向的方向并排设置。

5.根据权利要求4所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，所述光束整形与匀化系统包括一个或者多个第一光束整形单元，各个高功率激光器分别连接独立的第一光束整形单元，各个第一光束整形单元输出的子光斑在空间上相邻或部分重叠，共同构成所述大面积矩形匀化光斑。

6.根据权利要求5所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，所述大面积矩形匀化光斑为面积大于200cm²、能量均匀度不低于90%的匀化光斑。

7.根据权利要求6所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，所述光束整形与匀化系统包括非球面透镜组、微透镜阵列和衍射光学元件，所述非球面透镜组用于对激光束进行准直和像差校正；所述微透镜阵列用于将激光束分割并重叠叠加；所述衍射光学元件用于将激光束进行光斑整形和均匀化。

8.根据权利要求7所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，每一第一光束整形单元包括非球面透镜组、微透镜阵列、衍射光学元件中的一种或多种组合。

9.根据权利要求1所述一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统，其特征在于，所述高速振镜扫描系统包括x-y轴电动振镜、f-theta透镜和第二光束整形单元，所述f-theta透镜将所述x-y轴电动振镜的角度变化变成扫描平面的线性光斑移动；所述第二光束整形单元用于将激光转化为均匀、可控的光斑形状。

10.一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热方法，其特征在于，采用权利要求1至9中任一项权利要求所述的一种基于激光的塑料瓶坯全工序精准加热系统实现，所述加热方法包括：