CN107097394B - 基于刻印辅助定位的膜厚控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，在处理单元的指令下，辅助定位模块中的强度调节部、调焦部和驱动部共同控制执行机构动作，使刻印子单元在铸片的预设位置上刻印出V形或U形缺口印记，基于采集模块所采集数据，处理模块计算获取薄膜厚度和挤出机模头各螺栓的位置，并分别通过变频器和模头调节器控制挤出机转速和模头的开度。本发明通过印记刻印和剖面数据处理，分析处理得到厚度参数，能快速对模头螺栓进行准确定位，从而通过唇口开度和挤出速度调节达到薄膜横纵向厚度的均匀，且辅助定位过程所需的刻印量少。

Description

基于刻印辅助定位的膜厚控制方法

技术领域

本发明涉及薄膜制造技术领域，具体涉及一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法。

背景技术

BOPP薄膜即双向拉伸聚丙烯薄膜是由双向拉伸所制得的，它是经过物理、化学和机械等手段特殊成型加工而成的塑料产品。BOPP生产线是一个非线性复杂系统。其工艺流程主要包括：原料熔融、挤出、冷却成型、纵向拉伸、横向拉伸、切边、电晕处理、卷取等。

作为BOPP薄膜产品质量指标的物理机械性能如拉伸强度、断裂伸长率、浊度、光泽等，因主要决定于材料本身的属性，所以都易达到要求。而作为再加工性和使用性能的主要控制指标，即薄膜厚度偏差和薄膜平均厚度偏差，则主要决定于薄膜的制造过程。即使制造过程中薄膜厚度控制在在标准允许的偏差范围内，但经数千层膜收卷累计后，厚度偏差大的位置上就可能形成箍、暴筋或凹沟等不良缺陷，这些缺陷直接影响到用户的再加工使用，如彩印套色错位或涂胶不匀起皱等现象，使其降低或失去使用价值。所以BOPP 薄膜生产中最关键的质量间题是如何提高和稳定薄膜厚度精度。

薄膜厚度控制基于对厚度的实时检测，如申请号为2014201577223的中国专利通过X射线扫描获得薄膜厚度后，分别采用两个PID调节器来进行薄膜横向和纵向厚度的控制，申请号为2007201517097的中国专利也采用了类似的方法，其同时指出，为了得到厚度均匀的薄膜，必须要实现厚度测量值和测量位置精确定位。申请号为2014204575910的中国专利则通过定边装置来进行基膜的对齐。

国内BOPP薄膜制造生产线的在线薄膜厚度控制系统与厚度检测仪很多是成套从国外引进，测厚仪的数据需要人工在操作界面上进行螺栓对应定位才能为控制系统提供有效的厚度数据。目前，对测厚仪输出的厚度数据进行螺栓对应的常用方法主要有以下两种，一是在不同螺栓处划线做记号，然后在测厚仪扫描架上找到对应的地方，以确定螺栓的位置；二是在用测厚仪检测剖面的同时，也测量出膜幅的实际宽度，参照模头的宽度来计算薄膜的缩颈量，进而对模头螺栓进行对应。这两种方法均需要人工根据实际生产情况进行辅助标识、测量和判断，人工判断不但不精确，也无法稳定。由于缺乏对薄膜剖面的连续准确定位，薄膜的厚度控制效果及所生产产品的质量往往受到影响。为此，需要解决膜厚控制中对测厚仪输出的薄膜剖面厚度曲线进行螺栓辅助自动定位的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种膜厚控制方法，能在控制过程的开始阶段辅助测厚仪对螺栓进行测厚定位，通过在挤出成型的铸片预设位置上刻印印记后，对测厚仪输出的薄膜剖面厚度曲线进行采集和分析处理，获取印记位置，从而对挤出机模头螺栓进行准确定位，定位后周期性地处理获取标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合，并基于该集合进行薄膜横向和纵向的厚度一致性控制。

本发明的技术解决方案是，提供一种能辅助测厚仪对螺栓进行测厚定位的膜厚控制方法，其包括以下步骤：

a)薄膜原料熔体从挤出机挤出后经冷却成型单元固化为铸片，铸片经拉伸单元拉伸为宽卷薄膜，在所述拉伸之前和之后分别通过第一测厚仪及第二测厚仪对所述铸片和宽卷薄膜进行厚度检测，所检测到的薄膜剖面厚度曲线数据经监测控制单元中的采集模块转送到处理模块；

b)执行机构中的刻印子单元在由挤出机挤出后冷却成型的铸片上刻印V 形或U形缺口印记；

c)通过对薄膜剖面厚度曲线数据中缺口印记的判识计算挤出机模头各螺栓的位置；

d)基于处理模块输出的标记有模头螺栓位置的实时薄膜剖面厚度值集合，控制模块分别通过变频器和模头调节器控制挤出机转速和模头的开度。

作为优选，所述刻印是在处理模块的指令下，由辅助定位模块中的强度调节部、调焦部和驱动部共同控制执行机构动作而实现。

作为优选，所述刻印子单元设置在用来将从挤出机挤出的薄膜原料熔体贴在激冷辊上的主气刀的前方，其所刻印的印记由多个深度不同的矩形刻槽组成。

作为优选，还通过一个同步子模块为驱动部提供刻印开始的时间信息，使得所有的所述矩形刻槽均能被测厚仪检测到。

作为优选，所述薄膜剖面厚度曲线数据以薄膜剖面图像形式表达，所述图像中包括分别以不同颜色表示的一条膜厚曲线、坐标轴和与坐标轴平行的辅助线。

作为优选，所述控制模块包括控制器1和控制器2，所述控制器2通过模头调节器以占空比的方式来控制模头螺栓固态继电器的通断，从而通过控制螺栓的温度来调节该螺栓所在模头段的开度，以实现该螺栓所对应薄膜区段的厚度调节；所述控制器1以调节变频器的方式来控制挤出机的转速，从而通过控制挤出量来实现薄膜整体平均厚度的调节。

作为优选，所述刻印子单元包括两个其刻印头分别与挤出机模头两端部螺栓位置相固定连接的刻印模块，所述刻印模块采用激光刻印模块。

作为优选，所述刻印子单元包括一个与挤出机模头唇口平行的导轨以及一个刻印模块，所述刻印模块包括一个可沿所述导轨移动的刻印头，所述导轨上有多个与模头螺栓有固定位置关系的停靠点，所述刻印模块采用激光刻印模块。

作为优选，所述刻印子单元刻印的印记最大深度为所刻印铸片厚度的 0.05至0.1倍。

采用本发明的方案，与现有技术相比，具有以下优点：本发明应用于 BOPP生产的薄膜厚度在线控制，通过分析计算获得薄膜横向剖面厚度曲线上各点的厚度值，在铸片的两个或多个与模头两端螺栓相对固定的预设位置上进行深槽刻印，从而在薄膜剖面厚度曲线上定位出所有螺栓位置，实现了对薄膜厚度测量的螺栓辅助定位，有效防止了人为判断错误的影响，通过反馈控制实现了BOPP薄膜的横向厚度均匀性和纵向厚度一致性，提高了薄膜成品质量。

附图说明

图1为应用了本发明的膜厚控制系统的结构示意图；

图2为辅助定位模块的结构示意图；

图3为刻印子单元及挤出机模头局部结构示意图；

图4为刻印子单元刻印头及周边局部结构示意图图；

图5为BOPP生产中测厚仪显示界面图；

图6为处理模块的提取目标曲线数据流程图；

图7为刻印印记示意图；

图8为刻槽群结构示意图；

图9为矩形刻槽结构示意图；

图10为刻印工作流程图；

图11为BOPP薄膜厚度控制流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精神和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。

为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。需说明的是，附图均采用较为简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

如图1和2所示，应用了本发明的膜厚控制系统包括：挤出单元1、冷却成型单元2、拉伸单元3、测厚单元4、监测控制单元5和收卷单元6，其中挤出单元1包括挤出机7，在挤出机前端有模头8，拉伸单元3包括纵拉模块9和横拉模块10，测厚单元4则包括第一测厚仪401及第二测厚仪402，监测控制单元5包括采集模块11、处理模块12、辅助定位模块13、控制模块14、模头调节器15和变频器16。

薄膜原料从挤出机7的投料口投入后熔融为熔体从模头8挤出，再经冷却成型单元2固化为铸片，铸片经拉伸单元3拉伸为宽卷薄膜后由收卷单元 6收存为母卷，后续按订单要求对母卷进行分切和包装。由于厚度对产品质量起着至关重要的作用，因此，在BOPP薄膜生产中往往用两台测厚仪分别对铸片和宽卷薄膜进行厚度实时监测，两台测厚仪均可对外输出剖面的厚度数据集，同时它们均还连接显示器以显示铸片或宽卷薄膜的剖面图像。两台测厚仪中前面对铸片测厚的那一台在薄膜初拉出时使用，等到后面第二测厚仪投入后便暂停使用。

如图2所示，所述膜厚控制系统中的辅助定位模块13，其包括强度调节部133、调焦部134、驱动部132、执行机构135。作为优选，辅助定位模块 13还包括同步子模块131，通过该子模块的同步可以仅在测厚仪扫描到刻印位置的时间片内才需要进行刻印，从而大大减少刻印量。

结合图2和图3所示，辅助定位模块13，还包括固定于机架17的支架 138，所述执行机构135包括一个刻印子单元136。挤出机7的模头8包括上下两个唇片81，唇片之间形成唇口83，唇口开度大小由横向排列的加热螺栓 82来调节。所述刻印子单元136采用激光刻印模块，其在由挤出机挤出后冷却成型的铸片的预设位置上刻印出V形或U形缺口印记。

作为优选，该刻印子单元136设置为两个，它们的刻印头分别与模头两端部螺栓位置相固定，如可以使得刻印头基座或其基准位置与两端部第一个或第二个的螺栓中心线沿唇口垂线对齐且严格固定，使其基座或其基准位置在横向方向上不能移位。

作为优选，还可以仅设置一个刻印子单元136，但在支架138上设置一个与模头唇口平行的导轨137，刻印子单元136的刻印头可沿此导轨横向移动，且该导轨上有多个与模头螺栓有固定位置关系的停靠点，从而可以在铸片的多个预设横向位置上形成一个V形或U形缺口印记。

图4为刻印子单元刻印头及周边局部结构示意图图，其中，图4a为侧视图，图4b为正视图。结合图2至图4所示，BOPP薄膜生产线中，挤出机7 之后有冷却成型单元2，其中包括激冷辊21、主气刀22等模块，挤出的熔体离开挤出机模头8的唇片后，在主气刀22等的外力作用下，迅速贴在低温、高光洁度的激冷辊21上，熔体被快速冷却并形成固体厚片即铸片，刻印子单元136设置在沿熔体前进方向上主气刀22的前方。

结合图1、图2和图4所示，铸片经拉伸牵引后形成宽卷薄膜，期间通过测厚单元4对其进行厚度检测；采集模块11从测厚仪获取薄膜剖面厚度曲线数据，由处理模块12进行处理后向强度调节部133、调焦部134并通过同步模块131向驱动部132发出指令信息，由所述强度调节部133、调焦部134 和驱动部132控制执行机构135动作，刻印子单元136基于执行机构135的动作在快速冷却成型的铸片上进行刻印。

采集模块所采集到的薄膜剖面厚度曲线数据，可以是按某种格式排列的数值串，也可能是以薄膜剖面图像形式呈现的，如一般测厚仪是以VGA图像输送给显示器的。如图5所示，在以图像形式采集的薄膜剖面数据即薄膜剖面图像中，分别有两幅剖面厚度曲线图和一些字符信息；其中，A区域表示薄膜厚度曲线横坐标轴对应的厚度基准值35.5um及曲线画面中坐标系的纵向坐标刻度值5％；C区域为表述当前薄膜剖面的目标厚度曲线，其坐标轴按A区域的描述进行设定，坐标系中还含有与坐标轴平行的辅助线；B区域中AVG＝35.51um是指C区域曲线所显示的当前薄膜剖面的厚度平均值， R＝2.83％则是曲线上下波动的统计极差值。

结合图5至图6所示，厚度控制过程中，处理模块要输出标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合，由于其所依据的薄膜剖面图像有着上述区块特征，因此，本发明的处理模块，内设曲线分割子块，从系统中读取或从图像中提取出一条连续完整且无交叉的膜厚曲线，并根据从系统预设值中离线读取的参考值，对该曲线上每个点，将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值。

如图6所示，曲线分割子块针对图5中的C区域，首先对目标图像进行灰度化和滤波处理，再根据颜色分量和坐标特征获取非连续膜厚曲线图像g1 和辅助点阵图像g2；其次，进行分层阈值分割，即对两幅图像g1和g2，分别进行Otsu阈值分割和双阈值分割后得到二值化图像g1′和g2′；然后，将g1′和g2′二者相合并生成一条连续完整且无交叉的膜厚曲线图像g；最后，根据所获取的所述基准厚度值、坐标刻度值、厚度平均值，对所生成膜厚曲线上每个点，将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值。

在得到薄膜剖面各点厚度值后，需要对膜厚曲线进行螺栓位置标识才能进行有效的膜厚控制，但传统的螺栓位置标识需要人工来定位，这必将引入偏差。为此，本发明通过在铸片的特定位置上进行刻印并对印记进行检测判识。

结合图1、图7至9所示，测厚仪输出的剖面厚度曲线的横向采样密度足够高，当刻印子单元在铸片上形成V形或倒抛物线的U形缺口印记时，由于刻印头基座与螺栓的固定位置关系如刻印时使得印记的中心点与螺栓中心线沿唇口垂线对齐，经采集模块11采集厚度曲线，处理单元12通过对所述曲线的极值点搜索和判断，将获得模头螺栓在曲线上的准确定位。此定位最少需要两个，假设第U1和U2两个螺栓对应的两个定位端点在厚度曲线的横轴坐标分别为X1和X2，则可以获得其他螺栓的定位。对第Uk个螺栓，其对应的横轴坐标Xk为：

其中，Round()为四舍五入取整函数。式(1)中输出的螺栓横轴坐标为整数值。

作为优选，也可以采用如下(Xk′，h′(k))数对来表示，其中：

h′(k)＝h(Xk′)+(h(Xk2′)-h(Xk′))·(Rk-Xk′) (3)

其中，fix()为取整数部分函数，Xk2′为Xk′+1。

如图7所示，以V形缺口印记为例，印记整体深度Lz设定为所刻印铸片厚度的0.05至0.1倍。

为了刻印出所述印记，可以选择一次性形成，或用多次叠加的形成方法。如果用一次性形成法，需要较大功率的刻印模块，且若连续在同一横向位置刻印，对铸片本身可能造成一些影响。为此，选择如图8所示的刻槽群形成法，假设薄膜以Vy速度向下移动，刻槽群中的刻槽印记以Vx速度进行横向来回移动，如图中所示的刻槽群形成为V形印记的右半部分，即刻槽群总共含N＝2k个矩形刻槽。

结合图7至9所示，宽度Lx设定为一个值，使得能从测厚仪获得的剖面厚度曲线上获得足够多的点，如在Lx范围内，可采样出NS＝2N个点。作为优选，可以设定Lx为与Lz在相同数量级上。每个矩形刻槽的宽度dx和深度增量dz分别为印记整体宽度Lx和深度Lz的1/k，而其长度dy则可以选择为：

使得相邻矩形刻槽在纵向上相邻或部分重合，从而使得同步后测厚仪能连续检测到矩形刻槽。

如图10所示为本发明中刻印工作流程图，整个刻槽群周期为Tq，测厚仪单程从一边移动到另一边的时间等于Tq的整数倍。系统初始化后，从t0 时刻开始刻印V形刻槽群，每个矩形刻槽的刻印周期为Tr，且Tr＝Tq/k。每刻印一个矩形刻槽，都要判断是否已将k个刻槽刻印完毕，如果是，则等待下一刻槽群周期的到来，否则，要准备下一次刻印：刻印头复位准备、驱动部控制执行机构中的精密运动模块进行工位准备、强度调节部配合进行刻印功率的调整、调焦部改变聚焦点的高度，待到下一刻印周期Tr到来后，刻印当前矩形刻槽。刻印时，执行机构的运动模块要对薄膜移动进行纵向速度补偿。刻印在铸片上的印记随铸片被牵引后被测厚仪检测到，并通过同步子模块进行同步。

由于刻印子单元刻印的印记由多个深度不同的矩形刻槽组成，为了使得所有这些刻槽均能被测厚仪检测到，通过同步子模块为驱动部提供刻印开始时刻的对齐。同步后，在测厚仪的一个单程扫描时间内，仅需要刻印一个刻槽群，即所刻印的N个刻槽叠加后从正面看形成一个V形或U形缺口印记，就能实现辅助定位。

结合图1和图11所示，本发明的BOPP薄膜厚度控制流程为：

(L1)在熔体挤出后，刻印子单元在铸片的预设横向位置上形成V形或 U形缺口印记，铸片在拉伸前后由测厚仪进行厚度检测，生成薄膜剖面图像；

(L2)监测控制单元中的采集模块采集薄膜剖面图像，由处理模块对该图像进行处理分析，获得标记有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值集合，其中模头螺栓位置通过刻印和检测、计算获取；

(L3)对所述的厚度值集合的每个元素，取第k个数据，将其厚度值与产品厚度预设值进行比较获得点偏差值，该值送控制模块的控制器2，由控制器2进行PID控制，输出控制量通过模头调节器调节本螺栓加热波形的占空比，从而调节本段模头唇口的开度；

(L4)对L2中获得的所述厚度值集合，计算本周期内薄膜剖面厚度平均值，将其与产品厚度预设值进行比较获得本周期整体厚度偏差值，该值送控制模块的控制器1，由控制器1进行PID控制，输出控制量调节变频器，改变挤出机转速，从而调节模头整体单位时间内的挤出流量即挤出速度；

(L5)等待下一周期定时到来，回到步骤L2。

在以上控制过程中，控制器2将厚度偏差转换为温度补偿值，通过模头调节器以占空比的方式来控制加热控制通道上固态继电器的通断，从而控制当前模头螺栓的温度。由于金属的热胀冷缩性质，当加热器导通时铸片唇口的缝隙压缩，这样铸片唇口的薄膜厚度会逐渐减小，反之则增加。

控制器1周期性地对横向上薄膜厚度数据取平均值，折算为单位时间挤出量，与产品厚度设定值对应的挤出量相比较，得出挤出量偏差，再转变成电机速度补偿量，通过改变变频器的输入量来控制主挤出机的转速。当电机转速增加时，挤出机模头唇口的熔体流量增加，压力增大，相应铸片及拉伸后的薄膜整体厚度会逐渐增加。

控制模块还包括控制纵拉、横拉及收卷单元中各辊筒的速度与温度的子模块，其根据生产膜厚按照预设的工艺参数进行调节。

本发明基于刻印辅助定位的膜厚控制方法通过刻印和检测，能对模头螺栓进行准确定位，所获得标记有所有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值数对集合，传送给控制器进行薄膜厚度控制，调节模头唇口开度和挤出速度，以使生产中薄膜的横向和纵向厚度均保持一致和稳定。

除此之外，虽然以上将实施例分开说明和阐述，但涉及部分共通之技术，在本领域普通技术人员看来，可以在实施例之间进行替换和整合，涉及其中一个实施例未明确记载的内容，则可参考有记载的另一个实施例。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，其包括以下步骤：

a)薄膜原料熔体从挤出机挤出后经冷却成型单元固化为铸片，铸片经拉伸单元拉伸为宽卷薄膜，在所述拉伸之前和之后分别通过第一测厚仪及第二测厚仪对所述铸片和宽卷薄膜进行厚度检测，所检测到的薄膜剖面厚度曲线数据经监测控制单元中的采集模块转送到处理模块；

b)执行机构中的刻印子单元在由挤出机挤出后冷却成型的铸片上刻印V形或U形缺口印记；

其中，所述刻印子单元设置在用来将从挤出机挤出的薄膜原料熔体贴在激冷辊上的主气刀的前方，其所刻印的印记由多个深度不同的矩形刻槽组成，且所述刻印子单元的刻印头基座与挤出机模头螺栓有固定位置关系；

c)处理模块通过对所述曲线的极值点搜索和判断，计算挤出机模头各螺栓的位置；

d)基于处理模块输出的标记有模头螺栓位置的实时薄膜剖面厚度值集合，控制模块分别通过变频器和模头调节器控制挤出机转速和模头的开度。

2.根据权利要求1所述的一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，其特征在于，所述刻印是在处理模块的指令下，由辅助定位模块中的强度调节部、调焦部和驱动部共同控制执行机构动作而实现。

3.根据权利要求1所述的一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，其特征在于，所述薄膜剖面厚度曲线数据以薄膜剖面图像形式表达，所述图像中包括分别以不同颜色表示的一条膜厚曲线、坐标轴和与坐标轴平行的辅助线。

4.根据权利要求1所述的一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，其特征在于，所述控制模块包括控制器1和控制器2，所述控制器2通过模头调节器以占空比的方式来控制模头螺栓固态继电器的通断，从而通过控制螺栓的温度来调节该螺栓所在模头段的开度，以实现该螺栓所对应薄膜区段的厚度调节；所述控制器1以调节变频器的方式来控制挤出机的转速，从而通过控制挤出量来实现薄膜整体平均厚度的调节。

5.根据权利要求1所述的一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，其特征在于，所述刻印子单元包括两个其刻印头分别与挤出机模头两端部螺栓位置相固定连接的刻印模块，所述刻印模块采用激光刻印模块。

6.根据权利要求1所述的一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，其特征在于，所述刻印子单元包括一个与挤出机模头唇口平行的导轨以及一个刻印模块，所述刻印模块包括一个可沿所述导轨移动的刻印头，所述导轨上有多个与模头螺栓有固定位置关系的停靠点，所述刻印模块采用激光刻印模块。

7.根据权利要求1所述的一种基于刻印辅助定位的膜厚控制方法，其特征在于，所述刻印子单元刻印的印记最大深度为所刻印铸片厚度的0.05至0.1倍。

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