CN107202563A - 基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其包括采集单元、处理单元，以及强度调节单元、调焦单元、驱动单元、执行机构和数据输出单元，执行机构中刻印单元的刻印头与挤出机模头螺栓有固定位置关系，通过在铸片的预设位置上刻印出V形或U形缺口印记，然后对测厚仪输出的薄膜剖面厚度曲线进行分析处理，获得厚度曲线上各点的厚度值，又基于缺口极值点对模头螺栓进行准确定位。本发明通过印记刻印和剖面数据处理，实现对薄膜厚度的实时监测，为膜厚控制提供了有效依据，能警示膜厚异常数据，且辅助定位所需的刻印量少。

Description

基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统

技术领域

本发明涉及薄膜制造技术领域，具体涉及一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统。

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、时变、大延迟的复杂系统。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。

薄膜厚度检测技术主要采用红外线、X射线、β射线等的透射式检测方式。如申请号为2012204848603的中国专利通过对激光透射图像的分析来判断被检薄膜的厚度，申请号为2012202105502的中国专利则通过红外检测来获得薄膜厚度。申请号为2007201517097的中国专利采用了X射线的方法，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。

目前，为实时监测薄膜厚度，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监测，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，需要解决通过对挤出机模头螺栓准确定位来对薄膜剖面厚度进行有效监测的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能辅助测厚仪对螺栓进行测厚定位的监测系统，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，输出薄膜剖面各点厚度值，并在厚度曲线上标记各模头螺栓位置，用来对BOPP薄膜生产进行在线式薄膜厚度监测。

本发明的技术解决方案是，提供一种以下结构的基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其包括采集单元、处理单元，以及强度调节单元、调焦单元、驱动单元、执行机构和数据输出单元；

所述采集单元从测厚仪采集薄膜剖面厚度曲线数据后传送给处理单元；

所述处理单元分析、计算出各点薄膜厚度和挤出机模头各螺栓的位置；

所述执行机构包括一个刻印单元，在处理单元的指令下，强度调节单元、调焦单元和驱动单元共同控制执行机构动作，使所述刻印单元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；

所述数据输出单元输出剖面各点厚度值，在厚度曲线上标记各模头螺栓位置，并在厚度值超出预先设置的范围时发出警示。

作为优选，所述刻印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，其还包括一个同步单元，所述同步单元为驱动单元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，所述剖面厚度曲线数据是测厚仪输出并能显示在一显示器上的薄膜剖面厚度图像，所述图像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，所述刻印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：本发明应用于薄膜生产在线厚度的实时监测，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位置的自动准确定位，有效防止了人为判断错误的影响，为进行薄膜厚度一致性控制提供了实时有效依据。

附图说明

图1为BOPP生产工艺流程示意图；

图2为本发明基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统的结构示意图；

图3为刻印单元及挤出机模头局部结构示意图；

图4为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为处理单元提取目标曲线数据流程图；

图7为膜厚曲线对比图；

图8为薄膜厚度值实时监测的统计结果；

图9为刻印印记示意图；

图10为刻槽群结构示意图；

图11为矩形刻槽结构示意图；

图12为刻印工作流程图。

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所示，BOPP生产从原材料熔融开始，经挤出成型为厚片即铸片，铸片再经纵向和横向拉伸展宽展薄为宽卷薄膜，然后在牵引过程中进行切边和电晕等处理，最后收卷为大母卷，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，本发明基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统100，其包括采集单元110、处理单元120，以及强度调节单元140、调焦单元150、驱动单元160、执行机构170和数据输出单元180。

作为优选，本发明监测系统还包括同步单元130，通过该单元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，本发明基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统100，还包括固定于机架200的支架190，执行机构170包括一个刻印单元。挤出机300的模头包括上下两个唇片310，唇片之间形成唇口330，唇口开度大小由横向排列的加热螺栓320来调节。所述刻印单元采用激光刻印模块 171，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，该刻印模块171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模块171，但在支架190上设置一个与模头唇口平行的导轨191，刻印模块171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为本发明中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300之后有冷却成型单元500，其中包括激冷辊501、主气刀502等模块，挤出的熔体离开挤出机300的模头唇片后，在主气刀502等的外力作用下，迅速贴在低温、高光洁度的激冷辊501上，熔体被快速冷却并形成固体厚片即铸片，刻印模块171设置在沿熔体前进方向上主气刀502的前方。

结合图1和图4所示，铸片经拉伸牵引后形成宽卷薄膜，期间通过测厚仪400对其进行厚度检测；采集单元110从测厚仪400获取薄膜剖面厚度曲线数据，由处理单元120进行处理后向强度调节单元140、调焦单元150并通过同步单元130向驱动单元160发出指令信息，由所述强度调节单元140、调焦单元150和驱动单元160控制执行机构170动作，刻印单元的刻印模块 171基于执行机构170的动作在快速冷却成型的铸片上进行刻印。数据输出单元180根据所输往对象的要求，将计算获得的各点厚度值及各螺栓位置输出，同时可以通过监视显示器181对膜厚曲线和数据进行实时显示，并在厚度值超出预先设置的范围时通过报警模块182发出警示。

采集单元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％，这些值在测厚仪设定时确定；B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。

结合图5至图6所示，有效的厚度监测要为生产控制系统提供各螺栓位置及其在薄膜剖面上对应的厚度值，由于所采集到的薄膜剖面图像有着上述区块特征，因此，本发明膜厚监测系统的处理单元，内设膜厚数据提取模块，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，膜厚数据提取模块针对图5中的B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，根据离线读取的基准厚度值、坐标刻度值，对所生成膜厚曲线上每个点，按以下方法将其在图像中的像素坐标变换为所对应的厚度值：

t_i＝h(i)＝t_J+(m_y-m_y₀)/w*1％ (1)

R＝(max(m_y)-min(m_y))/w*1％ (3)

式中，h()为厚度映射，t_J为基准值，t_i为第i个像素点对应的厚度值， m_y为其像素纵坐标，m_y₀为横坐标轴的像素纵坐标，N为提取的像素点总个数，w为曲线图像中纵坐标方向上每1％刻度长对应的像素个数。

如图7所示为膜厚曲线对比图，其中，图7a为一条实际厚度曲线与膜厚数据提取模块所提取曲线的对比图，图7b为图7a的局部放大图。从图中可以看出，所提取曲线与原厚度曲线高度吻合。

图8给出了本发明膜厚监测系统对图5所示的薄膜剖面厚度情况进行实时监测获取的薄膜厚度数据，其中厚度均值与厚度值用来作为后续的控制输入信号，厚度极差值则是一个用作辅助提示的指标。从实际数据与测得数据的相对偏差看，厚度均值相差0.28％，厚度极差值相差1.77％，准确度高，完全满足工程需要，为BOPP薄膜生产中的控制设备提供了实时精确的厚度数据反馈。

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监测，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9至12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，经采集单元110采集厚度曲线，处理单元120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。

本发明基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统中的数据输出单元，输出来自上述处理过程的标记有所有模头螺栓位置的薄膜剖面厚度值(Xk， h(Xk))数对的集合，以及厚度曲线上各点的厚度值，还根据要求对厚度值进行统计和告警。式(4)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′) (6)

其中，fix()为取整数部分函数，Xk2′为Xk′+1。

如图9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10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9至12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12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、驱动单元控制执行机构中的精密运动模块进行工位准备、强度调节单元配合进行刻印功率的调整、调焦单元改变聚焦点的高度，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，并通过同步单元进行同步。

由于刻印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，通过同步单元为驱动单元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，就能实现辅助定位目的。

本发明基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统通过刻印和检测，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，将传送给控制器进行薄膜厚度控制，同时将各点的厚度值以曲线或表格形式通过监视显示器进行实时显示。

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)

1.一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，包括采集单元、处理单元，以及强度调节单元、调焦单元、驱动单元、执行机构和数据输出单元；

所述采集单元从测厚仪采集薄膜剖面厚度曲线数据后传送给处理单元；

所述处理单元分析、计算出各点薄膜厚度和挤出机模头各螺栓的位置；

所述执行机构包括一个刻印单元，在处理单元的指令下，强度调节单元、调焦单元和驱动单元共同控制执行机构动作，使所述刻印单元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；

所述数据输出单元输出剖面各点厚度值，在厚度曲线上标记各模头螺栓位置，并在厚度值超出预先设置的范围时发出警示。

2.根据权利要求1所述的一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其特征在于：所述刻印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。

3.根据权利要求2所述的一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其特征在于：还包括一个同步单元，所述同步单元为驱动单元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。

4.根据权利要求1所述的一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其特征在于：所述剖面厚度曲线数据是测厚仪输出并能显示在一显示器上的薄膜剖面厚度图像，所述图像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。

5.根据权利要求1所述的一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其特征在于：所述刻印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所述的一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其特征在于：所述刻印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所述的一种基于薄膜厚度测量辅助定位的膜厚监测系统，其特征在于：所述刻印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。