CN113743038A - 一种湿膜厚度调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种湿膜厚度调控方法，包括：基于工艺速度v以及流体动力粘度μ对流体介质进行动力学建模，获取流体介质动力学模型；基于流体介质速度和湿膜厚度的关系对涂覆作业过程中的流体介质进行湿膜厚度数学建模；调整涂辊辊速ω进行初步流体涂敷作业，在作业过程中不断获取涂敷前、后提取的涂敷目标的厚度从而获取实时湿膜厚度，同时根据湿膜厚度模型提取计算的湿膜厚度，基于所述实时湿膜厚度和计算的湿膜厚度对湿膜厚度模型进行优化；当实时湿膜厚度符合正式涂敷需求时，正式对涂敷目标进行涂敷作业并调整涂敷作业区宽度；当实时湿膜厚度和计算的湿膜厚度误差满足预设需求时，则利用优化后的湿膜厚度模型对湿膜厚度进行调控。

Description

一种湿膜厚度调控方法

技术领域

本发明涉及流体介质涂敷生产领域，具体而言，尤其涉及一种湿膜厚度调控方法。

背景技术

流体介质在涂敷成膜的生产过程中，都需要控制其成膜时的湿膜厚度。当湿膜厚度未达到工艺要求时，对于被涂产品的后续生产乃至最终产品，都会造成质量缺陷并导致产品降级，最终造成生产损失。当湿膜厚度超过工艺要求时，又会造成涂敷介质浪费、成本增加。

流体介质在涂敷成膜的生产过程中，需要手动调整来控制湿膜厚度。在调整过程中，根据作业人员的生产经验调整并通过抽检实验来确定调整的合理性，对于湿膜厚度的调控不及时。

目前，有部分基于传感器测厚并通过电控程序进行涂覆调整，调整方式多为控制各料辊之间的位移量，此类调控侧重于生产实践且只适用于某类特定产品。也有基于神经网络并通过提取训练样本进行喷涂膜厚监测和调控的，该类方法受制于神经网络结构及训练样本数量，且也只针对某类特定产品的喷涂膜厚。对于以上膜厚的调控手段，调控方式简单仅适用特类产品，相对缺乏理论依据，调控灵敏性差，应用面窄。

发明内容

根据上述提出的膜厚检测方法通用性差的技术问题，而提供一种湿膜厚度调控方法。本发明通过对各类需要进行流体介质涂敷成膜的场合进行试验分析，根据流体系统动力学的相关知识进行流体动力学系统数学建模，形成一套基于理论基础与生产试验相结合的方式对所形成的湿膜厚度进行实时稳定的地调控。本发明能够实现需要进行流体介质涂敷成膜的场合，对所形成的湿膜厚度能够实时稳定地调控，从而避免了湿膜厚度不达标以及湿膜超厚的情况，进而提升产品质量，合理控制产品成本。

本发明采用的技术手段如下：

一种湿膜厚度调控方法，包括：

根据设计需求确定流体介质形成湿膜的厚度，并设定工艺速度v以及流体动力粘度μ；基于所述工艺速度v以及流体动力粘度μ对流体介质进行动力学建模，获取流体介质动力学模型；

基于所述流体介质动力学模型获取在涂敷目标厚度方向的压应力沿待涂料速度方向的变化率；

当该变化率满足公况需求时，基于流体介质速度和湿膜厚度的关系对涂覆作业过程中的流体介质进行湿膜厚度数学建模；

调整涂辊辊速ω进行初步流体涂敷作业，在作业过程中不断获取涂敷前、后提取的涂敷目标的厚度从而获取实时湿膜厚度，同时根据湿膜厚度模型提取计算的湿膜厚度，基于所述实时湿膜厚度和计算的湿膜厚度对湿膜厚度模型进行优化；

当实时湿膜厚度符合正式涂敷需求时，正式对涂敷目标进行涂敷作业并调整涂敷作业区宽度；

当实时湿膜厚度和计算的湿膜厚度误差满足预设需求时，则利用优化后的湿膜厚度模型对湿膜厚度进行调控。

进一步地，基于所述工艺速度v以及流体动力粘度μ对流体介质进行动力学建模，获取流体介质动力学模型，包括：

采用元素法对流体介质受力进行分析，构建流体介质微元体剪应力数学模型；

基于所述流体介质微元体剪应力数学模型构建流体介质动力学模型。

进一步地，在调整涂辊辊速ω准备流体涂敷作业之前，还包括通过获取涂区位置前后涂敷对象的厚度差，对检测厚度进行校准。

进一步地，在调整涂辊辊速ω准备流体涂敷作业之前，还包括依据预设的涂区厚度判据对涂区厚度校验，所述涂区厚度判据根据涂辊间隙值设定；以及，

依据预设的辊速判据对辊速校验，所述辊速判据根据涂辊半径和涂辊辊速ω设定。

进一步地，进行正式涂敷需求满足δ∈(a,b]，其中，δ为湿膜厚度，a为两涂辊间距，b为涂区厚度。

较现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明根据生产实践及试验数据通过流体系统动力学建模的方式实现所需成膜的流体介质的湿膜厚度数值化及理论化，为湿膜厚度所需的数学建模提供了一种理论模型。

2、本方法可以依靠机器及计算机来实现，有效地避免了手动调整流体涂敷作业时造成的湿膜过薄和超厚现象，使最终产品质量稳定并节省了成本；满足未来智能化的发展需要，为所需的流体介质涂敷过程的智能化发展提供了一种方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一种湿膜厚度调控方法流程图。

图2是本发明一种湿膜厚度调控方法的步骤图。

图3是本发明一种湿膜厚度调控方法的建模原理图。

图4是本发明一种湿膜厚度调控方法的建模模型GUI面板。

图5是本发明一种湿膜厚度调控方法中实施例1对应的湿膜调整响应曲线图。

图6是本发明一种湿膜厚度调控方法中实施例2对应的湿膜调整响应曲线图。

图中主要附图标号为：1、第一上测厚传感器，2、第一下测厚传感器，3、第二上测厚传感器，4、第二下测厚传感器，5、涂辊，6、第一取料辊，7、涂辊，8、第二取料辊，9、第一伺服电机，10、第一速度传感器，11、第二伺服电机，12、第二速度传感器，13、第一带位移传感器的电缸，14、第二带位移传感器的电缸，15、第一电液伺服缸，16、第二电液伺服缸，17、第一料盒，18、第二料盒，19、第一活动机架，20、第二活动机架，21、涂敷区域，22、待涂敷产品。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种湿膜厚度调控方法，其包括以下步骤：

步骤1，根据所需的流体介质形成湿膜的厚度，准备工艺参数，包括工艺速度v、所需的流体介质形成湿膜的动力粘度μ。上述工艺参数在湿膜厚度调控的开始，用于程序初始化及流体系统动力学建模，根据流体介质动力学建模要求，将以上参数单位均采用国际标准单位。

步骤2，根据所需的流体介质形成湿膜的厚度及步骤1，为流体介质涂敷作业做好准备。在此过程中利用测厚传感器对流体介质形成的湿膜厚度进行监测，厚度传感器分布于湿膜成膜前及湿膜成膜后位置，如图3所示。湿膜厚度传感器投入后，采用预先准备的校准片进行检测厚度校准，校准片厚度δ*，为了确定湿膜厚度传感器投入正常，只有当实际湿膜厚度δ监测判据满足条件时，即，|δ|≤δ*，涂辊进入待涂区准备并设定涂辊初始辊速ω为后续的流体涂敷作业做准备。

步骤3，根据所需的流体介质形成湿膜的厚度及步骤2，对流体介质进行系统动力学建模并仿真检测。对于所需的流体介质在动力学建模过程中，采用元素法并根据动力粘度μ计算微元体剪应力τ，进行动压分析并根据微元体的动力学模型建立流体(不可压缩流体)流速u的数学模型。其中动压分析过程包括：

积分有，

令，y＝0,u＝v；y＝h,u＝0,代入上式，整理：

令

上式，变为：

由此得到，流体(不可压缩流体)流速u的数学模型的数学函数形式为：

其中v为待涂材料速度、h为涂辊与待涂料间隙、p为湿膜厚度方向压应力，并根据该模型的微分方程进行动力学模型仿真监测。其中所需的湿膜厚度y需依据膜厚湿涂工艺设定同时，涂辊进入待涂区准备并调整的过程中，只有当涂区厚度t判据满足条件时，涂辊投入到涂敷作业区并进行辊速调整，其中t为涂辊间隙值。在涂辊投入辊速调整过程中，只有当辊速rω≥v时，涂辊调整并进行初步涂敷作业，其中r为涂辊半径。同时辊速rω≥v满足判据条件时，计算dp/dx；即，厚度方向的压应力沿x方向(待涂料速度方向)的变化率。

步骤4，根据所需的流体介质形成湿膜的厚度及步骤3，对所需成膜的流体介质进行湿膜厚度数学建模，即：

2f″′(η)+f(η)f″(η)＝c，

其中，v₀流体介质速度、v_x在一定的膜厚的流体介质速度，根据实验获取。c为湿膜厚度系数，根据实验数据调试参数c，使湿膜厚度数学模型能够准确表征湿膜厚度。该模型根据所需的调试参数c进行线性化处理并用于数学模型线性化转换以利于编程及仿真实现。同时，在步骤3完成的前提下，涂辊调整，初步涂敷作业并通过测厚传感器及湿膜厚度算法对实时湿膜厚度δ监测及提取，并将提取的数据送入到湿膜厚度建模的数学模型中作为建模补充。

具体来说，对所需成膜的流体介质进行湿膜厚度数学建模的过程包括：

由方程：

令，

代入上式

得：

设，η＝f(x,y),

令，

令，

从而，

从而，

从而，

将以上相关，代入方程

整理，得

即：2f″′(η)+f(η)f″(η)＝0

考虑影响因素，令2f″′(η)+f(η)f″(η)＝c,c为常数

步骤5，根据所需的流体介质形成湿膜的厚度及步骤4，对所需成膜的流体介质进行涂敷作业并监测湿膜厚度。根据测厚传感器及湿膜的厚度算法对湿膜厚度δ进行监测，当实时湿膜厚度δ在湿膜厚度判据区间内时，即δ∈(a,b]，a为两涂辊间距、b为涂区厚度t，正式对所需的成膜的流体介质进行涂敷作业并调整涂敷作业区宽度x。同时，将湿膜厚度δ的监测结果送入湿膜厚度建模模型。若当湿膜厚度δ不满足判据要求时，需对初步涂敷作业的涂辊进行调整并重复步骤4相关内容，直至满足湿膜厚度区间要求。

步骤6，根据所需的流体介质形成湿膜的厚度及步骤5，对所需成膜的流体介质根据数学模型及监测的湿膜厚度进行修正及调整，方法为再次赋取c值，调整辊速ω等。当上述步骤逐步调控后，对于来自于测厚传感器的湿膜厚度δ数据提取并暂存，将该数据同来自于数学建模后的湿膜厚度δ＝δ(c,μ,x,v)进行湿膜厚度比对，当满足│t-δ│判据要求时，调控完成。当不满足│t-δ│判据要求时，需重复步骤3、步骤4、步骤5再次进行湿膜厚度调控。同时，对相应的数学建模模型进行适当修正。

下面通过具体的应用实例，对本发明的方案和效果做进一步说明。

通过对不同动力粘度的流体介质进行涂敷作业，以验证不同实施例下的湿膜厚度调控方法。实施例按照动力粘度区分，分别为：实施例1：μ＝2N/m2·s；实施例2：μ＝30N/m2·s。图1所示为本发明一种湿膜厚度调控方法的详细流程图，主要包括以下步骤：

步骤1，工艺参数准备：提供待涂敷产品的工艺速度v、所需湿膜的流体介质的动力粘度μ。并将工艺速度v、动力粘度μ用于程序初始化及数学模型赋值以及用于微元体剪应力数模，进而进行流体动力系统建模并执行仿真及监测。以上所述工艺参数将在图4中对应体现，并保证数据的实时性。

步骤2，流体介质涂敷投入准备：在此过程中将所需的流体介质形成的湿膜厚度的测厚传感器投入生产作业并用于监测厚度，传感器工艺布置方式如图3所示。湿膜厚度传感器投入后，需进行检测厚度校准，以确定湿膜厚度测厚传感器投入正常，只有当湿膜厚度监测判据满足条件时，涂辊进入待涂区准备并调整，为后续的流体涂敷作业做准备。当湿膜厚度监测判据不满足条件时需执行监测厚度校准，直至满足判据要求，具体要求如图1所示。

步骤3，湿膜系统动力学建模仿真监测及参数标定：在所需的流体介质的湿膜的动力学系统建模过程中，采用元素法并根据动力粘度μ计算微元体剪应力τ，并根据微元体的系统动力学模型建立流体(不可压缩流体)流速u的数学模型，该数学模型的数学函数形式为u＝u(v,h,y,μ,dp/dx)，具体的数学模型如图1所示。其中y值需依据膜厚湿涂工艺设定，该值由试验数据获得。同时，涂辊进入待涂区准备并调整的过程中，只有当涂区厚度t判据满足条件时，涂辊投入到涂敷作业区并进行辊速调整，其中t为涂辊间隙值，如图3所示。在涂辊投入辊速调整过程中，只有当辊速rω≥v时，涂辊调整并进行初步涂敷作业。同时辊速rω≥v满足判据条件时，计算dp/dx。以上所述调控方法的流程如图1所示。

步骤4，湿膜厚度数学建模仿真并根据实验数据调试参数：在进行湿膜厚度建模前，应满足判据dp/dx条件，若判据不满足，需在步骤3中进行调整。湿膜厚度建模完成后，通过数学模型转换将其线性化后编程。同时，在步骤3完成的前提下，涂辊调整，初步涂敷作业并通过测厚传感器及湿膜厚度算法对湿膜厚度δ监测及提取，并将提取的数据送入到湿膜厚度建模的数学模型中作为建模补充。此步骤所涉及的调控方法流程，如图1所示。

步骤5，流体介质涂敷作业并监测湿膜厚度：根据测厚传感器及湿膜的厚度算法对湿膜厚度δ进行监测，当湿膜厚度δ在湿膜厚度判据区间内时，正式对所需的成膜的流体介质进行涂敷作业并调整涂敷作业区宽度x。同时，将湿膜厚度δ的监测结果送入湿膜厚度建模模型。若当湿膜厚度δ不满足判据要求时，需对初步涂敷作业的涂辊进行调整并重复步骤4相关内容，直至满足湿膜厚度区间要求，此步骤所涉及的调控方法流程，如图1所示。

步骤6，根据数学模型及监测的湿膜厚度进行修正及调整：当上述步骤逐步调控后，对于来自于测厚传感器的湿膜厚度δ数据提取并暂存，将该数据同来自于数学建模后的湿膜厚度δ＝δ(c,μ,x,v)进行湿膜厚度δ比对，当满足│t-δ│判据要求时，调控完成。当不满足│t-δ│判据要求时，需重复步骤3、步骤4、步骤5再次进行湿膜厚度调控。同时，对相应的数学建模模型进行适当修正。该步中相应的检测数据将在图4中体现，具体的调控流程如图1所示。

为了对本发明一种湿膜厚度调控方法的步骤更清楚的说明，如图2所示，为本发明一种湿膜厚度调控方法的流程简图。包括六个步骤同时对应上述步骤，即步骤S1：步骤1，工艺参数准备提供金属板带工艺速度v、所需湿膜的流体介质的动力粘度μ；步骤S2：步骤2，流体介质涂敷投入准备；步骤S3：步骤3，湿膜系统动力学建模仿真监测及参数标定；步骤S4：步骤4，湿膜厚度数学建模仿真并根据实验数据调试参数；步骤S5：步骤5，流体介质涂敷作业并监测湿膜厚度；步骤S6：步骤6，根据数学模型及监测的湿膜厚度进行修正及调整，直至结束对湿膜厚度的调控过程。

图5为实施例1在选取不同的c时，根据该调控方法，对于所需流体形成的湿膜厚度调控的响应曲线。当涂辊调整，初步涂敷作业时，初赋c，根据该湿膜厚度调控方法，湿膜厚度调控过程开始。在本实施例中，通过下测厚传感器2、4，上测厚传感器1、3所测得的厚度差得出湿膜厚度δ。相应地步骤6在进行湿膜厚度调控过程中，由于不满足│t-δ│判据要求，根据速度传感器10、12，相应的伺服电机9、11提速并带动涂辊5、7提速，同时重复步骤3中调控方法中的相应内容。在步骤3中相应判据验证的过程中，带位移传感器的电缸13、14推动取料辊6、8作用于涂辊5、7从而增大流体介质供应量。进而执行步骤4和步骤5，并通过速度传感器10、12及带位移传感器的电缸13、14的检测数据调整涂区厚度t再次执行相应的数学建模的模型程序。进而执行步骤6，通过电液伺服缸15、16推动活动机架19、20从而调整涂敷区域x和t，x为涂区宽度，进而调整所需流体介质形成的湿膜厚度δ，依据本实施例通过赋取c，达到调整要求。根据该湿膜厚度调控方法，从而使湿膜厚度的调控趋于稳定，至此调控完成。

图6为实施例2，根据湿膜厚度调控方法，调控过程同实施例1，在实施例中通过赋取c，达到调整要求。根据该湿膜厚度调控方法，从而使湿膜厚度的调控趋于稳定，至此调控完成。

本发明通过根据所需成膜的流体介质的动力学特性采用数学建模及程序实现的形式来实时调整湿膜厚度，并通过赋取c，使之达到调整要求，即可完成流体涂敷过程中的湿膜厚度调控，根据该方法调控响应速度快。

本发明为湿膜厚度调控提供了一种理论支撑，可用其他需要流体涂敷成膜的场合，但还需进行相应数据验证及实验。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种湿膜厚度调控方法，其特征在于，包括：

根据设计需求确定流体介质形成湿膜的厚度，并设定工艺速度v以及流体动力粘度μ；基于所述工艺速度v以及流体动力粘度μ对流体介质进行动力学建模，获取流体介质动力学模型；

基于所述流体介质动力学模型获取在涂敷目标厚度方向的压应力沿待涂料速度方向的变化率；

当该变化率满足公况需求时，基于流体介质速度和湿膜厚度的关系对涂覆作业过程中的流体介质进行湿膜厚度数学建模；

调整涂辊辊速ω进行初步流体涂敷作业，在作业过程中不断获取涂敷前、后提取的涂敷目标的厚度从而获取实时湿膜厚度，同时根据湿膜厚度模型提取计算的湿膜厚度，基于所述实时湿膜厚度和计算的湿膜厚度对湿膜厚度模型进行优化；

当实时湿膜厚度符合正式涂敷需求时，正式对涂敷目标进行涂敷作业并调整涂敷作业区宽度；

当实时湿膜厚度和计算的湿膜厚度误差满足预设需求时，则利用优化后的湿膜厚度模型对湿膜厚度进行调控。

2.根据权利要求1所述的湿膜厚度调控方法，其特征在于，基于所述工艺速度v以及流体动力粘度μ对流体介质进行动力学建模，获取流体介质动力学模型，包括：

采用元素法对流体介质受力进行分析，构建流体介质微元体剪应力数学模型；

基于所述流体介质微元体剪应力数学模型构建流体介质动力学模型。

3.根据权利要求1所述的湿膜厚度调控方法，其特征在于，在调整涂辊辊速ω准备流体涂敷作业之前，还包括通过获取涂区位置前后涂敷对象的厚度差，对检测厚度进行校准。

4.根据权利要求1所述的湿膜厚度调控方法，其特征在于，在调整涂辊辊速ω准备流体涂敷作业之前，还包括依据预设的涂区厚度判据对涂区厚度校验，所述涂区厚度判据根据涂辊间隙值设定；以及，

依据预设的辊速判据对辊速校验，所述辊速判据根据涂辊半径和涂辊辊速ω设定。

5.根据权利要求1所述的湿膜厚度调控方法，其特征在于，进行正式涂敷需求满足δ∈(a,b]，其中，δ为湿膜厚度，a为两涂辊间距，b为涂区厚度。

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