CN117288103A - 一种涂层膜厚测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种涂层膜厚测量方法和系统，所述测量方法包括：S1，使用光源对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，通过红外成像装置记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据或者记录曝光前/后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据；S2，根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ；S3，根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值‑膜厚映射关系，计算所述测量点的干膜厚度值T。本发明测量方法能够在待测工件的喷涂涂层处于湿膜状态下时测量出涂层的干膜厚度，应用本发明测量方法能够在待测工件的喷涂涂层被烘干前发现喷涂厚度缺陷，且本发明方法采用了非接触方式进行测量，不会对喷涂涂层造成破坏。
Description
技术领域
本发明涉及涂层干膜测量技术领域，特别涉及一种涂层膜厚测量方法和系统。
背景技术
目前，通常采用超声测量法、磁感应涡流测量法等接触式测量方法，来测量工件表面所喷涂涂层的干膜厚度。
由于工件表面喷涂的粉末涂料在烘干前(即湿膜状态)的附着力低，若此阶段采用接触式测量方法会破坏喷涂效果，所以前述方法在实施测量前，都需要先将粉末涂料高温固化形成稳定的表面涂层(即干膜状态)。而这样会使测量时间点过于滞后，无法及时发现喷涂膜厚不满足合格范围的缺陷，导致不良品的批量出现而需要返工，粉末涂料固化后也无法快速弥补，甚至会出现工件批量报废的情况，时效性和生产效率与成本都不符合经济效益。所以亟需一种能够在湿膜状态下测量粉末干膜厚度的测量方法。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种涂层膜厚测量方法和系统，能够在工件的喷涂涂层处于湿膜状态下时测量出涂层的干膜厚度。
为了解决上述技术问题，本发明所使用的技术方案是：
本发明所述的一种涂层膜厚测量方法，包括步骤：
S1：使用光源对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，通过红外成像装置记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据或者记录曝光前/后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据；
S2：根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ；
S3：根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，计算所述测量点的干膜厚度值T。
优选的，在步骤S2中，基于下述传热学集总参数条件，根据每个测量点的温度变化数据，建立所述厚度系数值Φ的工程应用映射关系；
根据所述工程应用映射关系，计算所述测量点的厚度系数值Φ；
其中，τr为时间常数，其物理意义为表示物体对外界温度变化的响应速度；τ为时间，单位为s；c是比热容，单位为J/K·kg；V是表面涂层体积，单位为m3，ρ是材料密度，单位为kg/m3，h是表面传热系数，单位为W/K·m2，A是表面面积，单位为m2。
进一步优选的，在步骤S3中，所述预设的厚度系数值-膜厚映射关系为T＝D1+D2Φ；
其中,T为干膜厚度值，单位为μm，D1和D2为预设常数，D1和D2的数值通过建立样品工件，将所述样品工件烘干后获取多个测量点的干膜厚度Tn和对应的所述厚度系数值Φn，并将所述多个测量点的干膜厚度Tn和对应的所述厚度系数值Φn进行最小二乘法直线拟合确定。
更进一步优选的，所述样品工件烘干后，在所述样品工件的均匀膜厚区域选取所述测量点，并测量对应的所述干膜厚度Tn。
优选的，在步骤S1中，红外成像装置成像时，所述待测工件沿预设路径移动，所述红外成像装置以与所述待测工件相同的速度同向移动。
优选的，在步骤S1中，通过红外成像装置记录喷涂湿膜温度变化数据的起始时间为曝光前预设时间，记录所述曝光前预设时间内的平均温度为所述工件的基础温度，记录终止时间为喷涂湿膜温度降至所述基础温度+预设温度值时对应的时间，所述红外成像装置的成像频率为20-100Hz。
进一步优选的，所述预设温度值为1℃。
优选的，在步骤S1中，控制所述光源至所述待测工件的曝光距离以及所述光源的曝光强度，使所述湿膜的升温峰值维持在5℃±1℃范围内。
本发明的另一个目的是提供一种涂层膜厚测量系统，基于上述的涂层膜厚测量方法，包括控制单元和均与所述控制单元信号连接的光源、红外成像装置，所述控制单元控制所述光源对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，所述红外成像装置记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据，所述控制单元根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ，并根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，计算该测量点的干膜厚度值T。
优选的，还包括第一移动装置和第二移动装置，所述第一移动装置与所述待测工件连接，所述第二移动装置与所述光源和所述红外成像装置连接，所述红外成像装置成像时，所述第一移动装置带动所述待测工件移动，所述第二移动装置带动所述红外成像装置以与所述第一移动装置相同的速度同向移动。
相对于现有技术本发明技术方案的的有益效果为：
一方面，本发明所述的一种涂层膜厚测量方法，使用光源对待测工件曝光，通过红外成像装置记录曝光前/后待测工件表面多个测量点的温度变化数据，根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ，进而根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，可计算所述测量点的干膜厚度值T，从而提供了一种能够在待测工件的喷涂涂层处于湿膜状态下时测量出涂层的干膜厚度的方法，应用该方法能够在待测工件的喷涂涂层被烘干前发现喷涂厚度缺陷，且该方法采用了非接触方式进行测量，不会对喷涂涂层造成破坏。
另一方面，本发明所述的一种涂层膜厚测量系统，通过所述控制单元控制所述光源对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，并通过所述红外成像装置记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据，由所述控制单元根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ和干膜厚度值T，该系统能够在待测工件的喷涂涂层被烘干前测量出涂层的干膜厚度，从而能够及时发现喷涂涂层的厚度缺陷，使厂家能够及时调整喷涂参数，有利于降低产品不良率，提高产品质量和产量。
附图说明
通过附图中所示的本发明优选实施例更具体说明，本发明上述及其它目的、特征和优势将变得更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分，且并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为本发明实施例一提供的一种涂层膜厚测量方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种厚度系数值-膜厚映射关系；
图3为图2中厚度系数值-膜厚映射关系的验证结果图示；
图4为本发明实施例二提供的一种涂层膜厚测量系统示意图；
附图说明：控制单元1，光源2，红外成像装置3，第二移动装置4，支撑装置5。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明技术方案作进一步的详细描述，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定，在本实施例中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限定。
需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本发明中所使用的术语“安装”、“一端”、“另一端”以及类似的表述只是为了说明的目的。
如前所述，烘干待测工件后再测量其表面的涂层厚度，会使测量时间点过于滞后，无法及时发现喷涂膜厚不满足合格范围的缺陷，导致不良品的批量出现而需要返工，粉末涂料固化后也无法快速弥补，甚至会出现工件批量报废的情况，时效性和生产效率与成本都不符合经济效益。所以亟需一种能够在湿膜状态下测量粉末干膜厚度的测量方法。
而若使待测工件表面的喷涂涂层升温，使涂层与金属工件之间形成温度差，涂层表面温度会呈现先升温后降温的过程，从而会形成某种温度变化规律。利用该温度变化规律，建立其与涂层干膜厚度之间的映射关系，从而在待测工件的喷涂涂层处于湿膜状态时，就能够获取涂层的干膜厚度。
受上述启发，本实施例一提供了一种涂层膜厚测量方法，如图1所示，包括步骤：
S1：使用光源对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，通过红外成像装置记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据或者记录曝光前/后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据；
具体的，可优选ATO光热反应以脉冲方式向待测工件表面短暂曝光以加热待测工件表面涂层，并以时间为横坐标，以温度为纵坐标将获取的温度变化数据已图形方式直观显现；
S2：根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ；
S3：根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，计算所述测量点的干膜厚度值T。
本实施例测量方法，使用光源对待测工件曝光，通过红外成像装置记录曝光前/后待测工件表面多个测量点的温度变化数据，根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ，进而根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，可计算所述测量点的干膜厚度值T，从而提供了一种能够在待测工件的喷涂涂层处于湿膜状态下时测量出涂层的干膜厚度的方法，应用该方法能够在待测工件的喷涂涂层被烘干前发现喷涂厚度缺陷，且该方法采用了非接触方式进行测量，不会对喷涂涂层造成破坏。
根据高等传热学无限大薄平板表面的传热过程数学模型理论，对任意形状的物体，其初始温度为t0，体积为V，面积为A，在初始时刻，将该物体置于温度恒为t∞的流体中，且t0＞t∞，该物体与流体间的表面传热系数为h，该物体的物性参数均保持常数时，其温度变化满足下述集总参数条件：
其中，t为某时刻对应的物体温度，θ为某时刻对应的物体与流体的温差，θ0为物体与流体的初始温差，单位均为℃；τr为时间常数，其物理意义为表示物体对外界温度变化的响应速度；τ为时间，单位为s；c是比热容，单位为J/K·kg；V是表面涂层体积，单位为m3，ρ是材料密度，单位为kg/m3，h是表面传热系数，单位为W/K·m2，A是表面面积，单位为m2。
基于上述理论，在金属工件表面喷涂涂层，由于涂层厚度通常以微米计量，而金属属性可使待测工件具有足够强的导热能力，所以可将金属等效为流体。结合工件表面的喷涂涂层升温后，涂层表面温度可形成某种温度变化规律，所以可将具有喷涂涂层的工件的工程情景，视为近似满足上述集总参数条件，并可将V/A表示为工件表面喷涂涂层的厚度。
为此，在一个优选的实施例中，在步骤S2中，基于下述传热学集总参数条件，根据每个测量点的温度变化数据，建立所述厚度系数值Φ的工程应用映射关系；根据所述工程应用映射关系，计算所述测量点的厚度系数值Φ；
其中，τr为时间常数，其物理意义为表示物体对外界温度变化的响应速度；c是比热容，单位为J/K·kg；V是表面涂层体积，单位为m3，ρ是材料密度，单位为kg/m3，h是表面传热系数，单位为W/K·m2，A是表面面积，单位为m2。
需要说明的是，本实施例中建立前述厚度系数值Φ的工程应用映射关系，是将每个测量点的温度变化数据进行指数函数拟合的过程，这个过程相当于是获取该涂层对应的ρ、c、h等常数决定的比例系数，具体相关系数可在预设的厚度系数值-膜厚映射关系的拟合过程中统一涵盖，且该工程应用映射关系中所述厚度系数值Φ与厚度V/A成正比关系，与|τr|正相关，即与τr的绝对值正相关，而基于不同的粉末涂料和基材特性，本领域技术人员可通过有限次的计算，可得到对应不同优化程度的工程应用映射关系。
需要注意的是，在实际应用中，也可采用上述方法测量某个区域的干膜厚度：获取该区域内多个测量点的温度变化数据，根据所述工程应用映射关系，分别计算各测量点的厚度系数值Φn，然后求取厚度系数平均值根据预设的厚度系数值-膜厚映射关系和厚度系数平均值/>计算该测量区域的干膜厚度平均值/>
进一步优选的实施例中，在步骤S3中，所述预设的厚度系数值-膜厚映射关系为T＝D1+D2Φ；
其中,T为干膜厚度值，单位为μm，D1和D2为预设常数，D1和D2的数值通过建立样品工件，即选用与待测工件相同的工件，并将该工件表面喷涂相同材质的涂层，将所述样品工件烘干后获取多个测量点的干膜厚度Tn，并通过所建立的工程应用映射关系获取各测量点对应的所述厚度系数值Φn，并将各测量点的干膜厚度Tn和对应的所述厚度系数值Φn进行最小二乘法直线拟合确定。
在一个具体的实施例中，以一种铝合金和一种树脂粉末涂层为例，按照上述方法可得出如下厚度系数值-膜厚映射关系：T＝177.77+17.24Φ，如图2所示，且经验证，该映射关系的误差保持在±10μm内，如图3所示。
更进一步优选的实施例中，所述样品工件烘干后，在所述样品工件的均匀膜厚区域选取所述测量点，并使用接触式干膜仪测量对应的所述干膜厚度Tn，由于接触式干膜仪每次测量的结果实质是约0.5cm2区域范围内的干膜厚度平均值，在样品工件的均匀膜厚区域选取测量点，可确保数据的稳定性，从而提高D1和D2数值的准确性。需要说明的是，上述均匀膜厚区域并非指该区域干膜厚度绝对相同，而是指该区域内的干膜厚度差异相对较小，基本均匀。
由于对工件的曝光过程通常会在一个短暂的时间内持续，如利用ATO光热反应的曝光时间通常会持续一至两秒，具体因材质不同而有所差异，曝光过程会采集约60帧红外图像，若待测工件在曝光过程中移动，会使同一个像素在不同时间点所代表的待测工件位置点不同，而影响最终测量结果。而待测工件的喷涂作业一般为流水作业生产线，为此，在另一个优选的实施例中，在步骤S1中，红外成像装置成像时，所述待测工件沿预设路径移动，所述红外成像装置以与所述待测工件相同的速度同向移动，从而将红外成像装置与待测工件同步跟随移动，以在拍摄过程中获取稳定的工件位置。
在另一个优选的实施例中，步骤S1中，通过红外成像装置记录喷涂湿膜温度变化数据的起始时间为曝光前预设时间，记录所述曝光前预设时间内的平均温度为所述工件的基础温度，以提高工件基础温度的可靠性，进而提高温度变化数据的准确性，优选的，曝光前预设时间为曝光前100ms，若使用频率为50Hz的红外成像装置，可测量4-5帧温度，其算数平均值即为工件基础温度；
由于涂层温度经过一段明显的降低过程后会趋于稳定，该过程中涂层温度变化不再明显，不利于对厚度系数值Φ映射关系的建立，所以记录终止时间为喷涂湿膜温度降至所述基础温度+预设温度值时对应的时间，优选的，为基础温度+1℃；所述红外成像装置的成像频率为20-100Hz。
在进一步优选的实施例中，步骤S1中，控制所述光源至所述待测工件的曝光距离以及所述光源的曝光强度，使所述湿膜的升温峰值维持在5℃±1℃范围内，以便形成足够温度变化数据的同时，也形成待测工件完整且合适的成像。其中，所指升温峰值为曝光后湿膜温度的最高值与基础温度的差值。
基于上述实施例中的涂层膜厚测量方法，如图4所示，实施例二提供了一种涂层膜厚测量系统，包括控制单元1和均与控制单元1信号连接的光源2、红外成像装置3，控制单元1控制光源2对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，红外成像装置3记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据，控制单元1根据每个测量点的温度变化数据，计算测量点的厚度系数值Φ，并根据厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，计算该测量点的干膜厚度值T。
优选的，还包括第一移动装置(图中未示出)和第二移动装置4，第一移动装置与待测工件连接，第二移动装置4与光源2和红外成像装置3连接，红外成像装置3成像时，第一移动装置带动待测工件移动，第二移动装置4带动红外成像装置3以与第一移动装置相同的速度同向移动，从而能够适应待测样品在移动过程中接受喷涂的作业情况，使红外成像装置能够获取到稳定的成像。在涂装流水生产线上，通常第一移动装置为涂装流水生产线上的吊架或传送带，待测样品位于吊架或传送带上并跟随移动。
进一步的，光源2和红外成像装置3集成设置在支撑装置5的第一端，支撑装置5的第二端与第二移动装置4连接，且支撑装置5的第一端能够相对第二端移动实现伸缩，从而能够调节光源2和红外成像装置3相对第二移动装置4的距离，适应不同高度的待测工件。
本实施例二提供的一种涂层膜厚测量系统，通过控制单元1控制光源2对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，并通过红外成像装置3记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据，由控制单元1根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ和干膜厚度值T，该系统能够在待测工件的喷涂涂层被烘干前测量出涂层的干膜厚度，从而能够及时发现喷涂涂层的厚度缺陷，使厂家能够及时调整喷涂参数，有利于降低产品不良率，提高产品质量和产量。
在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“优选实施例”、“再一实施例”、“其他实施例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本申请的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本申请的限制，本领域的普通技术人员在本申请的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种涂层膜厚测量方法，其特征在于，包括步骤：
S1：使用光源对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，通过红外成像装置记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据或者记录曝光前/后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据；
S2：根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ；
S3：根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，计算所述测量点的干膜厚度值T。
2.根据权利要求1所述的一种涂层膜厚测量方法，其特征在于：在步骤S2中，基于下述传热学集总参数条件，根据每个测量点的温度变化数据，建立所述厚度系数值Φ的工程应用映射关系；
根据所述工程应用映射关系，计算所述测量点的厚度系数值Φ；
其中，τr为时间常数，其物理意义为表示物体对外界温度变化的响应速度；τ为时间，单位为s；c是比热容，单位为J/K·kg；V是表面涂层体积，单位为m3，ρ是材料密度，单位为kg/m3，h是表面传热系数，单位为W/K·m2，A是表面面积，单位为m2。
3.根据权利要求2所述的一种涂层膜厚测量方法，其特征在于：在步骤S3中，所述预设的厚度系数值-膜厚映射关系为T＝D1+D2Φ；
其中,T为干膜厚度值，单位为μm，D1和D2为预设常数，D1和D2的数值通过建立样品工件，将所述样品工件烘干后获取多个测量点的干膜厚度Tn和对应的所述厚度系数值Φn，并将所述多个测量点的干膜厚度Tn和对应的所述厚度系数值Φn进行最小二乘法直线拟合确定。
4.根据权利要求3所述的一种涂层膜厚测量方法，其特征在于：所述样品工件烘干后，在所述样品工件的均匀膜厚区域选取所述测量点，并测量对应的所述干膜厚度Tn。
5.根据权利要求1所述的一种涂层膜厚测量方法，其特征在于：在步骤S1中，红外成像装置成像时，所述待测工件沿预设路径移动，所述红外成像装置以与所述待测工件相同的速度同向移动。
6.根据权利要求1所述的一种涂层膜厚测量方法，其特征在于：在步骤S1中，通过红外成像装置记录喷涂湿膜温度变化数据的起始时间为曝光前预设时间，记录所述曝光前预设时间内的平均温度为所述工件的基础温度，记录终止时间为喷涂湿膜温度降至所述基础温度+预设温度值时对应的时间，所述红外成像装置的成像频率为20-100Hz。
7.根据权利要求1所述的一种涂层膜厚测量方法，其特征在于：在步骤S1中，控制所述光源至所述待测工件的曝光距离以及所述光源的曝光强度，使所述湿膜的升温峰值维持在5℃±1℃范围内。
8.根据权利要求6所述的一种涂层膜厚测量方法，其特征在于：所述预设温度值为1℃。
9.一种涂层膜厚测量系统，基于上述权利要求1至8任一项所述的涂层膜厚测量方法，其特征在于，包括控制单元和均与所述控制单元信号连接的光源、红外成像装置，所述控制单元控制所述光源对具有喷涂湿膜的待测工件表面进行曝光，所述红外成像装置记录曝光后喷涂湿膜多个测量点的温度变化数据，所述控制单元根据每个测量点的温度变化数据，计算所述测量点的厚度系数值Φ，并根据所述厚度系数值Φ和预设的厚度系数值-膜厚映射关系，计算该测量点的干膜厚度值T。
10.根据权利要求9所述的一种涂层膜厚测量系统，其特征在于：还包括第一移动装置和第二移动装置，所述第一移动装置与所述待测工件连接，所述第二移动装置与所述光源和所述红外成像装置连接，所述红外成像装置成像时，所述第一移动装置带动所述待测工件移动，所述第二移动装置带动所述红外成像装置以与所述第一移动装置相同的速度同向移动。
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