本發(fā)明涉及薄膜制造技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于薄膜厚度測量輔助定位的膜厚監(jiān)測方法。

背景技術(shù)：

bopp薄膜即雙向拉伸聚丙烯薄膜是由雙向拉伸所制得的，它是經(jīng)過物理、化學(xué)和機(jī)械等手段特殊成型加工而成的塑料產(chǎn)品。bopp生產(chǎn)線是一個非線性、時變、大延遲的復(fù)雜系統(tǒng)。其工藝流程主要包括：原料熔融、擠出、冷卻成型、縱向拉伸、橫向拉伸、切邊、電暈處理、卷取等。

作為bopp薄膜產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)的物理機(jī)械性能如拉伸強(qiáng)度、斷裂伸長率、濁度、光澤等，因主要決定于材料本身的屬性，所以都易達(dá)到要求。而作為再加工性和使用性能的主要控制指標(biāo)，即薄膜厚度偏差和薄膜平均厚度偏差，則主要決定于薄膜的制造過程。即使制造過程中薄膜厚度控制在在標(biāo)準(zhǔn)允許的偏差范圍內(nèi)，但經(jīng)數(shù)千層膜收卷累計后，厚度偏差大的位置上就可能形成箍、暴筋或凹溝等不良缺陷，這些缺陷直接影響到用戶的再加工使用，如彩印套色錯位或涂膠不勻起皺等現(xiàn)象，使其降低或失去使用價值。所以bopp薄膜生產(chǎn)中最關(guān)鍵的質(zhì)量間題是如何提高和穩(wěn)定薄膜厚度精度。

薄膜厚度檢測技術(shù)主要采用紅外線、x射線、β射線等的透射式檢測方式。如申請?zhí)枮?012204848603的中國專利通過對激光透射圖像的分析來判斷被檢薄膜的厚度，申請?zhí)枮?012202105502的中國專利則通過紅外檢測來獲得薄膜厚度。申請?zhí)枮?007201517097的中國專利采用了x射線的方法，其同時指出，為了得到厚度均勻的薄膜，必須要實(shí)現(xiàn)厚度測量值和測量位置精確定位，申請?zhí)枮?014204575910的中國專利則通過定邊裝置來進(jìn)行基膜的對齊。

目前，為實(shí)時監(jiān)測薄膜厚度，對測厚儀輸出的厚度數(shù)據(jù)進(jìn)行螺栓對應(yīng)的常用方法主要有以下兩種，一是在不同螺栓處劃線做記號，然后在測厚儀掃描架上找到對應(yīng)的地方，以確定螺栓的位置；二是在用測厚儀檢測剖面的同時，也測量出膜幅的實(shí)際寬度，參照模頭的寬度來計算薄膜的縮頸量，進(jìn)而對模頭螺栓進(jìn)行對應(yīng)。這兩種方法均需要人工根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)情況進(jìn)行輔助標(biāo)識、測量和判斷，人工判斷不但不精確，也無法穩(wěn)定。由于缺乏對薄膜剖面的連續(xù)準(zhǔn)確監(jiān)測，薄膜的厚度控制效果及所生產(chǎn)產(chǎn)品的質(zhì)量往往受到影響。為此，需要解決通過對擠出機(jī)模頭螺栓準(zhǔn)確定位來對薄膜剖面厚度進(jìn)行有效監(jiān)測的問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種能輔助測厚儀對螺栓進(jìn)行測厚定位的監(jiān)測方法，通過在擠出成型的鑄片預(yù)設(shè)位置上刻印印記后，對測厚儀輸出的薄膜剖面厚度曲線進(jìn)行采集和分析處理，獲取印記位置，從而對擠出機(jī)模頭螺栓進(jìn)行準(zhǔn)確定位，輸出薄膜剖面各點(diǎn)厚度值，并在厚度曲線上標(biāo)記各模頭螺栓位置，用來對bopp薄膜生產(chǎn)進(jìn)行在線式薄膜厚度監(jiān)測。

本發(fā)明的技術(shù)解決方案是，提供一種基于薄膜厚度測量輔助定位的膜厚監(jiān)測方法，包括以下步驟：

s1)輔助定位刻印初始化，刻印工位調(diào)整，等待刻印周期；

s2)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的刻印單元在由擠出機(jī)擠出后冷卻成型的鑄片上刻印v形或u形缺口印記；

s3)采集單元從測厚儀采集薄膜剖面厚度曲線數(shù)據(jù)后傳送給處理單元；

s4)處理單元分析、計算出各點(diǎn)薄膜厚度和擠出機(jī)模頭各螺栓的位置；

s5)數(shù)據(jù)輸出單元輸出剖面各點(diǎn)厚度值，在厚度曲線上標(biāo)記各模頭螺栓位置，并在厚度值超出預(yù)先設(shè)置的范圍時發(fā)出警示。

作為優(yōu)選，所述刻印是在處理單元的指令下，由強(qiáng)度調(diào)節(jié)單元、調(diào)焦單元和驅(qū)動單元共同控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作而實(shí)現(xiàn)。

作為優(yōu)選，所述刻印單元設(shè)置在用來將從擠出機(jī)擠出的薄膜原料熔體貼在激冷輥上的主氣刀的前方，其所刻印的印記由多個深度不同的矩形刻槽組成。

作為優(yōu)選，所述刻印周期由同步單元提供，所述同步單元為驅(qū)動單元提供刻印開始的時間信息，使得所有的所述矩形刻槽均能被測厚儀檢測到。

作為優(yōu)選，所述剖面厚度曲線數(shù)據(jù)是測厚儀輸出并能顯示在一顯示器上的薄膜剖面厚度圖像，所述圖像包括分別以不同顏色表示的一條膜厚曲線、坐標(biāo)軸和與坐標(biāo)軸平行的輔助線。

作為優(yōu)選，所述刻印單元包括兩個其刻印頭分別與擠出機(jī)模頭兩端部螺栓位置相固定連接的刻印模塊，所述刻印模塊采用激光刻印模塊。

作為優(yōu)選，所述刻印單元包括一個與擠出機(jī)模頭唇口平行的導(dǎo)軌以及一個刻印模塊，所述刻印模塊包括一個可沿所述導(dǎo)軌移動的刻印頭，所述導(dǎo)軌上有多個與模頭螺栓有固定位置關(guān)系的停靠點(diǎn)，所述刻印模塊采用激光刻印模塊。

作為優(yōu)選，所述刻印單元刻印的印記最大深度為所刻印鑄片厚度的0.05至0.1倍。

采用本發(fā)明的方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：本發(fā)明應(yīng)用于薄膜生產(chǎn)在線厚度的實(shí)時監(jiān)測，通過分析計算獲得薄膜橫向剖面厚度曲線上各點(diǎn)的厚度值，在鑄片的兩個或多個與模頭兩端螺栓相對固定的預(yù)設(shè)位置上進(jìn)行深槽刻印，從而在薄膜剖面厚度曲線上定位出所有螺栓位置，實(shí)現(xiàn)了對薄膜厚度測量位置的自動準(zhǔn)確定位，有效防止了人為判斷錯誤的影響，為進(jìn)行薄膜厚度一致性控制提供了實(shí)時有效依據(jù)。

附圖說明

圖1為bopp生產(chǎn)工藝流程示意圖；

圖2為應(yīng)用了本發(fā)明的膜厚監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為刻印單元及擠出機(jī)模頭局部結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為刻印頭及周邊局部結(jié)構(gòu)示意圖圖；

圖5為bopp生產(chǎn)中測厚儀顯示界面圖；

圖6為處理單元提取目標(biāo)曲線數(shù)據(jù)流程圖；

圖7為膜厚曲線對比圖；

圖8為薄膜厚度值實(shí)時監(jiān)測的統(tǒng)計結(jié)果；

圖9為刻印印記示意圖；

圖10為刻槽群結(jié)構(gòu)示意圖；

圖11為矩形刻槽結(jié)構(gòu)示意圖；

圖12為刻印工作流程圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述，但本發(fā)明并不僅僅限于這些實(shí)施例。本發(fā)明涵蓋任何在本發(fā)明的精神和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。

為了使公眾對本發(fā)明有徹底的了解，在以下本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中詳細(xì)說明了具體的細(xì)節(jié)，而對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說沒有這些細(xì)節(jié)的描述也可以完全理解本發(fā)明。

在下列段落中參照附圖以舉例方式更具體地描述本發(fā)明。需說明的是，附圖均采用較為簡化的形式且均使用非精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、明晰地輔助說明本發(fā)明實(shí)施例的目的。

如圖1所示，bopp生產(chǎn)從原材料熔融開始，經(jīng)擠出成型為厚片即鑄片，鑄片再經(jīng)縱向和橫向拉伸展寬展薄為寬卷薄膜，然后在牽引過程中進(jìn)行切邊和電暈等處理，最后收卷為大母卷，后續(xù)按訂單要求對母卷進(jìn)行分切和包裝。由于厚度對產(chǎn)品質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，因此，在bopp生產(chǎn)中往往用兩臺測厚儀分別對鑄片和寬卷薄膜進(jìn)行厚度實(shí)時監(jiān)測，兩臺測厚儀均可對外輸出剖面的厚度數(shù)據(jù)集，同時它們均還連接顯示器以顯示鑄片或?qū)捑肀∧さ钠拭鎴D像。兩臺測厚儀中前面對鑄片測厚的那一臺在薄膜初拉出時使用，等到后面第二測厚儀投入后便暫停使用。

如圖2所示，應(yīng)用了本發(fā)明基于薄膜厚度測量輔助定位的膜厚監(jiān)測方法的膜厚監(jiān)測系統(tǒng)100，其包括采集單元110、處理單元120，以及強(qiáng)度調(diào)節(jié)單元140、調(diào)焦單元150、驅(qū)動單元160、執(zhí)行機(jī)構(gòu)170和數(shù)據(jù)輸出單元180。

作為優(yōu)選，所述監(jiān)測系統(tǒng)還包括同步單元130，通過該單元的同步可以僅在測厚儀掃描到刻印位置的時間片內(nèi)才需要進(jìn)行刻印，從而大大減少刻印量。

結(jié)合圖2和圖3所示，所述膜厚監(jiān)測系統(tǒng)100，還包括固定于機(jī)架200的支架190，執(zhí)行機(jī)構(gòu)170包括一個刻印單元。擠出機(jī)300的模頭包括上下兩個唇片310，唇片之間形成唇口330，唇口開度大小由橫向排列的加熱螺栓320來調(diào)節(jié)。所述刻印單元采用激光刻印模塊171，其在由擠出機(jī)擠出后冷卻成型的鑄片的預(yù)設(shè)位置上刻印出v形或u形缺口印記。

作為優(yōu)選，該刻印模塊171設(shè)置為兩個，它們的刻印頭分別與模頭兩端部螺栓位置相固定，如可以使得刻印頭基座或其基準(zhǔn)位置與兩端部第一個或第二個的螺栓中心線沿唇口垂線對齊且嚴(yán)格固定，使其基座或其基準(zhǔn)位置在橫向方向上不能移位。

作為優(yōu)選，還可以僅設(shè)置一個刻印模塊171，但在支架190上設(shè)置一個與模頭唇口平行的導(dǎo)軌191，刻印模塊171的刻印頭可沿此導(dǎo)軌橫向移動，且該導(dǎo)軌上有多個與模頭螺栓有固定位置關(guān)系的?？奎c(diǎn)，從而可以在鑄片的多個預(yù)設(shè)橫向位置上形成一個v形或u形缺口印記。

圖4為刻印頭及周邊局部結(jié)構(gòu)示意圖圖，其中，圖4a為側(cè)視圖，圖4b為正視圖。結(jié)合圖2至圖4所示，bopp薄膜生產(chǎn)線中，擠出機(jī)300之后有冷卻成型單元500，其中包括激冷輥501、主氣刀502等模塊，擠出的熔體離開擠出機(jī)300的模頭唇片后，在主氣刀502等的外力作用下，迅速貼在低溫、高光潔度的激冷輥501上，熔體被快速冷卻并形成固體厚片即鑄片，刻印模塊171設(shè)置在沿熔體前進(jìn)方向上主氣刀502的前方。

結(jié)合圖1和圖4所示，鑄片經(jīng)拉伸牽引后形成寬卷薄膜，期間通過測厚儀400對其進(jìn)行厚度檢測；采集單元110從測厚儀400獲取薄膜剖面厚度曲線數(shù)據(jù)，由處理單元120進(jìn)行處理后向強(qiáng)度調(diào)節(jié)單元140、調(diào)焦單元150并通過同步單元130向驅(qū)動單元160發(fā)出指令信息，由所述強(qiáng)度調(diào)節(jié)單元140、調(diào)焦單元150和驅(qū)動單元160控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)170動作，刻印單元的刻印模塊171基于執(zhí)行機(jī)構(gòu)170的動作在快速冷卻成型的鑄片上進(jìn)行刻印。數(shù)據(jù)輸出單元180根據(jù)所輸往對象的要求，將計算獲得的各點(diǎn)厚度值及各螺栓位置輸出，同時可以通過監(jiān)視顯示器181對膜厚曲線和數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時顯示，并在厚度值超出預(yù)先設(shè)置的范圍時通過報警模塊182發(fā)出警示。

采集單元所采集到的薄膜剖面厚度曲線數(shù)據(jù)，可以是按某種格式排列的數(shù)值串，也可能是以薄膜剖面圖像形式呈現(xiàn)的，如一般測厚儀是以vga圖像輸送給顯示器的。如圖5所示，在以圖像形式采集的薄膜剖面數(shù)據(jù)即薄膜剖面圖像中，分別有兩幅剖面厚度曲線圖和一些字符信息；其中，a區(qū)域表示薄膜厚度曲線橫坐標(biāo)軸對應(yīng)的厚度基準(zhǔn)值35.5um及曲線畫面中坐標(biāo)系的縱向坐標(biāo)刻度值5％，這些值在測厚儀設(shè)定時確定；b區(qū)域?yàn)楸硎霎?dāng)前薄膜剖面的目標(biāo)厚度曲線，其坐標(biāo)軸按a區(qū)域的描述進(jìn)行設(shè)定，坐標(biāo)系中還含有與坐標(biāo)軸平行的輔助線。

結(jié)合圖5至圖6所示，有效的厚度監(jiān)測要為生產(chǎn)控制系統(tǒng)提供各螺栓位置及其在薄膜剖面上對應(yīng)的厚度值，由于所采集到的薄膜剖面圖像有著上述區(qū)塊特征，因此，本發(fā)明膜厚監(jiān)測系統(tǒng)的處理單元，內(nèi)設(shè)膜厚數(shù)據(jù)提取模塊，從系統(tǒng)中讀取或從圖像中提取出一條連續(xù)完整且無交叉的膜厚曲線，并根據(jù)從系統(tǒng)預(yù)設(shè)值中離線讀取的參考值，對該曲線上每個點(diǎn)，將其在圖像中的像素坐標(biāo)變換為所對應(yīng)的厚度值。

如圖6所示，膜厚數(shù)據(jù)提取模塊針對圖5中的b區(qū)域，首先對目標(biāo)圖像進(jìn)行灰度化和濾波處理，再根據(jù)顏色分量和坐標(biāo)特征獲取非連續(xù)膜厚曲線圖像g1和輔助點(diǎn)陣圖像g2；其次，進(jìn)行分層閾值分割，即對兩幅圖像g1和g2，分別進(jìn)行otsu閾值分割和雙閾值分割后得到二值化圖像g1′和g2′；然后，將g1′和g2′二者相合并生成一條連續(xù)完整且無交叉的膜厚曲線圖像g；最后，根據(jù)離線讀取的基準(zhǔn)厚度值、坐標(biāo)刻度值，對所生成膜厚曲線上每個點(diǎn)，按以下方法將其在圖像中的像素坐標(biāo)變換為所對應(yīng)的厚度值：

ti＝h(i)＝tj+(m_y-m_y0)/w*1％(1)

r＝(max(m_y)-min(m_y))/w*1％(3)

式中，h()為厚度映射，tj為基準(zhǔn)值，ti為第i個像素點(diǎn)對應(yīng)的厚度值，m_y為其像素縱坐標(biāo)，m_y0為橫坐標(biāo)軸的像素縱坐標(biāo)，n為提取的像素點(diǎn)總個數(shù)，w為曲線圖像中縱坐標(biāo)方向上每1％刻度長對應(yīng)的像素個數(shù)。

如圖7所示為膜厚曲線對比圖，其中，圖7a為一條實(shí)際厚度曲線與膜厚數(shù)據(jù)提取模塊所提取曲線的對比圖，圖7b為圖7a的局部放大圖。從圖中可以看出，所提取曲線與原厚度曲線高度吻合。

圖8給出了應(yīng)用本發(fā)明膜厚監(jiān)測方法對圖5所示的薄膜剖面厚度情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測獲取的薄膜厚度數(shù)據(jù)，其中厚度均值與厚度值用來作為后續(xù)的控制輸入信號，厚度極差值則是一個用作輔助提示的指標(biāo)。從實(shí)際數(shù)據(jù)與測得數(shù)據(jù)的相對偏差看，厚度均值相差0.28％，厚度極差值相差1.77％，準(zhǔn)確度高，完全滿足工程需要，為bopp薄膜生產(chǎn)中的控制設(shè)備提供了實(shí)時精確的厚度數(shù)據(jù)反饋。

在得到薄膜剖面各點(diǎn)厚度值后，需要對膜厚曲線進(jìn)行螺栓位置標(biāo)識才能進(jìn)行有效的膜厚監(jiān)測，為此，通過在鑄片的特定位置上進(jìn)行刻印并對印記進(jìn)行檢測判識。

結(jié)合圖1、圖9至12所示，測厚儀輸出的剖面厚度曲線的橫向采樣密度足夠高，當(dāng)刻印單元在鑄片上形成v形或倒拋物線的u形缺口印記時，由于刻印頭基座與螺栓的固定位置關(guān)系如刻印時使得印記的中心點(diǎn)與螺栓中心線沿唇口垂線對齊，經(jīng)采集單元110采集厚度曲線，處理單元120通過對所述曲線的極值點(diǎn)搜索和判斷，將獲得模頭螺栓在曲線上的準(zhǔn)確定位。此定位最少需要兩個，假設(shè)第u1和u2兩個螺栓對應(yīng)的兩個定位端點(diǎn)在厚度曲線的橫軸坐標(biāo)分別為x1和x2，則可以獲得其他螺栓的定位。對第uk個螺栓，其對應(yīng)的橫軸坐標(biāo)xk為：

其中，round()為四舍五入取整函數(shù)。

本發(fā)明基于薄膜厚度測量輔助定位的膜厚監(jiān)測方法，通過數(shù)據(jù)輸出單元輸出來自上述處理過程的標(biāo)記有所有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值(xk，h(xk))數(shù)對的集合，以及厚度曲線上各點(diǎn)的厚度值，還可根據(jù)要求對厚度值進(jìn)行統(tǒng)計和告警。式(4)中輸出的螺栓橫軸坐標(biāo)為整數(shù)值。

作為優(yōu)選，也可以采用如下(xk′，h′(k))數(shù)對來表示，其中：

h′(k)＝h(xk′)+(h(xk2′)-h(xk′))·(rk-xk′)(6)

其中，fix()為取整數(shù)部分函數(shù)，xk2′為xk′+1。

如圖9所示，以v形缺口印記為例，印記整體深度lz設(shè)定為所刻印鑄片厚度的0.05至0.1倍。

為了刻印出所述印記，可以選擇一次性形成，或用多次疊加的形成方法。如果用一次性形成法，需要較大功率的刻印模塊，且若連續(xù)在同一橫向位置刻印，對鑄片本身可能造成一些影響。為此，選擇如圖10所示的刻槽群形成法，假設(shè)薄膜以vy速度向下移動，刻槽群中的刻槽印記以vx速度進(jìn)行橫向來回移動，如圖中所示的刻槽群形成為v形印記的右半部分，即刻槽群總共含n＝2k個矩形刻槽。

結(jié)合圖9至12所示，寬度lx設(shè)定為一個值，使得能從測厚儀獲得的剖面厚度曲線上獲得足夠多的點(diǎn)，如在lx范圍內(nèi)，可采樣出ns＝2n個點(diǎn)。作為優(yōu)選，可以設(shè)定lx為與lz在相同數(shù)量級上。每個矩形刻槽的寬度dx和深度增量dz分別為印記整體寬度lx和深度lz的1/k，而其長度dy則可以選擇為：

使得相鄰矩形刻槽在縱向上相鄰或部分重合，從而使得同步后測厚儀能連續(xù)檢測到矩形刻槽。

如圖12所示為本發(fā)明方法的刻印工作流程圖，刻印周期即整個刻槽群周期為tq，測厚儀單程從一邊移動到另一邊的時間等于tq的整數(shù)倍。系統(tǒng)初始化后，從t0時刻開始刻印v形刻槽群，每個矩形刻槽的刻印小周期為tr，且tr＝tq/k。每刻印一個矩形刻槽，都要判斷是否已將k個刻槽刻印完畢，如果是，則等待下一刻槽群周期的到來，否則，要準(zhǔn)備下一次刻印：刻印頭復(fù)位準(zhǔn)備、驅(qū)動單元控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的精密運(yùn)動模塊進(jìn)行工位準(zhǔn)備、強(qiáng)度調(diào)節(jié)單元配合進(jìn)行刻印功率的調(diào)整、調(diào)焦單元改變聚焦點(diǎn)的高度，待到下一刻印小周期tr到來后，刻印當(dāng)前矩形刻槽。刻印時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動模塊要對薄膜移動進(jìn)行縱向速度補(bǔ)償?？逃≡阼T片上的印記隨鑄片被牽引后被測厚儀檢測到，并通過同步單元進(jìn)行同步。

由于刻印單元刻印的印記由多個深度不同的矩形刻槽組成，為了使得所有這些刻槽均能被測厚儀檢測到，通過同步單元為驅(qū)動單元提供刻印開始時刻的對齊。同步后，在測厚儀的一個單程掃描時間內(nèi)，僅需要刻印一個刻槽群，即所刻印的n個刻槽疊加后從正面看形成一個v形或u形缺口印記，就能實(shí)現(xiàn)輔助定位目的。

本發(fā)明基于薄膜厚度測量輔助定位的膜厚監(jiān)測方法通過刻印和檢測，能對模頭螺栓進(jìn)行準(zhǔn)確定位，所獲得標(biāo)記有所有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值數(shù)對集合，將傳送給控制器進(jìn)行薄膜厚度控制，同時將各點(diǎn)的厚度值以曲線或表格形式通過監(jiān)視顯示器進(jìn)行實(shí)時顯示。

除此之外，雖然以上將實(shí)施例分開說明和闡述，但涉及部分共通之技術(shù)，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員看來，可以在實(shí)施例之間進(jìn)行替換和整合，涉及其中一個實(shí)施例未明確記載的內(nèi)容，則可參考有記載的另一個實(shí)施例。

以上所述的實(shí)施方式，并不構(gòu)成對該技術(shù)方案保護(hù)范圍的限定。任何在上述實(shí)施方式的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在該技術(shù)方案的保護(hù)范圍之內(nèi)。