一種基于螺栓自定位的膜厚監測系統的制作方法

本發明涉及薄膜制造技術領域，具體涉及一種基于螺栓自定位的膜厚監測系統。

背景技術：

bopp薄膜即雙向拉伸聚丙烯薄膜是由雙向拉伸所制得的，它是經過物理、化學和機械等手段特殊成型加工而成的塑料產品。bopp生產線是一個非線性、時變、大延遲的復雜系統。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薄膜產品質量指標的物理機械性能如拉伸強度、斷裂伸長率、濁度、光澤等，因主要決定于材料本身的屬性，所以都易達到要求。而作為再加工性和使用性能的主要控制指標，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準允許的偏差范圍內，但經數千層膜收卷累計后，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象，使其降低或失去使用價值。所以bopp薄膜生產中最關鍵的質量間題是如何提高和穩定薄膜厚度精度。

薄膜厚度檢測技術主要采用紅外線、x射線、β射線等的透射式檢測方式。如申請號為2012204848603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，申請號為2012202105502的中國專利則通過紅外檢測來獲得薄膜厚度。申請號為2007201517097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，必須要實現厚度測量值和測量位置精確定位，申請號為2014204575910的中國專利則通過定邊裝置來進行基膜的對齊。

目前，為實時監測薄膜厚度，對測厚儀輸出的厚度數據進行螺栓對應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，也測量出膜幅的實際寬度，參照模頭的寬度來計算薄膜的縮頸量，進而對模頭螺栓進行對應。這兩種方法均需要人工根據實際生產情況進行輔助標識、測量和判斷，人工判斷不但不精確，也無法穩定。由于缺乏對薄膜剖面的連續準確監測，薄膜的厚度控制效果及所生產產品的質量往往受到影響。為此，需要解決通過對擠出機模頭螺栓準確定位來對薄膜剖面厚度進行有效監測的問題。

技術實現要素：

有鑒于此，本發明的目的在于提供一種能輔助測厚儀對螺栓進行自定位的監測系統，通過動態調節一組選定的螺栓，對測厚儀輸出的薄膜剖面厚度曲線進行處理和計算，判斷螺栓定位的偏差并相應調整螺栓位置估計，從而對擠出機模頭螺栓進行準確定位，輸出薄膜剖面各點厚度值，并在厚度曲線上標記各模頭螺栓位置，用來對bopp薄膜生產進行在線式薄膜厚度監測。

本發明的技術解決方案是，提供一種以下結構的基于螺栓自定位的膜厚監測系統，其包括采集單元、計算單元、判識單元、調節單元和數據輸出單元；

所述采集單元從測厚儀獲取薄膜剖面厚度曲線數據；

所述計算單元計算獲取各點薄膜厚度和估算擠出機模頭各螺栓的位置，并通過自定位處理調整估算位置；

所述判識單元檢索、識別待處理螺栓；

所述調節單元對待處理螺栓進行溫度調節，控制執行機構改變擠出機唇口的開度；

所述數據輸出單元輸出剖面各點厚度值，在厚度曲線上標記各模頭螺栓位置，并在厚度值超出預先設置的范圍時發出警示。

作為優選，所述薄膜剖面厚度曲線數據以薄膜剖面圖像形式表達，所述圖像中包括分別以不同顏色表示的一條膜厚曲線、坐標軸和與坐標軸平行的輔助線。

作為優選，所述判識單元在檢索周期檢索出所有厚度偏差異號的相鄰螺栓組合，選擇組合內差別最小一組作為待處理螺栓，并由所述調節單元僅對此一組螺栓進行調節。

作為優選，判識單元對所述調節后的薄膜厚度進行檢測判別，根據所述螺栓組合范圍內零偏差位置的移動來調節螺栓位置。

作為優選，所述調節單元通過執行機構以pwm方式來控制模頭螺栓固態繼電器的通斷，從而通過控制螺栓的溫度來調節該螺栓所在模頭段的開度，以實現該螺栓所對應薄膜區段的厚度調節。

作為優選，所述調節單元通過執行機構以pfm方式來控制模頭螺栓固態繼電器的通斷，從而通過控制螺栓的溫度來調節該螺栓所在模頭段的開度，以實現該螺栓所對應薄膜區段的厚度調節。

采用本發明的方案，與現有技術相比，具有以下優點：本發明應用于薄膜生產在線厚度的實時監測，實時采集測厚儀上的薄膜剖面厚度信號，通過對厚度偏差異號的一組螺栓進行調節并根據調節后零偏差點的位置移動，對當前螺栓估計位置進行相應調節，從而在薄膜剖面厚度曲線上定位出所有螺栓位置，實現了對薄膜厚度測量位置的自動準確定位，有效防止了人為判斷錯誤的影響，為進行薄膜厚度控制提供了實時有效依據。而且，本發明的自動定位過程短、調節動作量小，避免了長時間螺栓加熱對正常生產的影響。

附圖說明

圖1為bopp生產工藝流程示意圖；

圖2為本發明基于螺栓自定位的膜厚監測系統的結構示意圖；

圖3為擠出機模頭局部結構示意圖；

圖4為bopp生產中測厚儀顯示界面圖；

圖5為計算單元提取目標曲線數據流程圖；

圖6為膜厚曲線對比圖；

圖7為薄膜厚度值實時監測的統計結果；

圖8為擠出機模頭螺栓定位偏差示意圖；

圖9為模頭螺栓定位偏右時膜厚調節示意圖；

圖10為模頭螺栓定位偏左時膜厚調節示意圖；

圖11為螺栓自定位工作流程圖；

圖12為橫向膜厚調節信號示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的優選實施例進行詳細描述，但本發明并不僅僅限于這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精神和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。

為了使公眾對本發明有徹底的了解，在以下本發明優選實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。

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

如圖1所示，bopp生產從原材料熔融開始，經擠出成型為厚片即鑄片，鑄片再經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行切邊和電暈等處理，最后收卷為大母卷，后續按訂單要求對母卷進行分切和包裝。由于厚度對產品質量起著至關重要的作用，因此，在bopp生產中往往用兩臺測厚儀分別對鑄片和寬卷薄膜進行厚度實時監測，兩臺測厚儀均可對外輸出剖面的厚度數據集，同時它們均還連接顯示器以顯示鑄片或寬卷薄膜的剖面圖像。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，本發明基于螺栓自定位的膜厚監測系統100，其包括采集單元110、計算單元120、判識單元130、調節單元140和數據輸出單元150。采集單元110從測厚儀獲取薄膜剖面厚度曲線數據后傳送給計算單元120；由計算單元120進行螺栓位置的初始計算，并在所采集的厚度曲線的橫坐標上標出，獲取各螺栓位置及其在薄膜剖面上對應的厚度值，由數據輸出單元150輸出給其他模塊如膜厚控制器。數據輸出單元150可根據所輸往對象的要求，將計算獲得的各點厚度值及各螺栓位置輸出，同時可以通過監視顯示器151對膜厚曲線和數據進行實時顯示，并在厚度值超出預先設置的范圍時通過報警模塊152發出警示。

判識單元130根據當前的薄膜剖面厚度值集合，檢索、識別出待處理螺栓，由調節單元140通過執行機構200對擠出機300中的所述待處理螺栓進行溫度控制，調節模頭唇口開度，從而調節薄膜厚度；判識單元130還要對上述調節后的厚度改變結果進行二次檢索和判別并相應地調整螺栓位置，更新數據輸出單元150的內容。

采集單元所采集到的薄膜剖面厚度曲線數據，可以是按某種格式排列的數值串，也可能是以薄膜剖面圖像形式呈現的，如一般測厚儀是以vga圖像輸送給顯示器的。結合圖1～2所示，第一測厚儀401及第二測厚儀402均將厚度信息生成為薄膜剖面圖像后將該圖像傳送給儀器顯示器203并經采集單元110轉送到計算單元120。作為優選，采集單元110還可以包括兩個vga信號分配器即vgasplitter111和112，它們分別將第一測厚儀401、第二測厚儀402發給儀器顯示器203的vga信號進行分為兩路，一路供儀器顯示器203使用，一路供采集單元110采集使用。

結合圖2和圖3所示，擠出機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來調節。本發明為進行模頭螺栓的準確定位，需要對擠出機模頭上的部分螺栓320進行動態調節以輔助判斷。

如圖4所示，在以圖像形式采集的薄膜剖面數據即薄膜剖面圖像中，分別有兩幅剖面厚度曲線圖和一些字符信息；其中，a區域表示薄膜厚度曲線橫坐標軸對應的厚度基準值35.5um及曲線畫面中坐標系的縱向坐標刻度值5％，這些值在測厚儀設定時確定；b區域為表述當前薄膜剖面的目標厚度曲線，其坐標軸按a區域的描述進行設定，坐標系中還含有與坐標軸平行的輔助線。

結合圖4至圖5所示，監測過程中，計算單元要輸出各螺栓位置及其在薄膜剖面上對應的厚度值，由于其所依據的薄膜剖面圖像有著上述區塊特征，因此，監測系統的計算單元，內設曲線提取模塊，從圖像中提取出一條連續完整且無交叉的膜厚曲線，并根據從系統預設值中離線讀取的參考值，對該曲線上每個點，將其在圖像中的像素坐標變換為所對應的厚度值。

如圖5所示，針對圖4中的b區域，首先對目標圖像進行灰度化和濾波處理，再根據顏色分量和坐標特征獲取非連續膜厚曲線圖像g1和輔助點陣圖像g2；其次，進行分層閾值分割，即對兩幅圖像g1和g2，分別進行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完整且無交叉的膜厚曲線圖像g；最后，根據離線讀取的基準厚度值、坐標刻度值，對所生成膜厚曲線上每個點，將其在圖像中的像素坐標變換為所對應的厚度值。

如圖6所示為膜厚曲線對比圖，其中，圖6a為一條實際厚度曲線與計算單元所提取曲線的對比圖，圖6b為圖6a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7給出了本發明膜厚監測系統對圖4所示的薄膜剖面厚度情況進行實時監測獲取的薄膜厚度數據，其中厚度均值與厚度值用來作為后續的控制輸入信號，厚度極差值則是一個用作輔助提示的指標。從實際數據與測得數據的相對偏差看，厚度均值相差0.28％，厚度極差值相差1.77％，準確度高，完全滿足工程需要，為bopp薄膜生產中的控制設備提供了實時精確的厚度數據反饋。

在得到薄膜剖面各點厚度值后，需要對膜厚曲線進行螺栓位置標識才能進行有效的膜厚控制，但傳統的螺栓位置標識需要人工來定位，這必將引入偏差。如圖8所示為擠出機模頭螺栓定位偏差示意圖，其中，圖8a給出了螺栓實際位置在估計位置左側時的情況，圖8b給出了螺栓實際位置在估計位置右側時的情況。圖中，中部水平直線為設定厚度值對應的參考線，曲線為計算得到的厚度曲線，下方和上方的三角形分別示意估計和實際的螺栓位置。bopp薄膜生產在鑄片橫拉過程中，其拉伸比為7-9倍，對于如8280mm的寬卷規格，其鑄片寬度約為1000mm，模頭螺栓為39個時，每個螺栓對應鑄片寬度約為25mm，除去兩端相對較為固定的螺栓，中部每個調節螺栓對應在圖中的寬度基本相同。

從圖8a可以看出，當估計位置偏右時，估計在j處和k處的螺栓其實際位置在j1、k1處，其中，j1處螺栓的偏差為正值，但由于其估計位置在j處，在進行厚度調節時，將因按j處偏差來控制模頭唇口開度即增大開度而變厚，即j1螺栓處膜厚的偏差不但不會減小，還將增大；類似地，k1螺栓處的膜厚偏差將因按k處偏差來控制即保持模頭唇口開度而不會減小。當螺栓估計位置偏左時，如圖8b所示，也將出現相同的問題，螺栓r1、s1處位置的膜厚偏差將因分別按r、s處偏差來進行控制而進一步增大偏差，螺栓t處位置的膜厚偏差則與k處類似，偏差不會減小。

為此，為了使得后續的膜厚控制能夠收斂到零偏差而不在零偏差上下反復振蕩，應該使得螺栓估計位置盡量接近實際位置。本發明通過動態調節特定螺栓并根據調節效果來判斷估計位置是偏左還是偏右。

如圖9和10所示，當模頭螺栓估計位置偏左或偏右時，其膜厚調節效果將不同。在兩圖中，x軸表示偏差參考線，直線ab表示兩個估計螺栓位置a和b之間的膜厚曲線段，不失一般性，假設a和b關于x軸對稱分布且其間的厚度值呈直線分布；p點為ab和x軸的交點，為當前零偏差點。c和d點分別為所估計位置a和b對應兩個螺栓的實際位置，即按a、b處偏差進行的螺栓調節，實際將分別發生在c、d處，直線cd為直線ab的水平移動平行線，其中圖9中為左移而圖10中為右移；m點為cd與x軸的交點。圖中，u、v和e及f、g為輔助箭線的末端點，直線fg為對c、d兩處螺栓基于a、b處偏差進行比例控制調節后新的膜厚曲線段，fg與x軸的交點為q點，各垂直箭頭為比例控制后膜厚的改變，dm為螺栓位置的估計偏差值，dzf為比例控制前后零偏差點位移量。

如圖11所示，本發明系統的螺栓自定位工作流程為：

(s1)首先進行系統初始化，設定周期、閾值；

(s2)從測厚儀采集薄膜剖面厚度曲線數據，計算曲線上各點的厚度值；

(s3)如果已有定位數據則轉s4，否則進行初始定位，通過人工對邊后，將各螺栓均勻分布在曲線橫軸上，更新螺栓定位位置集合和模頭螺栓位置與厚度的數對集合，之后轉s7；

(s4)如果不是檢索周期則轉s5，否則進行螺栓檢索，搜索所有厚度偏差正負異號的相鄰螺栓組合，并選擇其中厚度偏差的差別最小的一組標記為(mj1，mj2)作為待處理螺栓，由調節部通過控制模塊對該兩個螺栓進行按各自厚度偏差的比例控制，同時記錄兩個螺栓之間厚度偏差為零的點的橫坐標xp，之后轉s7；

(s5)如果不是判別周期，則轉s6，否則進行螺栓位置估計偏差的判斷和調節，再次檢索螺栓(mj1，mj2)之間的零偏差點，記其橫坐標為xq；比較xq和xp，如果兩者差值在設定閾值范圍內，則轉s8；若xq小于xp則將所有螺栓右移，否則將所有螺栓左移，更新螺栓定位位置集合和模頭螺栓位置與厚度的數對集合，之后轉s7；

(s6)定位不作處理，由外部執行機構對各螺栓進行常規調節來實現膜厚一致性控制，轉s7；

(s7)等待下一周期到來，轉s2；

(s8)定位完畢，結束。

在上述比例控制調節和常規調節后，擠出機唇口開度改變，擠出成型鑄片的厚度也相應被調整，鑄片經拉伸后被測厚儀進行厚度檢測，相應地，采集單元獲得的厚度信息也不斷被刷新。判別周期在檢索周期之后，其間的延時根據生產進行測定。

作為優選，自動螺栓定位過程中，檢索周期與判別周期的時間跨度可根據當前膜厚的總體偏差進行調整，且自動定位也可以根據膜厚變化重復進行。

結合圖9～11所示，為進行螺栓位置估計偏差的判斷，對擠出機模頭上中部各可調節螺栓，基于當前估計位置進行檢索，找到離厚度參考線最近且偏差值正負異號的一對螺栓，對它們進行比例控制。如圖9所示，實際螺栓位置在估計位置左側，圖中假設a、b兩處偏差值相等，則對c、d兩個螺栓進行比例控制后，兩處厚度的改變量將分別與如圖9b所示的a、b兩處的箭頭一致，即將a、b兩處的箭頭水平左移為箭頭u和v。那么，如圖9c所示，a處實際得到的調節量將是a位置對應在三角形muc中如箭頭e所示的分量。如圖9d所示，將箭頭e和v的首端分別平移到a點和d點在直線ab上的投影點，得到箭線f和g，則fg為對c、d兩處螺栓基于a、b處偏差進行比例控制調節后新的膜厚曲線段。圖9a為圖9b、9c和9d的綜合圖，圖10與圖9類似。

從圖9和圖10可以看出，fg與x軸的交點q，其位置在p點左側還是右側，取決于m的位置，q與m分處于原零偏差點p的兩側。因此，在自動螺栓定位過程中，當發現q在p右側時，說明原螺栓估計位置偏右，應該將估計位置左移，如圖9所示；反之，則應該將估計位置右移，如圖10所示。

為選擇合適的估計位置位移量，可以通過離線實驗，事先建立螺栓位置的估計偏差值dm與比例控制前后零偏差點位移量dzf之間的映射關系表，在線調節時，先計算出當前dzf然后通過查表獲得估計偏差值dm。

計算單元通過自定位過程，將獲得模頭螺栓在曲線上的準確定位。此定位最少需要兩個，假設第u1和u2兩個螺栓對應的兩個定位端點在厚度曲線的橫軸坐標分別為x1和x2，則可以獲得其他螺栓的定位。對第uk個螺栓，其對應的橫軸坐標xk為：

其中，round()為四舍五入取整函數。

本發明基于螺栓自定位的膜厚監測系統中的數據輸出單元，輸出來自上述處理過程的標記有所有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值(xk，h(xk))數對的集合，以及厚度曲線上各點的厚度值，還可根據要求對厚度值進行統計和告警。

上述比例控制和常規調節，都是將厚度偏差轉換為溫度補償值，通過模頭上的調節器以脈沖的方式來控制加熱控制通道上固態繼電器的通斷，從而控制當前模頭螺栓的溫度。由于金屬的熱脹冷縮性質，當加熱器導通時鑄片唇口的縫隙壓縮，這樣鑄片唇口的薄膜厚度會逐漸減小，反之則增加。

如圖12所示為調節單元控制信號示意圖，調節單元可以通過如圖12a所示的pwm波或者如圖12b所示的pfm波來指令。其中，pwm波的周期ts保持不變，通過改變一周期內導通時間ton來調節控制量；而pfm則保持導通時間不變，通過改變周期的大小來調節控制量。作為優選，在制造過程中，加熱頻繁時可選用pwm方式，否則可選pfm方式。

本發明基于螺栓自定位的膜厚監測系統通過優選特定的一組螺栓進行厚度比例調節，并根據調節前后膜厚的變化來對螺栓估計位置進行調整，能快速對模頭螺栓進行準確定位，所獲得標記有所有模頭螺栓位置的薄膜剖面厚度值數對集合，將傳送給控制器進行薄膜厚度控制，同時將各點的厚度值以曲線或表格形式通過監視顯示器進行實時顯示。

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

以上所述的實施方式，并不構成對該技術方案保護范圍的限定。任何在上述實施方式的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在該技術方案的保護范圍之內。