薄膜雙面自動對位間歇式涂敷方法

陳 靜，王 清，楊 坤

（武漢理工大學自動化學院，湖北 武漢 430070）

隨著材料、化工以及電子技術的迅速發展，膜材料的使用越來越廣泛，這也使人們對于膜材料的加工技術和工藝提出了更高的要求。在一般情況下，所使用的膜材料只有某一種特性，但是在實際應用中，尤其是在一些高新技術產業（如化工、電力、海洋科技、海水資源開發技術等）中，通常會需要用到具有兩種或兩種以上特性的復合膜材料［1－2］，即在待涂敷膜組件（如塑料薄膜、玻璃紙、金屬箔等）上涂敷兩種或兩種以上的膜材料。

另外，在一些應用中，對于復合膜不僅有材料上的特殊要求，有時對于其在待涂敷膜組件上的分布位置也提出了具體的要求，如復合膜在待涂敷膜組件上不是連續分布的，而是均勻地、間歇式地分布在待涂敷膜組件上［3］。傳統的方法或者為連續式的涂敷，或者只能涂敷單面膜材料，或者無自動對位的功能，這就不能保證涂敷的精確度?；诖?，筆者提出一種薄膜雙面自動對位間歇式涂敷方法。首先描述了實現特殊膜材料的涂敷原理，接著分析了薄膜雙面自動對位間歇式涂敷的控制要求與控制方案，得出了薄膜雙面自動對位間歇式涂敷的自動對位時序邏輯。

1 特殊膜材料的涂敷原理

筆者提出的薄膜雙面自動對位間歇式涂敷方法的兩種涂敷膜經過定位和熱壓后涂敷在待涂敷膜組件的上下兩個對稱的窗口中。實現該方法的涂敷原理如圖1所示，在待涂敷膜組件C上間歇地涂敷兩層涂敷膜A和B。

圖1 涂敷原理圖

將帶有涂敷窗口的待涂敷膜組件C分布在中間位置，在待涂敷膜組件上方與下方的位置上分別布置一種涂敷膜組件A、B，這3種薄膜組件分別由3組具有傳動功能的輥輪在伺服電機的帶動下同步運動，即它們的線速度相等，都為V。

圖2 待涂敷窗口

用一個色標定位傳感器檢測位于待涂敷膜組件上的涂敷窗口，這些窗口上下對稱，具有相同的形狀，各窗口之間斷續，且任意相鄰兩個窗口之間的距離相等，待涂敷窗口如圖2所示。待涂敷膜組件的寬度為L1，由3層薄膜材料組成:中間層為待涂敷膜的基底膜，上下兩層為帶有窗口的密封層。窗口長度為L2，寬度為L3（L3＜L1），且前一個窗口左邊緣到后一個窗口右邊緣的距離為L4。

當色標定位傳感器檢測到其中某一個窗口的右邊緣后，就發出一個信號，經過很短的時間t1后使液壓傳動裝置帶動兩個轉印壓輥，將上下兩個轉印壓輥所傳輸的涂敷膜組件A、B同時向著中間的待涂敷膜組件C上的涂敷窗口進行輥壓，從而將涂敷膜A和B分別輥壓在涂敷窗口的上下兩層。t1的值由式（1）得出，即:

式中:t1為色標定位傳感器發出一個信號到兩個轉印壓輥開始動作的時間；t2為液壓傳動裝置收到輥壓信號到轉印壓輥向中間輥壓至待涂敷膜組件上的時間；d1為傳感器到轉印壓輥的壓輥點的水平距離；V為伺服電機帶動3種膜材料的線速度。

輥壓一段時間t（t=L2/V）后，該待涂敷膜組件C的上下兩層涂敷窗口內已經布滿了涂敷膜A和B，此時立即控制液壓傳動裝置帶動兩個轉印壓輥向著上下兩側原始位置復位，使其恢復到未輥壓時的原始位置，為下次輥壓工作做準備。

通過以上步驟，可完成待涂敷膜組件上的某一個涂敷窗口內的復合膜材料的制備。當色標定位傳感器檢測到下一個新的涂敷窗口時，重復上述過程，就可完成另一個復合膜材料的制作。

2 控制精度要求與控制方案

2.1 控制精度要求

筆者所使用的3種膜組件除了待涂敷膜組件C是水平傳輸的，其他兩種涂敷膜組件在壓輥點附近部分都是以轉印壓輥的壓輥點為頂點，與轉印壓輥的鉛垂線方向（±y軸方向）成一定角度α（α＜90°），這樣就可以避免轉印壓輥在輥壓時涂敷膜材料的未輥壓部分與待涂敷膜組件的接觸。

在轉印壓輥未執行輥壓工作時，輥輪的頂端與中間層的待涂敷膜組件表面有一定的距離d，保證在未執行輥壓工作時3種膜材料A、B、C相互不接觸。

轉印壓輥的工作信號，是由一個位于壓輥點前端的色標傳感器（其位于轉印壓輥頂點前方，距該頂點水平距離x軸方向為d1）發出的，該傳感器用以檢測待涂敷膜組件上的窗口，當檢測到其中一個窗口的右邊緣后，就發出一個信號，通過液壓傳動設備將上下兩個轉印壓輥同時向著中間的待涂敷膜組件輥壓［4］。

轉印壓輥在執行輥壓任務時，輥輪的上下運動會增大涂敷膜組件的張力，這時位于轉印壓輥后方的活動輥就可以在絲桿傳動的控制下通過左右（x軸方向）運動來減小涂敷膜組件上的張力，使得涂敷膜組件上張力的增幅控制在一定范圍以內。如果涂敷膜組件的張力超出了預設的范圍，那么位于浮動輥前方的張力傳感器就會發出警報，同時發出信號，通過控制伺服電機的轉速（角速度）來適當地減小涂敷膜組件上的張力［5－9］。

當設備工作一段時間后，圖1中的放卷輥（S1、S2、S3）的半徑會減小，而相對的收卷輥（R1、R2、R3）的半徑則會增大。為保證3種膜材料的線速度相等，需要調節每一個輥輪的角速度:增大放卷輥的角速度，或者減小收卷輥的角速度，或者同時增大放卷輥的角速度和減小收卷輥的角速度。

2.2 控制方案

薄膜雙面自動對位間歇式涂敷的控制系統組成如圖3所示。主控制器主要采集從色標定位傳感器和張力傳感器傳送來的各種數據，經過處理后將控制信號傳送至液壓傳動器，從而控制轉印壓輥的動作。另外，主控制器還控制放卷輥、收卷輥的轉速（線速度V不變，角速度則隨著時間的變化而發生持續的變化），通過控制角速度以及活動輥的位置，來控制各組膜組件的張力。

轉印壓輥的工作過程主要采用順序控制的方式，按照預先設置好的時間來控制轉印壓輥的運動［10］，其具體的邏輯控制流程圖如圖4所示。

圖3 控制系統的組成

圖4 轉印壓輥的邏輯控制流程圖

3 自動對位時序邏輯

由于各個窗口之間是斷續而非連續的，當轉印壓輥收到輥壓信號從而進行輥壓任務一段時間后，轉印壓輥要復原到原來的位置，這就保證了復合膜材料被涂敷的間歇性，而輥壓的時間t可以根據窗口的長度L2和基底材料的傳送速度V通過式（2）得到:

對于涂敷相鄰兩個窗口時的時序問題，可以通過控制電路，做以下的時序控制。

若色標定位傳感器檢測到某一個窗口a0的右邊緣時的時間點為T11，轉印壓輥開始往待涂敷膜組件輥壓的時間點為T12，則:

轉印壓輥輥壓完畢且開始向初始位置復位的時間點為T13，則:

轉印壓輥復位至初始位置的時間點為T14，則:

式中:t3為轉印壓輥輥壓完畢后向兩側復位至未輥壓時位置的時間。

若傳感器檢測到窗口a0后面相鄰的一個窗口a1的右邊緣時的時間點為T21，轉印壓輥開始向待涂敷膜組件輥壓的時間點為T22，則:

轉印壓輥輥壓完畢且開始向初始位置復位的時間點為T23，則:

轉印壓輥復位至初始位置的時間點為T24，則:

兩個窗口a0和a1從轉印壓輥開始輥壓到轉印壓輥復位至初始位置的時間段分別為T12～T14和T22～T24，只要按這個時序控制轉印壓輥的動作，并且保證這兩個時間段不重合，就可以保證涂敷工作的正確性（若重合，則會造成轉印壓輥無法復位的錯誤情況），這兩個時間段的時間間隔t4為:

只要t4≥0，即通過控制V或者L4的預設值的大小，使得L4/V≥t2+t3，就可以使這兩個時間段不重合。

4 結論

復合膜材料在許多行業中都有著廣泛的應用，筆者主要研究一種薄膜雙面自動對位間歇式涂敷方法，能夠在待涂敷薄膜上間歇地涂敷兩層薄膜材料。與現有的多層復合膜制作工藝相比較，該方法具有工藝過程簡單，對位涂敷精度高，

定位易于控制，可實現復合膜的間歇式涂敷，便于批量制造等優點。

［1］付彥青.膜電極涂敷運動控制系統研究與設計［D］.武漢:武漢理工大學圖書館，2010.

［2］王剛.柔性薄膜涂敷裝置運動控制系統研究與設計［D］.武漢:武漢理工大學圖書館，2010.

［3］夏澤中，王剛，付彥青.柔性材料涂敷裝置位置控制系統仿真［J］.武漢理工大學學報:信息與管理工程版，2010，32（6）:877 －881.

［4］李燕琴，周立平，王軍，等.全自動對位貼合機自動控制系統［J］.電子工藝技術，2005，26（1）:37 －40.

［5］王筵，李俊.卷繞機構薄膜張力的模糊控制研究［J］.電子機械工程，2003，19（1）:55 －58.

［6］陳浩.基于高性能DSP的恒張力控制系統研究［D］.武漢:華中科技大學圖書館，2005.

［7］張敏，趙小惠，王錦.基于遺傳算法PID控制器在張力控制中的應用［J］.西安工程科技學院學報，2004，18（2）:157 －159.

［8］邵躍軍，胡建軍，吳濟田，等.塑料薄膜復合機張力控制系統機械結構:中國，CN 201483856 U［P］.2010－05－26.

［9］沈克波.一種薄膜開卷放卷的張力控制裝置:中國，CN 201456309 U［P］.2010 －05 －12.

［10］韓朝暉，高晴.基于順序控制的流程實現方法［J］.工礦自動化，2006，10（5）:89－90.