陳 靜，周雪松，楊 坤

(武漢理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，湖北 武漢430070)

隨著微電子技術(shù)及先進(jìn)制造技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)薄膜材料的需求日益增加［1］，實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常需要將兩層或多層不同材料的薄膜進(jìn)行復(fù)合使用，即在基底薄膜(如塑料薄膜、玻璃紙、紙張和金屬箔等)上貼合其他薄膜材料(簡(jiǎn)稱貼敷膜)，從而獲得具有綜合性質(zhì)的薄膜產(chǎn)品［2］。

傳統(tǒng)的方法是先分別對(duì)貼敷膜進(jìn)行模切加工，然后再進(jìn)行貼合，這種方法難以保證兩貼敷膜之間預(yù)定的位置關(guān)系，尤其當(dāng)貼敷膜為易形變和易損壞的柔性薄膜材料時(shí)，傳統(tǒng)方法很難控制薄膜貼合的精度和效率［3－4］。

筆者針對(duì)該薄膜在貼合過(guò)程中易形變、易損壞、易偏移、對(duì)位精度要求高等問(wèn)題，提出了一種薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合方法，其包括薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合工藝，薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合設(shè)備，以及薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合控制系統(tǒng)。

1 薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合工藝

筆者提出的薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合方法中，貼敷膜和基底薄膜均有3 層結(jié)構(gòu)，即自上而下依次是保護(hù)膜、貼敷膜(基底薄膜)和保護(hù)膜。針對(duì)貼敷膜和基底薄膜在貼合過(guò)程中易形變和易受損的特性，提出了對(duì)這3 種薄膜進(jìn)行貼合的工藝。薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合工藝如圖1 所示。

圖1 薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合工藝圖

貼敷膜1 和貼敷膜2 在沖切之后，分離貼敷膜1 和貼敷膜2 的上層保護(hù)膜，即此時(shí)貼敷膜1和貼敷膜2 變?yōu)閮蓪咏Y(jié)構(gòu)，其中上層為帶有沖切窗口的貼敷膜，下層為保護(hù)膜。

分離掉基底薄膜的上層保護(hù)膜，即此時(shí)基底薄膜變?yōu)? 層結(jié)構(gòu)，其中上層為基底薄膜，下層為保護(hù)膜。然后將揭掉上層保護(hù)膜的貼敷膜與該基底膜壓合到一起。接著進(jìn)行最后一道工序，即另外一層貼敷膜與基底膜的壓合［5－6］。

在進(jìn)行最后一道壓合工序之前，將基底膜的另一層保護(hù)膜揭掉。然后對(duì)兩層貼敷膜的窗口進(jìn)行定位。在定位完成之后完成壓合，從而得到兩面帶有定位沖切窗口的復(fù)合膜，其結(jié)構(gòu)為:最外側(cè)的兩層為保護(hù)膜，次外側(cè)的兩層為帶有定位沖切窗口的貼敷膜，中間層為基底薄膜。兩面帶有定位沖切窗口的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 兩面帶有定位沖切窗口的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)

2 薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合的裝置結(jié)構(gòu)

根據(jù)薄膜模切貼合工藝，需要對(duì)準(zhǔn)貼敷膜沖切窗口并保證基底薄膜兩面的貼敷膜窗口具有給定的相互位置，定位精度要求很高，僅靠普通的貼合手段很難實(shí)現(xiàn)薄膜的雙面自動(dòng)定位模切貼合［7－8］。因此設(shè)計(jì)了一種基于傳感與檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，以及機(jī)械制造技術(shù)等的薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合裝置。

圖3 為薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合裝置結(jié)構(gòu)的示意圖，主要由輥輪、沖切裝置、控制系統(tǒng)等部分組成，完成對(duì)薄膜的沖切和貼合。

圖3 薄膜雙面自動(dòng)定位模切合裝置結(jié)構(gòu)示意圖

薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合方法實(shí)現(xiàn)步驟為:

(1)在一個(gè)工位時(shí)，第一沖切模沖切貼敷膜1，將貼敷膜1 的上面兩層切斷，中間膜(即貼敷膜)被沖切成窗口，圖3 中a 為第一沖切模的中心線。第一沖切模沖切完畢后，將由牽引輥P1 和牽引輥P2 同步牽引薄膜，進(jìn)行輥壓操作。在牽引薄膜到達(dá)下一個(gè)工作步距的過(guò)程中，貼敷膜1 的上側(cè)保護(hù)膜經(jīng)分離輥F1 與其余兩層分離，由收卷輥R1－1卷取?；妆∧さ囊粋?cè)保護(hù)膜經(jīng)分離輥F2分離，由收卷輥R3－1卷取。然后經(jīng)過(guò)壓輥P1，基底薄膜一側(cè)與貼敷膜上側(cè)貼合在一起。

(2)在色標(biāo)傳感器的位置，色標(biāo)傳感器檢測(cè)貼敷膜1 上的實(shí)際窗口標(biāo)記線與檢測(cè)基準(zhǔn)線b 的位移Δl(即向右偏移)，位移信號(hào)被控制系統(tǒng)中的控制器處理后向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)第二沖切模移動(dòng)，使第二沖切模窗口刀具標(biāo)記與貼敷膜1 上的實(shí)際窗口標(biāo)記關(guān)于壓輥接觸線o 對(duì)稱，即第二沖切模窗口刀具標(biāo)記距離檢測(cè)基準(zhǔn)線c 的位移為－Δl(即向左移動(dòng))，第二沖切模對(duì)貼敷膜2 進(jìn)行沖切。當(dāng)實(shí)際窗口標(biāo)記線與檢測(cè)基準(zhǔn)線b 的位移為－ Δl(即向左偏移)時(shí)，驅(qū)動(dòng)第二沖切模移動(dòng)，使第二沖切模窗口刀具標(biāo)記距離檢測(cè)基準(zhǔn)線c 的位移為Δl(即向右移動(dòng))。于是，第二沖切模在貼敷膜2的沖切窗口與貼敷膜1 上的已沖切窗口關(guān)于壓輥接觸線o 自動(dòng)對(duì)稱對(duì)齊。

(3)貼敷膜2 的上側(cè)保護(hù)膜經(jīng)分離輥F4 與其余兩層分離，由收卷輥R2－1卷取;基底薄膜的另一側(cè)保護(hù)膜經(jīng)分離輥F3 分離，由收卷輥R3－2卷取。

(4)經(jīng)過(guò)壓輥P2，在基底薄膜的另一側(cè)，貼合上已處理的貼敷膜2，得到了以基底薄膜為中間層的兩面帶有定位沖切窗口的貼敷膜1 和貼敷膜2 的復(fù)合膜，該復(fù)合膜由收卷輥M 卷取。S1、S2和S3為薄膜收卷輥。

3 薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合控制系統(tǒng)

薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合裝置是薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合方法得以實(shí)現(xiàn)的機(jī)械設(shè)備，薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合控制系統(tǒng)則是該方法得以實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵。針對(duì)該裝置設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)主要由控制器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器、伺服電機(jī)，以及絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4 所示［9］。

圖4 自動(dòng)定位模切貼合控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在圖4 所示的控制系統(tǒng)中，控制器選用PLC，組成一個(gè)PLC 控制系統(tǒng)。PLC 有抗干擾能力強(qiáng)，適用性強(qiáng)的特點(diǎn)，故對(duì)于該貼合精度高，貼合工藝復(fù)雜的系統(tǒng)，用其作控制器是比較合適的。PLC 輸出控制信號(hào)給驅(qū)動(dòng)器，由驅(qū)動(dòng)器完成對(duì)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)開(kāi)始對(duì)薄膜進(jìn)行相關(guān)操作。

伺服電機(jī)選用交流同步伺服電機(jī)，目前運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中一般都用功率范圍大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的同步電機(jī)。其最高轉(zhuǎn)動(dòng)速度低，且隨著功率增大而快速降低，因而適用于低速平穩(wěn)運(yùn)行的場(chǎng)合，十分適合薄膜貼合控制系統(tǒng)［10］。在該系統(tǒng)中伺服電機(jī)主要帶動(dòng)各個(gè)傳動(dòng)輥輪，傳送收卷薄膜，并帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)第二沖切模移動(dòng)。傳感器選用的是光電色標(biāo)傳感器，傳感器檢測(cè)貼敷膜1上的實(shí)際窗口標(biāo)記線與檢測(cè)基準(zhǔn)線b 的位移Δl，并將位移信號(hào)通過(guò)A/D 轉(zhuǎn)換后傳送給控制器;控制器將該位移信號(hào)處理后，向驅(qū)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)絲桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)第二沖切模移動(dòng)，使第二沖切模窗口刀具標(biāo)記距離檢測(cè)基準(zhǔn)線c 為給定的位移－Δl，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)貼敷膜2沖切位置的自動(dòng)對(duì)稱定位［11］。

系統(tǒng)在執(zhí)行定位控制時(shí)，考慮到定位系統(tǒng)的執(zhí)行周期和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的慣性延遲問(wèn)題，沖切的位置不能嚴(yán)格使第二沖切模窗口刀具標(biāo)記距離檢測(cè)基準(zhǔn)線c 為給定的位移－Δl，而應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況，在理論沖切位置向左留有一定的位置余量σ，保證貼合時(shí)，窗口能夠更加準(zhǔn)確地對(duì)位。

此外，控制系統(tǒng)還包含人機(jī)交互模塊(HMI)。系統(tǒng)通過(guò)觸摸屏與PLC 通信，可以實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)各部分的參數(shù)，運(yùn)行狀態(tài)，方便操作人員隨時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行情況，監(jiān)督生產(chǎn)過(guò)程，高效率地完成生產(chǎn)任務(wù)。

4 結(jié)論

針對(duì)薄膜在貼合過(guò)程中易形變、易損壞、易偏移、對(duì)位精度要求高等問(wèn)題，提出了一種薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合方法。提出了薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合工藝，設(shè)計(jì)了薄膜雙面自動(dòng)定位模切貼合裝置，闡述了薄膜貼合方法的實(shí)現(xiàn)步驟和實(shí)現(xiàn)該方法所需控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。與傳統(tǒng)的多層膜復(fù)合成型工藝方法相比，該方法具有工藝過(guò)程簡(jiǎn)單，定位模切貼合精度高，適用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)多層膜復(fù)合的連續(xù)化加工的特點(diǎn)。

［1］ 夏澤中，王剛，付彥青.柔性材料涂敷裝置位置控制系統(tǒng)仿真研究［J］.武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2010，32(6):877－881.

［2］ 徐曉. 具有對(duì)位貼合功能的貼合機(jī):中國(guó)，200820047317.0［P］，2009－04－15.

［3］ 羅瑞瓊，王耀南，徐澤華.基于PLC 變頻調(diào)速的包裝印刷位置控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)［J］. 包裝工程，2001，23(1):12－13.

［4］ 付彥青. 膜電極涂敷運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)圖書(shū)館，2010.

［5］ 從爽，李澤湘.實(shí)用運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006:123－132.

［6］ 胡壽松. 自動(dòng)控制原理［M］. 北京:科學(xué)出版社，2005:19－24.

［7］ 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:147－150.

［8］ 唐超，夏斯杰，徐慧，等.有機(jī)薄膜器件的鍍膜自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008，16(11):1619－1621.

［9］ 丁毅，張波，曾珊琪.模切機(jī)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)特征分析及實(shí)現(xiàn)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2011(7):197－198.

［10］鄭文緯. 機(jī)械原理［M］. 北京:高等教育出版社，1996:111－121.

［11］陳靜，王清，楊坤.薄膜雙面自動(dòng)對(duì)位間歇式涂敷方法［J］. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào):信息與管理工程版，2013，35(1):1－3.