黃開程，姜洪權(quán), *，苗東，周智，陳富民，馬飛，高建民，楊祥魁，包宏偉，程虎躍

1.西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049

2.西安泰金新能科技股份有限公司，陜西 西安 710049

3.西安交通大學(xué)金屬材料強(qiáng)度國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710049

4.山東金寶電子有限公司，山東 招遠(yuǎn) 265400

電解銅箔是覆銅板(CCL)、印制線路板(PCB)、鋰電池集流體等電子產(chǎn)品的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。新能源汽車、5G 通信等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展驅(qū)動著電解銅箔朝更薄且綜合性能更強(qiáng)的方向發(fā)展。例如，在新能源領(lǐng)域，高能量密度電池要求銅箔的厚度由傳統(tǒng)的12 μm、9 μm 降到8 μm、6 μm，甚至4.5 μm，同時(shí)要求銅箔有更高的抗拉強(qiáng)度和延伸率[1-2]。高強(qiáng)極薄銅箔是指厚度為1.5 ～ 4.5 μm 的高端高性能銅箔，目前仍處于試驗(yàn)研發(fā)階段，其制造過程復(fù)雜且耦合性高，產(chǎn)品質(zhì)量控制因素多且管控方式復(fù)雜[3]。因此，開展高強(qiáng)極薄銅箔制造過程的質(zhì)量控制技術(shù)及相關(guān)質(zhì)量控制系統(tǒng)的研究，對于實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)極薄銅箔的高質(zhì)量穩(wěn)定性和智能化生產(chǎn)具有重要意義。

在銅箔質(zhì)量控制技術(shù)方面，目前企業(yè)一般通過人工巡檢方式進(jìn)行管控，即發(fā)現(xiàn)質(zhì)量問題后及時(shí)調(diào)整相關(guān)設(shè)備或參數(shù)，直至銅箔品質(zhì)恢復(fù)至合格水平。例如，在發(fā)現(xiàn)銅箔產(chǎn)品質(zhì)量問題后，根據(jù)各階段制造工藝數(shù)據(jù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行原因分析。在銅箔制造過程中各中間產(chǎn)品的質(zhì)量評定上，主要采取人工核查關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)數(shù)據(jù)的方式。隨著統(tǒng)計(jì)過程控制(SPC)等技術(shù)的發(fā)展，基于SPC 的質(zhì)量控制技術(shù)早已用于電子器件制造行業(yè)[4]，也逐步在銅箔制造領(lǐng)域推廣。但以上技術(shù)主要用于監(jiān)測及分析關(guān)鍵工藝參數(shù)、主要質(zhì)量狀態(tài)指標(biāo)等方面。

在面向銅箔制造過程的質(zhì)量控制方面，雖然銅箔制造企業(yè)一般都采用了信息化系統(tǒng)，如ERP(企業(yè)資源計(jì)劃)、MES(制造執(zhí)行系統(tǒng))等，但面向質(zhì)量控制的系統(tǒng)還比較缺乏。現(xiàn)有關(guān)注產(chǎn)品質(zhì)量的系統(tǒng)如DCS(分布式控制系統(tǒng))、溶銅制液控制系統(tǒng)、生箔機(jī)控制系統(tǒng)、表面處理機(jī)控制系統(tǒng)等，主要是圍繞銅箔制造過程單個(gè)階段、關(guān)鍵質(zhì)量管控參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用。例如，劉相杰等設(shè)計(jì)的生箔機(jī)控制系統(tǒng)主要由PLC(可編程邏輯控制器)、觸摸屏、傳感器、控制電機(jī)等組成，具有參數(shù)監(jiān)控、輥?zhàn)訂⑼?、自動?bào)警等功能[5]；嘉元科技研發(fā)的生箔機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)張力、陰極輥轉(zhuǎn)速、烘箱溫度、生產(chǎn)電流及電壓等參數(shù)的監(jiān)控，并具有在線測厚功能[6]；葉敬敏等設(shè)計(jì)的表面處理機(jī)控制系統(tǒng)主要由驅(qū)動控制系統(tǒng)、張力檢測及控制系統(tǒng)、處理槽電解電流檢測及報(bào)警系統(tǒng)等構(gòu)成[7]；曹福強(qiáng)等針對溶銅造液、生箔制備和表面處理3 個(gè)制造工序所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測各種溶液的濃度，并控制其在設(shè)定范圍內(nèi)變化[8]。

綜上所述，現(xiàn)有面向銅箔制造過程的質(zhì)量控制系統(tǒng)主要關(guān)注關(guān)鍵工藝、關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)等單一維度的控制，缺乏從設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、制造工藝狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)等多維度進(jìn)行集成監(jiān)控與分析，難以適應(yīng)高強(qiáng)極薄銅箔這種各階段耦合性強(qiáng)、質(zhì)量影響因素復(fù)雜的制造過程的質(zhì)量管控。其次，雖然現(xiàn)有質(zhì)量控制技術(shù)及控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)撕邊、斷箔、工藝及設(shè)備參數(shù)超限等常規(guī)質(zhì)量問題的監(jiān)測與控制，但由于缺乏整個(gè)制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的集成機(jī)制，難以對工藝知識優(yōu)化、質(zhì)量異常原因等方面進(jìn)行深入分析，更無法為質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析、人工智能等先進(jìn)技術(shù)的集成應(yīng)用提供基礎(chǔ)平臺及數(shù)據(jù)支持。再者，銅箔制造與擠吹塑制造[9]、壓鑄制造[10]等生產(chǎn)過程相似，是一類典型的集中式制造過程，即以若干關(guān)鍵設(shè)備為核心制造單元，經(jīng)過相互緊密連接的流程來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高效制造，因此還需要關(guān)注以生箔機(jī)、表面處理機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備為核心的生產(chǎn)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量控制。

針對以上問題，本文圍繞高強(qiáng)極薄銅箔制造過程及其質(zhì)量穩(wěn)定性的生產(chǎn)需求，研究并提出了一套面向高強(qiáng)極薄銅箔制造過程的多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案，并從產(chǎn)品質(zhì)量評定、工藝質(zhì)量保證和系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測3 個(gè)維度對系統(tǒng)主要功能內(nèi)涵及邊界進(jìn)行了分析，從而為高強(qiáng)極薄銅箔制造過程的集成質(zhì)量控制提供技術(shù)支持與保障，并為質(zhì)量控制領(lǐng)域自主工業(yè)軟件的研發(fā)提供工程指導(dǎo)。

1 高強(qiáng)極薄銅箔制造過程簡介

高強(qiáng)極薄銅箔的結(jié)構(gòu)如圖1a 所示，主要由載體箔、剝離層、極薄銅箔、表面處理層等構(gòu)成[3]。其生產(chǎn)制造流程如圖1b 所示，一般分為溶銅造液、載體箔制備、剝離層與極薄銅箔制備、表面處理及分切包裝。

圖1 高強(qiáng)極薄銅箔的結(jié)構(gòu)(a)及生產(chǎn)制造流程(b)Figure 1 Structural sketch (a) and manufacturing process (b) of high-strength and ultra-thin copper foil

1) 溶銅造液：即在溶銅造液系統(tǒng)中用硫酸、去離子水將銅料制成硫酸銅溶液，并經(jīng)過多層級過濾，為載體箔和極薄銅箔的制備提供高純低雜的電解液[11]。

2) 載體箔制備：即在生箔機(jī)系統(tǒng)中利用電沉積原理使得硫酸銅電解液中的銅離子在陰極輥表面還原沉積(Cu2++ 2e-→ Cu)，并經(jīng)過陰極輥的連續(xù)轉(zhuǎn)動、剝離等工序，收卷制成載體箔[12]。

3) 剝離層制備：即在表面處理機(jī)系統(tǒng)若干個(gè)處理槽中進(jìn)行載體箔清洗、有機(jī)剝離層[例如苯并三氮唑(BTA)、羧基苯并三唑(CBTA)等]或無機(jī)剝離層(例如Ni–Co、Ni–Cr 等合金層)制備[13]。

4) 極薄銅箔制備：此工序也是在表面處理機(jī)中進(jìn)行，完成剝離層的制備后，在鍍銅電解液中通過電沉積方式在剝離層上沉積一層1.5 ～ 4.5 μm 的極薄銅箔[14]。

5) 表面處理：該工序同樣是在表面處理機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行，通過對極薄銅箔進(jìn)行粗化、固化、防氧化、硅烷偶聯(lián)化等處理，提高極薄銅箔表面與樹脂的剝離強(qiáng)度、抗氧化性等物理化學(xué)性能[15]，即完成極薄銅箔的生產(chǎn)。

6) 分切包裝：根據(jù)客戶對銅箔的品質(zhì)、尺寸等要求，對銅箔進(jìn)行分切、檢驗(yàn)、包裝，屬于最后的工序。

從上述制造流程可以看出，高強(qiáng)極薄銅箔的生產(chǎn)涉及多個(gè)工序，工藝要素眾多且影響關(guān)系復(fù)雜，各工序耦合性很強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量管控要素多且需分階段進(jìn)行管控[16]。因此要實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)極薄銅箔的高質(zhì)量和智能化生產(chǎn)，必須建立完整的各制造階段質(zhì)量控制技術(shù)及面向整個(gè)過程的質(zhì)量控制系統(tǒng)。

2 面向制造過程的多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)的需求分析及框架設(shè)計(jì)

2.1 現(xiàn)有控制系統(tǒng)的功能現(xiàn)狀分析

通過查閱資料和對大量銅箔制造企業(yè)及銅箔生產(chǎn)設(shè)備制造商(如山東金寶、廣州方邦、西安泰金等)的實(shí)地調(diào)研，發(fā)現(xiàn)當(dāng)前在銅箔制造過程中涉及的質(zhì)量控制系統(tǒng)主要有以下7 類：

1) 溶銅造液控制系統(tǒng)：以溶銅造液為應(yīng)用對象，主要實(shí)現(xiàn)該工序的溶液濃度、溫度、流量等參數(shù)的監(jiān)測與控制，也可通過調(diào)節(jié)溶銅泵和補(bǔ)液泵的循環(huán)速率，使得硫酸銅電解液的濃度保持在穩(wěn)定的區(qū)間。

2) 生箔機(jī)控制系統(tǒng)：以生箔機(jī)系統(tǒng)為應(yīng)用對象，實(shí)現(xiàn)陰極輥轉(zhuǎn)速、生產(chǎn)電流、輔助陰極電流、收卷張力等參數(shù)的監(jiān)測與控制，少部分新系統(tǒng)還具有在線測厚、斷箔報(bào)警、撕邊報(bào)警等功能。

3) 表面制液控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)是表面處理機(jī)系統(tǒng)的重要控制系統(tǒng)之一，一般呈現(xiàn)為分布式控制，主要包括表面造液酸性系統(tǒng)、表面造液堿性系統(tǒng)等，可監(jiān)測與控制槽體溶液的溫度、流量、濃度等主要參數(shù)。

4) 表面處理機(jī)控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)的應(yīng)用對象也是表面處理機(jī)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、收卷張力、各步驟(包括粗化、固化、防氧化等)處理電流等參數(shù)的監(jiān)測與控制。

5) 鍍液成分自動監(jiān)控系統(tǒng)：一般采用X 熒光檢測等先進(jìn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)制造過程中各種溶液(如電解液、粗化液、固化液、防氧化液等)的成分(主要有Cu、Zn、Fe、H2SO4等)及濃度檢測。

6) 表面缺陷檢測系統(tǒng)：可安裝在生箔機(jī)、表面處理機(jī)、分切機(jī)等設(shè)備中，主要是對銅箔表面缺陷進(jìn)行檢測，可檢測的缺陷類型主要有針孔、滲透點(diǎn)、污跡、折皺等，并對缺陷的位置、大小等進(jìn)行標(biāo)注。

7) 分切機(jī)控制系統(tǒng)：該系統(tǒng)應(yīng)用于銅箔制造過程的最后工序，不但可以實(shí)現(xiàn)自動分切等功能，也可對分切速率、分切長度等參數(shù)進(jìn)行控制。

2.2 多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)的需求分析

依據(jù)2.1 節(jié)所述，當(dāng)前銅箔制造過程及主要設(shè)備上都具有一些功能較為完善的控制系統(tǒng)，并具有一定的自動化水平。然而，由于高強(qiáng)極薄銅箔制造過程各工序間流程性強(qiáng)、影響因素耦合性高，現(xiàn)有“單點(diǎn)式、離散式”質(zhì)量檢測監(jiān)測系統(tǒng)及控制系統(tǒng)難以滿足其生產(chǎn)穩(wěn)定性及智能化的需求，這體現(xiàn)在多個(gè)方面。

2.2.1 缺乏產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)評定及質(zhì)量信息管理

1) 載體箔、剝離層、極薄銅箔等產(chǎn)品是生產(chǎn)過程中重要的階段產(chǎn)品，現(xiàn)有針對以上產(chǎn)品的質(zhì)量評定大部分采用人工方式，缺乏一套對各階段產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)的評定方法。

2) 現(xiàn)階段對以高強(qiáng)極薄銅箔為最終產(chǎn)品的質(zhì)量綜合狀態(tài)評價(jià)主要依靠人工經(jīng)驗(yàn)，沒有結(jié)合整個(gè)流程的產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)建立系統(tǒng)化、標(biāo)準(zhǔn)化的定量評價(jià)體系與方法。

2.2.2 缺乏制造工藝優(yōu)化和質(zhì)量問題溯源

1) 高強(qiáng)極薄銅箔的制造工藝參數(shù)眾多、相互影響關(guān)系強(qiáng)，當(dāng)前主要采用經(jīng)驗(yàn)試產(chǎn)的方式來確定關(guān)鍵的工藝參數(shù)，難以滿足生產(chǎn)模式發(fā)生變化后快速實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)的要求，試產(chǎn)時(shí)間長，且易造成原料浪費(fèi)。

2) 當(dāng)前質(zhì)量問題排查主要依據(jù)報(bào)警信息，采取人工排查的方式找出導(dǎo)致質(zhì)量問題的相關(guān)因素(如設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、工藝參數(shù)、原料因素等)，效率低下。

2.2.3 缺乏整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)及關(guān)鍵部件的服役狀態(tài)管理與分析

1) 銅箔生產(chǎn)系統(tǒng)是以溶銅系統(tǒng)、生箔機(jī)、表面處理機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備為核心的復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)，其服役狀態(tài)對質(zhì)量穩(wěn)定性具有重要的影響，現(xiàn)有監(jiān)測與控制系統(tǒng)各自獨(dú)立，缺乏系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)的分析與評判。

2) 銅箔生產(chǎn)系統(tǒng)中存在一類關(guān)鍵部件，如圖2 所示的陰極輥和陽極板，由于缺乏這類關(guān)鍵部件服役狀態(tài)的智能分析手段，因此目前主要憑人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定期維護(hù)或更換[17]。

圖2 陰極輥(a)和陽極板(b)Figure 2 Cathode drum (a) and anode plate (b)

2.3 面向制造過程的多維質(zhì)量控制系統(tǒng)的框架設(shè)計(jì)

依據(jù)以上需求，本文從產(chǎn)品質(zhì)量、工藝質(zhì)量和系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量3 個(gè)維度，提出一種3 層結(jié)構(gòu)的面向高強(qiáng)極薄銅箔制造過程的多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)方案，如圖3 所示。該系統(tǒng)主要包括制造過程信息集成層、質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析層及業(yè)務(wù)應(yīng)用層。以下簡述各層內(nèi)涵及邏輯。

圖3 多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)的總體架構(gòu)Figure 3 Architecture of multidimensional quality control system

2.3.1 制造過程信息集成層

依據(jù)高強(qiáng)極薄銅箔制造過程及現(xiàn)有的控制、檢測、監(jiān)測等系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各制造階段多維度質(zhì)量數(shù)據(jù)的集成管理。以產(chǎn)品、工藝和設(shè)備3 個(gè)維度的數(shù)據(jù)為核心，集成包括各制造階段的產(chǎn)品(如載體箔、剝離層、極薄銅箔等)質(zhì)量狀態(tài)檢測參數(shù)、制造工藝(如溶銅造液、載體箔制備、剝離層制備、極薄銅箔制備、表面處理等)狀態(tài)參數(shù)和關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備(如溶銅系統(tǒng)、生箔機(jī)、表面處理機(jī)等)的運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)，從而形成制造過程關(guān)鍵要素集成數(shù)據(jù)庫，為智能化分析及應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持。

2.3.2 質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析層

主要包括產(chǎn)品質(zhì)量在線評定、工藝質(zhì)量智能保證、系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測等3 個(gè)子系統(tǒng)，也是實(shí)現(xiàn)對制造過程信息集成層數(shù)據(jù)智能分析與處理的核心層。

1) 產(chǎn)品質(zhì)量在線評定系統(tǒng)：主要實(shí)現(xiàn)各制造階段的產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)的集成與在線監(jiān)測，并對載體箔、剝離層、極薄銅箔等產(chǎn)品進(jìn)行質(zhì)量等級或合格性評定，以此融合各階段的產(chǎn)品質(zhì)量評定結(jié)果，得到整卷銅箔產(chǎn)品的質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果，該結(jié)果可反饋到系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，進(jìn)而評估生產(chǎn)線的運(yùn)行質(zhì)量狀態(tài)，同時(shí)也可為工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)提供相應(yīng)的產(chǎn)品質(zhì)量信息，使得后者可以完成產(chǎn)品質(zhì)量問題的溯源和優(yōu)良工藝的積累工作。

2) 工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)：根據(jù)銅箔產(chǎn)品質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果及生產(chǎn)線運(yùn)行質(zhì)量狀態(tài)，將產(chǎn)品質(zhì)量問題與制造工藝狀態(tài)參數(shù)、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)等進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題的溯源。同時(shí)，通過對正常產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)下的工藝進(jìn)行分析與積累，建立優(yōu)良工藝知識庫，當(dāng)銅箔產(chǎn)品要求或生產(chǎn)設(shè)備發(fā)生調(diào)整時(shí)可對所需的制造工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)銅箔高質(zhì)量、高效益的全流程生產(chǎn)制造。

3) 系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)：根據(jù)銅箔產(chǎn)品質(zhì)量要求，實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)線上關(guān)鍵生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各制造階段的制造工藝狀態(tài)，通過對多維度狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測與分析，實(shí)現(xiàn)各階段銅箔產(chǎn)品質(zhì)量的在線監(jiān)測及異常預(yù)警；同時(shí)，對關(guān)鍵部件的服役狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測和異常診斷，并建立關(guān)鍵部件全服役周期管理信息庫，為生產(chǎn)系統(tǒng)高效、穩(wěn)定的運(yùn)行提供保障。

2.3.3 業(yè)務(wù)應(yīng)用層

主要面向質(zhì)量信息管理和質(zhì)量控制業(yè)務(wù)需求，構(gòu)建基于客戶端/服務(wù)器架構(gòu)的軟件系統(tǒng)應(yīng)用平臺、面向質(zhì)量控制的數(shù)據(jù)分析方法庫，以及集成產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)參數(shù)、制造工藝狀態(tài)參數(shù)及設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的制造過程關(guān)鍵要素集成數(shù)據(jù)庫，并支持多終端與遠(yuǎn)程應(yīng)用，為企業(yè)技術(shù)人員實(shí)時(shí)管控銅箔制造過程的產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)、工藝質(zhì)量狀態(tài)及生產(chǎn)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)提供使能工具。

3 多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

依據(jù)2.3 節(jié)所述的產(chǎn)品質(zhì)量、工藝質(zhì)量、系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量3 個(gè)維度的質(zhì)量控制系統(tǒng)框架，對質(zhì)量大數(shù)據(jù)分析層中上述3 個(gè)維度對應(yīng)的系統(tǒng)模塊，即產(chǎn)品質(zhì)量在線評定系統(tǒng)、工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)、系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)等子系統(tǒng)進(jìn)行功能設(shè)計(jì)。

3.1 產(chǎn)品質(zhì)量在線評定系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

產(chǎn)品質(zhì)量在線評定系統(tǒng)以“產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)集成──產(chǎn)品質(zhì)量評定──產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)報(bào)告生成”為核心功能主線，主要由產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量在線評定、產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)報(bào)告和產(chǎn)品質(zhì)量信息管理四大功能模塊組成，該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)樹如圖4 所示。

1) 產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測模塊：主要功能是通過集成以載體箔、剝離層和極薄銅箔為代表的各階段產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)的在線監(jiān)測。也就是基于現(xiàn)有的產(chǎn)品質(zhì)量要素檢測儀器，例如表面粗糙度測量儀、測厚儀、分析天平、剝離強(qiáng)度測試儀、萬能試驗(yàn)機(jī)、表面缺陷檢測系統(tǒng)等，將產(chǎn)品的機(jī)械厚度、單位面積質(zhì)量、剝離強(qiáng)度、(常溫/高溫)抗拉強(qiáng)度、(常溫/高溫)延伸率、表面外觀缺陷等質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)集成到軟件系統(tǒng)平臺，從而為后續(xù)的產(chǎn)品質(zhì)量在線評定及質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)的展示提供數(shù)據(jù)支撐。

2) 產(chǎn)品質(zhì)量在線評定模塊：該模塊是產(chǎn)品質(zhì)量在線評定系統(tǒng)的核心，利用產(chǎn)品質(zhì)量在線監(jiān)測模塊集成的產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過調(diào)用質(zhì)量評定規(guī)則知識庫中特定產(chǎn)品的質(zhì)量評定方法，能夠?qū)崿F(xiàn)對載體箔、剝離層、極薄銅箔等各階段產(chǎn)品的質(zhì)量評定；在此基礎(chǔ)上，融合各階段產(chǎn)品的質(zhì)量評定結(jié)果，實(shí)現(xiàn)整卷銅箔產(chǎn)品的質(zhì)量綜合評價(jià)。同時(shí)，通過集成各類銅箔產(chǎn)品的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(例如GB/T 5230–2020《印制板用電解銅箔》)及下游客戶的產(chǎn)品要求、細(xì)則等構(gòu)建質(zhì)量評定規(guī)則知識庫，實(shí)現(xiàn)對不同規(guī)格、不同階段的銅箔產(chǎn)品的質(zhì)量評定；質(zhì)量評定結(jié)果一般包括質(zhì)量問題發(fā)生的位置、質(zhì)量等級或者質(zhì)量合格性等，具體的質(zhì)量評定流程如圖5 所示。

圖5 質(zhì)量評定流程Figure 5 Quality evaluation process

3) 產(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)報(bào)告模塊：該模塊通過報(bào)告的形式整合并展現(xiàn)載體箔、剝離層與極薄銅箔的質(zhì)量評定結(jié)果和整卷銅箔的產(chǎn)品質(zhì)量綜合評價(jià)結(jié)果，同時(shí)通過構(gòu)建質(zhì)量問題-工藝參數(shù)關(guān)聯(lián)規(guī)則與策略，與工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)進(jìn)行交互，為后續(xù)產(chǎn)品質(zhì)量問題溯源提供產(chǎn)品質(zhì)量信息支持?；诋a(chǎn)品質(zhì)量評價(jià)報(bào)告，可將產(chǎn)品質(zhì)量問題反饋到系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)，以此評估關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和各制造階段的工藝狀態(tài)，以指導(dǎo)企業(yè)技術(shù)人員對銅箔制造過程中相關(guān)的生產(chǎn)設(shè)備或工藝進(jìn)行調(diào)整。

4) 產(chǎn)品質(zhì)量信息管理模塊：主要功能是對以載體箔、剝離層和極薄銅箔為核心的各階段產(chǎn)品的質(zhì)量狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，以實(shí)現(xiàn)對不同產(chǎn)品及其對應(yīng)的制造工藝數(shù)據(jù)的管理。通過該模塊實(shí)現(xiàn)的產(chǎn)品信息-工藝數(shù)據(jù)的多層級管理，能為工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)提供相關(guān)的產(chǎn)品質(zhì)量信息和工藝數(shù)據(jù)信息。

3.2 工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)以“產(chǎn)品質(zhì)量追溯──制造工藝優(yōu)化”為核心功能主線，主要功能是通過分析銅箔制造過程的質(zhì)量大數(shù)據(jù)，追溯產(chǎn)品質(zhì)量異常的原因，并據(jù)此給出相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施；同時(shí)對優(yōu)良銅箔產(chǎn)品的制造過程數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，形成優(yōu)良工藝知識庫，當(dāng)銅箔產(chǎn)品要求、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)模式等發(fā)生改變時(shí)智能調(diào)用知識庫，可以根據(jù)制造過程狀態(tài)和環(huán)境變化，對工藝參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。如圖6 所示，該系統(tǒng)主要包括三大功能模塊，分別是產(chǎn)品質(zhì)量診斷分析、制造工藝參數(shù)保證和產(chǎn)品-工藝信息管理。

圖6 工藝質(zhì)量智能保證系統(tǒng)功能樹Figure 6 Function tree of intelligent process quality assurance system

1) 產(chǎn)品質(zhì)量診斷分析模塊：其核心功能主要集成在問題分析方法庫中，基于領(lǐng)域知識和各類異常變量分析方法建立的問題分析方法庫可以匹配出不同產(chǎn)品質(zhì)量問題的最佳分析方法，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題的精準(zhǔn)溯源。換言之，該模塊可以根據(jù)產(chǎn)品質(zhì)量問題名稱或者質(zhì)量問題發(fā)生的時(shí)間進(jìn)行管理與查詢，并對選定的質(zhì)量問題進(jìn)行全面分析，智能地診斷出導(dǎo)致載體箔、剝離層、極薄銅箔等各階段產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題的原因；在此基礎(chǔ)上自動生成診斷結(jié)果及相應(yīng)的工藝改進(jìn)措施，從而指導(dǎo)企業(yè)技術(shù)人員調(diào)整相關(guān)的工藝或設(shè)備，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量生產(chǎn)。其技術(shù)流程如圖7 所示。

圖7 質(zhì)量問題溯源流程Figure 7 Quality problem tracing process

2) 制造工藝參數(shù)保證模塊：其核心功能主要為優(yōu)良工藝知識庫管理和制造工藝參數(shù)優(yōu)化。對于質(zhì)量等級較高的產(chǎn)品，優(yōu)良工藝知識庫管理可以積累該產(chǎn)品制造過程中優(yōu)良的設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、制造工藝參數(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量參數(shù)等信息，建立優(yōu)良工藝知識庫。當(dāng)生產(chǎn)模式變化時(shí)，在相關(guān)條件(如溶液成分、添加劑類型等)不變或者相似的情況下，可以自動調(diào)用優(yōu)良工藝知識庫中積累的知識，智能地設(shè)置最優(yōu)的工藝參數(shù)，從而為后續(xù)的銅箔生產(chǎn)制造提供最優(yōu)的生產(chǎn)工藝，保證銅箔的高質(zhì)量生產(chǎn)，其技術(shù)流程如圖8 所示。

圖8 工藝參數(shù)優(yōu)化流程Figure 8 Process parameters optimization process

3) 產(chǎn)品-工藝信息管理模塊：該模塊主要對各階段產(chǎn)品的制造工藝狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，在此基礎(chǔ)上分別實(shí)現(xiàn)問題產(chǎn)品-工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)管理和優(yōu)良產(chǎn)品-工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)管理。問題產(chǎn)品-工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)管理，能為產(chǎn)品質(zhì)量診斷分析模塊積累并提供基礎(chǔ)的質(zhì)量數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)，而優(yōu)良產(chǎn)品-工藝數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)管理則負(fù)責(zé)為優(yōu)良工藝知識庫的建立提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.3 系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)

如圖9 所示，系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)以“設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測──工藝狀態(tài)監(jiān)測──產(chǎn)品狀態(tài)監(jiān)測”為核心功能主線，主要包括生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、關(guān)鍵部件服役狀態(tài)監(jiān)測、系統(tǒng)監(jiān)測信息配置、設(shè)備-部件信息管理等4 個(gè)模塊，即通過集成多維度的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)和制造工藝狀態(tài)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)整條產(chǎn)線系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測、產(chǎn)品質(zhì)量在線預(yù)警等功能。該系統(tǒng)基于多維度傳感數(shù)據(jù)融合分析方法庫，可實(shí)時(shí)對工藝參數(shù)的波動狀態(tài)和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測與分析，為高強(qiáng)極薄銅箔制造過程中各階段的產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)預(yù)警和設(shè)備故障診斷提供依據(jù)；同時(shí)，基于關(guān)鍵部件全服役周期管理庫，可對銅箔生產(chǎn)線上的關(guān)鍵部件實(shí)行服役狀態(tài)監(jiān)測、剩余壽命預(yù)測和異常狀態(tài)診斷，從而為企業(yè)提供一套完整、經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵部件監(jiān)控與檢修方案。

圖9 系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)功能樹Figure 9 Function tree of operation monitoring system

1) 生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測模塊：通過構(gòu)建多傳感數(shù)據(jù)融合分析方法庫，對多維度的制造工藝狀態(tài)參數(shù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)以溶銅造液、載體箔制備、剝離層制備、極薄銅箔制備及表面處理為核心工序的制造工藝狀態(tài)，以及以溶銅系統(tǒng)、生箔機(jī)與表面處理機(jī)為核心生產(chǎn)設(shè)備的總體運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并依據(jù)上述制造工藝狀態(tài)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測管理，實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)極薄銅箔制造過程中各階段產(chǎn)品質(zhì)量異常狀態(tài)的在線預(yù)警。其技術(shù)流程如圖10 所示。

圖10 生產(chǎn)線狀態(tài)監(jiān)測流程Figure10 Production line status monitoring process

2) 關(guān)鍵部件服役狀態(tài)監(jiān)測模塊：基于關(guān)鍵部件全服役周期管理庫，對部件自身狀態(tài)、溶液質(zhì)量狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量狀態(tài)等進(jìn)行融合分析，不僅實(shí)現(xiàn)以陰極輥和陽極板為代表的關(guān)鍵部件的運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測、剩余壽命分析等功能，而且實(shí)現(xiàn)常見的陰極輥表面氧化、陽極板腐蝕等異常狀態(tài)的診斷與分析，以指導(dǎo)企業(yè)及時(shí)對這些關(guān)鍵部件進(jìn)行維護(hù)或更換。其技術(shù)流程如圖11 所示。

3) 系統(tǒng)監(jiān)測參數(shù)配置模塊：該模塊的功能是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量監(jiān)測所需要信息的配置，主要是對生產(chǎn)產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)備、制造工序及監(jiān)測參數(shù)的信息配置。生產(chǎn)產(chǎn)品配置實(shí)現(xiàn)對載體箔、剝離層、極薄銅箔等階段性產(chǎn)品生產(chǎn)要求的配置；生產(chǎn)設(shè)備配置實(shí)現(xiàn)對溶銅系統(tǒng)、生箔機(jī)、表面處理機(jī)等核心生產(chǎn)設(shè)備及其監(jiān)測參數(shù)的配置；制造工序配置則是對高強(qiáng)極薄銅箔制造過程中溶銅造液、載體箔制備、剝離層制備、極薄銅箔制備、表面處理等5 個(gè)主要工序及其對應(yīng)的監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行配置。通過上述監(jiān)測信息配置，為“生產(chǎn)線運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測”和“關(guān)鍵部件服役狀態(tài)監(jiān)測”兩個(gè)模塊提供基本的監(jiān)測信息要求。

4) 設(shè)備-部件信息管理模塊：其主要功能是對溶銅系統(tǒng)、生箔機(jī)、表面處理機(jī)等核心設(shè)備與陰極輥、陽極板等關(guān)鍵部件進(jìn)行基本信息的管理，為銅箔制造企業(yè)更換或者維護(hù)設(shè)備部件提供系統(tǒng)化、模塊化的管理平臺。

4 結(jié)語

依據(jù)本文所提出的多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，結(jié)合本文基金項(xiàng)目的要求，目前已在聯(lián)合開發(fā)的西安某銅箔設(shè)備廠完成現(xiàn)有生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，并初步完成了面向高強(qiáng)極薄銅箔制造過程的多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)的原型開發(fā)。

后續(xù)將進(jìn)一步對系統(tǒng)進(jìn)行底層代碼開發(fā)，并在銅箔生產(chǎn)線上聯(lián)調(diào)聯(lián)試。預(yù)計(jì)該系統(tǒng)完成開發(fā)并在高強(qiáng)極薄銅箔示范生產(chǎn)線上進(jìn)行應(yīng)用后，將有助于銅箔生產(chǎn)企業(yè)從產(chǎn)品、工藝和設(shè)備系統(tǒng)3 個(gè)維度對銅箔制造過程進(jìn)行更科學(xué)的監(jiān)測與管控，以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)極薄銅箔的高質(zhì)量、智能化和穩(wěn)定性生產(chǎn)。

本文提出的多維度質(zhì)量控制系統(tǒng)充分考慮了現(xiàn)有高強(qiáng)極薄銅箔生產(chǎn)系統(tǒng)的特征及質(zhì)量控制的需求，不但為后續(xù)質(zhì)量系統(tǒng)的高效研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用提供基礎(chǔ)方案，也可以為壓力鑄造、擠吹塑制造、冷熱軋制等生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制提供參考與指導(dǎo)。