袁維杰
( 上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院有限公司，上海 200233)
摘 要:針對(duì)吹膜生產(chǎn)工藝無法用穿透式直接對(duì)管膜進(jìn)行厚度測量的問題，利用吹膜生產(chǎn)工藝中旋轉(zhuǎn)卷繞特性，設(shè)計(jì)了用于管膜在線厚度測量的X射線測厚儀。因穿透式測厚儀是對(duì)折疊后上下兩層管膜進(jìn)行厚度測量，而最終結(jié)果要求的是單層管膜厚度及對(duì)應(yīng)的擠出模頭位置，故希望被測的上下兩層厚度一致; 而最有可能保證上下兩層薄膜厚度一致的位置是管膜折疊邊緣，所以厚度測量點(diǎn)越靠近管膜折疊邊緣，所獲得的結(jié)果越準(zhǔn)確。所設(shè)計(jì)的 C 型結(jié)構(gòu)X射線測厚儀具有測量點(diǎn)跟蹤管膜邊緣功能，可在不同的吹膜生產(chǎn)設(shè)備上安裝使用。尤其對(duì)管膜折疊卷繞過程中折疊邊緣左右移動(dòng)的情況，該測厚儀能很好地保持測量點(diǎn)在管膜折疊邊緣處測量，提升了測量準(zhǔn)確度，在實(shí)際安裝應(yīng)用中也得到了驗(yàn)證。
關(guān)鍵詞: X射線測厚儀;吹膜厚度測量;在線檢測;薄膜邊緣檢測;微處理器
0 引言
薄膜生產(chǎn)的常用工藝有壓延法、流延法、拉伸法和吹膜法等［1］。吹膜工藝因其工藝設(shè)備簡單、薄膜幅寬、沒有邊廢料而得到了廣泛應(yīng)用［2］。目前，吹膜工藝都是用反射式測厚儀直接對(duì)圓形管膜上的管壁進(jìn)行在線測量，而穿透式測厚儀無法直接對(duì)管壁進(jìn)行測量。為解決管壁厚度不均造成收卷時(shí)的爆筋現(xiàn)象，吹膜生產(chǎn)工藝所采取的旋轉(zhuǎn)收卷方法，使穿透式測厚儀對(duì)管壁實(shí)現(xiàn)在線測量成為可能。本文利用吹膜工藝的旋轉(zhuǎn)收卷功能，用穿透式X射線測厚原理，設(shè)計(jì)了一臺(tái)可間接對(duì)吹膜生產(chǎn)中的管壁厚度進(jìn)行在線測量的X射線測厚儀。
1 用于吹塑薄膜生產(chǎn)的X射線測厚儀設(shè)計(jì)
吹膜生產(chǎn)工藝具有旋轉(zhuǎn)收卷特性，即管狀薄膜上的每個(gè)點(diǎn)都會(huì)經(jīng)過折疊邊緣，對(duì)折疊薄膜邊緣連續(xù)測量等同于對(duì)管狀薄膜旋轉(zhuǎn)測量。根據(jù)旋轉(zhuǎn)起始點(diǎn)與模頭的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以推算出當(dāng)前測量點(diǎn)顯示值(即為對(duì)應(yīng)模頭擠出厚度值，這樣就可以進(jìn)行實(shí)時(shí)在線測量和顯示管膜的薄膜厚度)。由于是對(duì)折疊后的管膜進(jìn)行測量，所測得的是兩層管膜厚度值，所以，如果折疊的上下兩層管膜厚度一致或接近，則測量顯示厚度與實(shí)際厚度相等。為了減少由于兩層膜厚度的偏差可能造成的測量誤差，測量點(diǎn)越靠近折疊邊緣，測量結(jié)果將會(huì)越準(zhǔn)確。這是因?yàn)檎郫B邊緣處上下二層厚度偏差最小。所以對(duì)于穿透式X射線測量管膜厚度測厚儀，應(yīng)能控制測量點(diǎn)在薄膜內(nèi)且盡量靠近薄膜邊緣。
有些吹膜生產(chǎn)設(shè)備在收卷膜時(shí)薄膜會(huì)左右移動(dòng)，對(duì)X射線測量造成很大影響。因此，設(shè)計(jì)應(yīng)用于吹膜生產(chǎn)設(shè)備的X射線測厚儀時(shí)，應(yīng)使其具備厚度測量、薄膜邊緣檢測及跟隨薄膜邊緣移動(dòng)的功能。
1.1X射線測厚原理
X射線厚度測量是由發(fā)射端發(fā)射X射線，射線穿過被測介質(zhì)后由接收探測器測量X射線強(qiáng)度，并通過換算得出被測介質(zhì)的厚度。計(jì)算公式如下:
式中: U為X射線穿過介質(zhì)后探測到的電壓值; U0為發(fā)射源與探測器之間只有空氣時(shí)探測到的電壓值; A為常數(shù);μ為被測介質(zhì)的吸收系數(shù); d為被測介質(zhì)的厚度。
A和μ是與被測介質(zhì)相關(guān)的2個(gè)常數(shù)，通過對(duì)被測介質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行測量獲取。當(dāng)確定了A和μ，并測量得到U0和U值，用式(1) 就可以得到介質(zhì)的厚度值d［3］。
1．2 硬件設(shè)計(jì)
整個(gè)X射線測厚儀由薄膜厚度測量和薄膜邊緣跟隨兩部分組成。這兩部分相對(duì)獨(dú)立，通過一對(duì)命令狀態(tài)線協(xié)同工作。
1．2．1 薄膜厚度測量
厚度測量頭由X射線管、電離室、微信號(hào)放大器、高壓電源構(gòu)成。其將厚度信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)采集和工控機(jī)處理，將薄膜的厚度轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)數(shù)值，在顯示屏上顯示［4］。
考慮到有些吹塑薄膜生產(chǎn)設(shè)備從折疊到卷繞間距很小，且有些還有傾斜角度，因此要求 X射線測量頭盡量小巧，且可以根據(jù)傾斜角度進(jìn)行調(diào)整。在選用 X射線發(fā)射管時(shí)，選擇了透射式X射線管。傳統(tǒng)的X射線管是將熱陰極電子通過高壓電場的作用打到陰極靶面上，X射線轉(zhuǎn)換效率不足2% ，大部分功耗變成熱能。而透射式X射線管是陽極端靶材直接鍍?cè)阝敶皟?nèi)側(cè)，當(dāng)陰極發(fā)射的電子轟擊鍍?cè)阝敶皟?nèi)側(cè)的靶材時(shí)，所產(chǎn)生的X射線可直接透過靶材和鈹窗輻射。因此在同樣功率條件下，透射靶X射線管要比反射靶X射線管所產(chǎn)生的X射線效率要高且體積小。同樣地，在電離室選型上，也是選用了直徑僅75 mm 的高靈敏電
離室，并配上微信號(hào)放大器構(gòu)成X射線探測器。由透射式X發(fā)射管和X射線探測器，可構(gòu)成小巧且易于安裝的厚度測量頭。
厚度測量信號(hào)通過信號(hào)采集板被工控機(jī)讀取。同時(shí)被讀取的還有當(dāng)前模頭位置信號(hào)。通過計(jì)算得到厚度值和模頭號(hào)，將連續(xù)測量結(jié)果顯示在操作顯示屏幕上，可觀察到管膜圓周上的厚度變化曲線。
1．2．2 薄膜邊緣跟隨
為了保持X射線測量頭靠近管膜的折疊邊緣，解決部分吹膜生產(chǎn)設(shè)備旋轉(zhuǎn)折疊卷繞時(shí)薄膜邊緣左右移動(dòng)造成的測量偏差問題，需要有一套既能檢測薄膜邊緣位置又能使X射線測量頭跟隨薄膜邊緣移動(dòng)的裝置［5］。其必須具備較高的移動(dòng)響應(yīng)速度。薄膜邊緣跟隨模組就是為此而設(shè)計(jì)的。
薄膜邊緣檢測模組由激光頭、一組光電接受頭組成; 通過對(duì)光電信號(hào)處理，可獲取當(dāng)前薄膜邊緣與厚度測量頭的相對(duì)位置［6］。通過控制步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)測量頭，可使測量頭處在最佳測量位置。
通常管膜是透明的且只有幾十微米厚度，因此識(shí)別有膜與無膜就是關(guān)鍵。通過各種測試，最后選用一字激光頭加一組BPW34 光電管，利用激光穿透薄膜的能量衰減來感知當(dāng)前測 量點(diǎn)是否有薄膜。雖 然BPW34 響應(yīng)最靈敏區(qū)域在850～950 nm 波長，但為了操作和調(diào)整方便還是選擇了650 nm 波長。其為可見紅光，既能滿足薄膜有無檢測的需求，又能方便調(diào)試和維護(hù)。
為了保證X射線測量頭保持在盡量靠近管膜折疊邊緣且又不使X射線測量頭頻繁來回移動(dòng)，需要檢測到薄膜邊緣與X射線測量頭相對(duì)位置，超出偏差范圍需及時(shí)調(diào)整。因此，必須知道薄膜邊緣在檢測區(qū)域中的位置。因?yàn)樾枰獧z測一個(gè)區(qū)域，故選用一字型激光頭5個(gè) BPW34光電二極管構(gòu)成區(qū)域檢測。薄膜邊緣檢測如圖1所示。
圖1 薄膜邊緣檢測示意圖
薄膜邊緣位置以中間檢測點(diǎn)為基準(zhǔn)，通過中間點(diǎn)狀態(tài)檢測來控制X射線測量頭移動(dòng)方向及到位停止。
為便于跟隨模組的運(yùn)行診斷，模塊內(nèi)部安裝OLED顯示器，可顯示當(dāng)前工作狀態(tài)、與測厚程序的間接口狀態(tài)信息、驅(qū)動(dòng)輸出控制信息、薄膜邊緣檢測信息、系統(tǒng)異常時(shí)的故障碼等，有故障或需要讀取時(shí)點(diǎn)亮，正常狀態(tài)下會(huì)自動(dòng)關(guān)閉。
薄膜邊緣檢測模組運(yùn)行模式切換到手動(dòng)狀態(tài)時(shí)，可以手動(dòng)控制檢測頭移動(dòng)和標(biāo)定被測薄膜。通過標(biāo)定，可以解決激光頭衰減、光電器件老化、薄膜品種變更等因素造成的檢測異常等問題。
1．2．3X射線測厚儀功能框圖
X射線測厚儀電路功能框圖如圖2所示。虛線框內(nèi)的硬件模塊、電路安裝在操作控制箱內(nèi)，可安裝在便于監(jiān)控操作的位置; 其余部分安裝在C型掃描架上，需安裝在收卷檢測薄膜位置。
圖2 X射線測厚儀電路功能框圖
1． 3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
為了適應(yīng)不同的機(jī)器安裝，將X射線測量頭設(shè)計(jì)成可調(diào)結(jié)構(gòu)。C型掃描結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。
圖3 C型掃描架結(jié)構(gòu)圖
模組的安裝平臺(tái)是固定在吹膜生產(chǎn)設(shè)備上的，可旋轉(zhuǎn)測量頭懸掛在安裝平臺(tái)的滑動(dòng)模組上。改變懸掛角度，可使X射線與被測薄膜保持垂直，提高測量精度和穩(wěn)定性，達(dá)到最佳測量效果。可旋轉(zhuǎn)測量頭下部安裝的X射線發(fā)射管和安裝在上部的X射線探測器構(gòu)成了測量回路。通過調(diào)整X射線發(fā)射管位置，可調(diào)節(jié)測量間隙，滿足不同工況條件需求。在X射線測量回路側(cè)面安裝了薄膜邊緣檢測頭，檢測被測薄膜是否處在測量回路中。
安裝平臺(tái)上的滑動(dòng)模塊由步進(jìn)馬達(dá)帶動(dòng)，由滑動(dòng)模塊再帶動(dòng)可旋轉(zhuǎn)測量頭移動(dòng)。也就是說，X 射線測量回路可通過控制步進(jìn)馬達(dá)使測量點(diǎn)左右移動(dòng)。為了防止滑動(dòng)模塊超出移動(dòng)范圍，對(duì)步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行保護(hù)，在滑臺(tái)左右兩端安裝了限位接近開關(guān)。基于模組的外形及體積上的要求，選用的步進(jìn)電機(jī)功率較小，以能驅(qū)動(dòng)滑臺(tái)為準(zhǔn); 通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)升降時(shí)序控制，可解決快速移動(dòng)滑臺(tái)需求［7-8］。
如果在收卷前位置對(duì)薄膜測量，則安裝平臺(tái)可固定在收卷輥側(cè)板上。滑臺(tái)的滑動(dòng)距離根據(jù)生產(chǎn)品種和實(shí)際工況條件進(jìn)行選擇。考慮到滑塊負(fù)重，一般選擇滑臺(tái)移動(dòng)距離在400 cm 以內(nèi)。
1．4 軟件設(shè)計(jì)
整個(gè)測厚儀軟件由兩部分構(gòu)成: 基于Windows 的采用C語言和VB．net 開發(fā)的厚度測量顯示軟件和基于STM 平臺(tái)用C語言開發(fā)的薄膜邊緣跟蹤控制軟件。
1．4．1X射線厚度測量軟件設(shè)計(jì)
厚度測量程序是這個(gè)X射線測厚儀的主控程序，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)操控界面、測量數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、監(jiān)控跟隨系統(tǒng)及監(jiān)控和處理測厚儀運(yùn)行狀態(tài)等功能。X射線測厚儀軟件流程如圖 4 所示。
圖4 X射線測厚儀軟件流程圖
1．4．2 X射線探測頭標(biāo)準(zhǔn)化處理
X射線運(yùn)行一段時(shí)間后，隨著時(shí)間和溫度的變化，U0也會(huì)發(fā)生變化。根據(jù)厚度計(jì)算公式(1)，U0的變化將影響計(jì)算后的厚度值。為了保證測量準(zhǔn)確，需要不斷監(jiān)測U0 的變化。標(biāo)準(zhǔn)化處理就是對(duì)U0 的監(jiān)測處理［9］。通常，標(biāo)準(zhǔn)化處理周期是按實(shí)際使用環(huán)境來設(shè)置為定時(shí)自動(dòng)處理，但也可按需要進(jìn)行手動(dòng)處理。按U0定義就是X射線探測頭在沒有介質(zhì)的狀態(tài)下測得的電壓值，標(biāo)準(zhǔn)化就是將X射線測量頭移到?jīng)]有被測
介質(zhì)遮擋的位置讀取電壓值。
標(biāo)準(zhǔn)化處理過程: 當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定的時(shí)間或掃描次數(shù)后，測厚程序發(fā)命令給跟隨模組; 模組收到命令后控制滑臺(tái)回到起始位置，到位后輸出完成狀態(tài); 測厚程序收到到位信息后開始讀取、計(jì)算、處理和更新U0，完成后重新進(jìn)入啟動(dòng)測量過程。
1．4．3 薄膜邊緣跟隨軟件設(shè)計(jì)
跟隨模塊選用STM8 微處理器為控制器，處理薄膜邊緣信號(hào)檢測、控制驅(qū)動(dòng)X射線測量頭跟隨薄膜移動(dòng)、與測厚程序同步工作、顯示當(dāng)前工作狀態(tài)信息等，可對(duì)薄膜檢測頭進(jìn)行標(biāo)定，并可手動(dòng)操控滑臺(tái)移動(dòng)。跟隨控制程序流程如圖5所示。
圖5 跟隨控制程序流程圖
當(dāng)跟隨模塊初始化完成且設(shè)置在自動(dòng)狀態(tài)時(shí)，跟隨模塊將接收測厚程序控制，完成薄膜邊緣跟隨和U0標(biāo)定工作; 如果跟隨模塊設(shè)置為手動(dòng)狀態(tài)，則可以手動(dòng)控制滑臺(tái)移動(dòng)或進(jìn)入薄膜邊緣檢測標(biāo)定操作。標(biāo)定操作是通過長按標(biāo)定按鈕與狀態(tài)指示反饋來顯示操作所處步驟，標(biāo)定操作需完成讀取無膜、有膜閾值并計(jì)算處理和保存等。標(biāo)定過程中，可通過切換到自動(dòng)狀態(tài)來終止標(biāo)定工作。
2 X射線測厚儀應(yīng)用結(jié)果
目前，根據(jù)用戶的吹膜生產(chǎn)設(shè)備及生產(chǎn)的產(chǎn)品類型，制作了適用于該吹膜生產(chǎn)設(shè)備的 C 型X射線測厚儀。該設(shè)備生產(chǎn)的是熱縮膜，有多種規(guī)格，厚度為15～25μm、寬度為1．6 ～ 1．8 m。根據(jù)實(shí)際生產(chǎn)時(shí)薄膜晃動(dòng)情況，將X射線測量頭間距設(shè)置為20 mm，選用最大行程為300 mm 滑臺(tái)可滿足不同產(chǎn)品寬度及薄膜偏移的 需 求。X射線測量點(diǎn)直徑10 mm，測量精 度在±1μm內(nèi)，測量中心點(diǎn)與薄膜邊緣間距15 mm，允許測量偏離范圍在±5 mm內(nèi)，跟隨響應(yīng)時(shí)間在0．5 s內(nèi)。
在安裝了X射線測厚儀的生產(chǎn)設(shè)備上，操作員可以實(shí)時(shí)看到當(dāng)前的產(chǎn)品厚度及均勻度，并及時(shí)調(diào)整模頭間隙，以提高產(chǎn)品的質(zhì)量并能降低產(chǎn)品成本。尤其是更換生產(chǎn)品種時(shí)，對(duì)于設(shè)備的調(diào)整給予很大幫助，可減少調(diào)整時(shí)間和調(diào)整時(shí)所耗費(fèi)的原材料。
X射線測厚儀小巧且安裝簡單，現(xiàn)已有多套安裝在該類吹膜設(shè)備上運(yùn)行。因采用的是低能X射線，所以在安全上屬于免檢產(chǎn)品，比起使用放射源的反射式測厚儀，管理成本更低也更安全。
3 結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)了適用于吹塑薄膜生產(chǎn)的X射線測厚儀，解決了吹膜生產(chǎn)工藝中使用穿透式測厚儀來測量管膜厚度存在的兩個(gè)問題。①厚度測量點(diǎn)要保持在管膜折疊處，這樣上下兩層薄膜厚度相對(duì)一致，可保證測量精度。②厚度測量點(diǎn)位置與吹膜模頭要有確切的對(duì)應(yīng)關(guān)系，這樣厚度測量值可正確對(duì)應(yīng)到模頭位置，便于調(diào)整模頭使生產(chǎn)的薄膜厚度均勻提升產(chǎn)品質(zhì)量。該測厚儀具備測量點(diǎn)跟蹤管膜邊緣功能，具有廣闊的應(yīng)用前景。
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