薄膜熱收縮率測(cè)量方法與系統(tǒng)研究

花昌義, 劉 勇, 王克逸, 張 龍, 李志剛, 洪承剛

(1.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院 安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所,安徽 合肥 230031; 2.中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院,安徽 合肥 230026)

0 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展,人類生活水平的不斷提高,大量的薄膜材料被應(yīng)用到實(shí)際生活中,其中由多種高分子材料經(jīng)共擠、拉伸等工藝而成型的雙向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene,BOPP)薄膜具有質(zhì)輕、無(wú)毒、無(wú)臭、防潮、力學(xué)性能及尺寸穩(wěn)定性好、透明性優(yōu)異、表面處理后印刷性能優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于食品、糖果、香煙、茶葉、果汁、牛奶、紡織品等包裝，具有“包裝皇后”的美稱[1]。隨著市場(chǎng)對(duì)BOPP薄膜需求的進(jìn)一步增加,BOPP薄膜的產(chǎn)量還會(huì)持續(xù)增高[2],因此為包裝行業(yè)提供優(yōu)質(zhì)的薄膜就顯得尤為迫切[3]。

薄膜熱收縮率是指薄膜在一定時(shí)間及一定溫度條件下外觀尺寸的變化率[4]，是體現(xiàn)薄膜質(zhì)量好壞的一個(gè)重要評(píng)判依據(jù)和技術(shù)指標(biāo)。薄膜受熱收縮的特性直接影響產(chǎn)品的質(zhì)量和外包的美觀[5],適當(dāng)?shù)臒崾湛s率可以保證產(chǎn)品的密封性和質(zhì)量,避免漏氣等問(wèn)題,均衡的縱向收縮率和橫向收縮率可保證薄膜具有更緊、更均勻的包裹性,防止不平衡收縮使包裝熱封面產(chǎn)生皺褶或包裝單向松緊不一致而起皺紋等缺陷[6]。

薄膜熱收縮率的檢測(cè)和控制是相關(guān)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)。目前,國(guó)內(nèi)薄膜熱收縮率測(cè)量及研究主要分為以下3種方式:① 人工采用鋼板尺或其他量具進(jìn)行測(cè)量;② 將薄膜裁成細(xì)條狀進(jìn)行夾持,然后送進(jìn)烘箱加熱,通過(guò)薄膜收縮前、后長(zhǎng)度的變化計(jì)算熱收縮率[7];③ 直接將薄膜兩端夾持固定,通過(guò)位移傳感器或力傳感器進(jìn)行測(cè)量。由于不同企業(yè)或檢測(cè)機(jī)構(gòu)采用的測(cè)量方法和工具不同,導(dǎo)致測(cè)試過(guò)程的不確定性因素難以去除,各企業(yè)或檢測(cè)機(jī)構(gòu)之間測(cè)量得出的數(shù)據(jù)可比性差,很難實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜質(zhì)量的準(zhǔn)確控制。

1 現(xiàn)有測(cè)試方法的優(yōu)缺點(diǎn)及研究意義

依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10003—2008《普通用途雙向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜》[8],薄膜熱收縮性測(cè)試方法為:先沿薄膜寬度方向均勻裁取100 mm×100 mm正方形試樣,標(biāo)出并準(zhǔn)確量取橫、縱方向上薄膜的長(zhǎng)度;然后將薄膜試樣放置在粘有滑石粉的托盤上,放入烘箱里加熱5 min,取出冷卻至實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度后測(cè)量熱收縮后的尺寸;計(jì)算橫、縱向熱收縮率。薄膜熱收縮性測(cè)試過(guò)程需要克服以下問(wèn)題:① 直接測(cè)量方形的透明薄膜,其中薄膜與測(cè)量背景分界線不清晰;② 薄膜本身比較柔軟,在烘箱加熱過(guò)程中容易起皺、扭曲,變形比較嚴(yán)重,很難測(cè)量其準(zhǔn)確尺寸;③ 自動(dòng)記錄測(cè)量尺寸數(shù)據(jù)并運(yùn)算、存儲(chǔ)和顯示等。

人工檢測(cè)方法是采用鋼板尺或其他量具進(jìn)行測(cè)量,優(yōu)點(diǎn)在于工具簡(jiǎn)單、便宜,但操作步驟復(fù)雜、效率低、受人為干擾因素大,測(cè)量精度低。薄膜細(xì)條檢測(cè)方法優(yōu)點(diǎn)在于人為干預(yù)少、測(cè)量步驟簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高,但僅適用于測(cè)量細(xì)長(zhǎng)條薄膜、局限性大,不適用于片狀薄膜熱收縮性評(píng)價(jià)。夾持薄膜兩端并利用位移傳感器或力傳感器測(cè)量的方法自動(dòng)化程度高、測(cè)量快速簡(jiǎn)單,但僅能進(jìn)行1個(gè)方向薄膜熱收縮率的測(cè)量,測(cè)量結(jié)果有局限性。綜上所述,現(xiàn)有測(cè)試方法均存在一定的局限性,而薄膜作為重要的包裝材料[9],其質(zhì)量至關(guān)重要,因此,迫切需要一種符合標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法和一款具有快捷準(zhǔn)確、性能穩(wěn)定的檢測(cè)設(shè)備以解決薄膜熱收縮率沒(méi)有合適檢測(cè)設(shè)備的難題,為薄膜生產(chǎn)企業(yè)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)和使用廠家提供可靠的技術(shù)手段。

2 自動(dòng)測(cè)量方法與系統(tǒng)應(yīng)用研究

薄膜熱收縮率測(cè)量方法[10]是整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的基礎(chǔ),也是關(guān)鍵所在。首先研究測(cè)量對(duì)象,然后選擇適合的測(cè)量技術(shù),并對(duì)相應(yīng)技術(shù)進(jìn)行研究[11]。本文的測(cè)量對(duì)象為BOPP薄膜。從測(cè)量角度來(lái)說(shuō),薄膜試樣的特點(diǎn)為:① 褶皺和扭曲；② 透明、邊界不易識(shí)別。

針對(duì)BOPP薄膜特點(diǎn)①,需要設(shè)計(jì)薄膜專用夾具,以便快速、有效地將褶皺和扭曲的薄膜平整夾持固定。本文采用負(fù)壓吸附原理創(chuàng)新設(shè)計(jì)了薄膜固定夾具,實(shí)現(xiàn)了薄膜試樣的快速夾持固定,避免了傳統(tǒng)測(cè)量方法中薄膜試樣褶皺變形而難以固定的難題。針對(duì)BOPP薄膜特點(diǎn)②,需要選擇合適的自動(dòng)化測(cè)量方式,實(shí)現(xiàn)薄膜邊界的有效識(shí)別,以便快速、準(zhǔn)確測(cè)量薄膜試樣縱向和橫向尺寸。本文選用目前高精密測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)最具發(fā)展?jié)摿Φ臋C(jī)器視覺(jué)技術(shù),它具有非接觸、高精度、速度快等特點(diǎn),能夠?qū)崿F(xiàn)薄膜試樣尺寸的快速、準(zhǔn)確測(cè)量,非常適用于薄膜熱收縮率的自動(dòng)測(cè)量。通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集薄膜圖像,再利用控制處理系統(tǒng)對(duì)采集的照片進(jìn)行預(yù)處理和優(yōu)化分析,自動(dòng)擬合出薄膜試樣邊界,實(shí)現(xiàn)了薄膜的自動(dòng)測(cè)量和薄膜熱收縮率的自動(dòng)計(jì)算與處理,最終實(shí)現(xiàn)薄膜縱向和橫向2個(gè)方向熱收縮率的自動(dòng)測(cè)量。

一個(gè)完整的集成測(cè)量系統(tǒng),不僅僅是各部分單獨(dú)滿足系統(tǒng)要求,還需要各個(gè)部分的技術(shù)和方案相匹配,以便能夠進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)中薄膜試樣加持固定方式和測(cè)量技術(shù)是最重要的2個(gè)部分,應(yīng)綜合2個(gè)部分的相互需求進(jìn)行最終的選擇與設(shè)計(jì),同時(shí)該系統(tǒng)中還包括圖像采集系統(tǒng)、光源系統(tǒng)和控制處理系統(tǒng)等,從而實(shí)現(xiàn)薄膜熱收縮率測(cè)量過(guò)程的自動(dòng)化。

2.1 系統(tǒng)原理

薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理如圖1所示。首先利用負(fù)壓吸附原理將薄膜平整地固定在薄膜固定夾具平臺(tái)上;再利用光源系統(tǒng)提供均勻合適的光照強(qiáng)度,然后利用機(jī)器視覺(jué)技術(shù)[12]通過(guò)工業(yè)相機(jī)采集識(shí)別薄膜圖像[13],并對(duì)采集的薄膜圖像進(jìn)行優(yōu)化處理和圖像分析測(cè)量[14];最后進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化計(jì)算、存儲(chǔ),實(shí)現(xiàn)薄膜縱向和橫向2個(gè)方向尺寸的測(cè)量,并根據(jù)熱收縮率的公式自動(dòng)計(jì)算薄膜的熱收縮率。

圖1 薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2a所示。該系統(tǒng)由底座、薄膜固定夾具、圖像采集系統(tǒng)和控制處理系統(tǒng)組成。薄膜固定夾具主要由薄膜固定平臺(tái)、滑軌、負(fù)壓發(fā)生器、光電開關(guān)和光電開關(guān)擋片等組成,功能是將薄膜樣本固定在薄膜固定平臺(tái)上,同時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)薄膜固定平臺(tái)是否到達(dá)預(yù)定位置,保證測(cè)量時(shí)薄膜在圖像采集系統(tǒng)的視野范圍內(nèi)。為解決薄膜的起皺和邊界翹起問(wèn)題,薄膜固定平臺(tái)特別增加負(fù)壓發(fā)生器裝置和設(shè)計(jì)帶有均勻規(guī)則排序的小孔帶，用于將薄膜平整吸附在薄膜固定平臺(tái)上。薄膜固定平臺(tái)的設(shè)計(jì)原理如圖2b所示。圖像采集系統(tǒng)主要由相機(jī)、鏡頭、固定支架和光源系統(tǒng)等部件組成,功能主要是采集烘烤前和烘烤后薄膜的圖片。其中，相機(jī)用于采集薄膜圖片；鏡頭用于調(diào)節(jié)相機(jī)焦距,使得薄膜圖片更加清晰,有利于薄膜邊界的判斷；光源系統(tǒng)確保光強(qiáng)度的均勻性?？刂铺幚硐到y(tǒng)主要由處理器、控制器、連接線和顯示器部件等組成,功能主要是控制各個(gè)部件的運(yùn)行以及處理相關(guān)的圖片和數(shù)據(jù),增加自動(dòng)化程度,減少人為干預(yù),簡(jiǎn)化測(cè)量和計(jì)算過(guò)程。

1.底座 2.負(fù)壓發(fā)生器 3.滑軌 4.固定桿 5.固定支架 6.圖像采集系統(tǒng) 7.光源系統(tǒng) 8.薄膜 9.薄膜固定平臺(tái) 10.連接線 11.抽拉板 12.控制處理系統(tǒng) 13.滑軌固定座 14.墊腳 15.光電擋片 16.光電開關(guān) 17.光電開關(guān)固定座 18.薄膜固定平臺(tái)小孔 19.小孔帶 20.薄膜固定平臺(tái)拉手

2.3 系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量過(guò)程

系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量過(guò)程如下:

(1) 拉出薄膜固定夾具平臺(tái)并開啟負(fù)壓發(fā)生器,使得薄膜固定平臺(tái)產(chǎn)生負(fù)壓,將裁切好的薄膜試樣平鋪在薄膜固定平臺(tái)上。

(2) 推進(jìn)薄膜固定平臺(tái)到預(yù)定位置,光電開關(guān)檢測(cè)到薄膜固定平臺(tái)到達(dá)預(yù)定位置時(shí)光源系統(tǒng)自動(dòng)開啟,為測(cè)量空間提供均勻合適的亮度照明。

(3) 點(diǎn)擊測(cè)量按鈕,儀器通過(guò)圖像采集系統(tǒng)自動(dòng)完成薄膜圖像采集,并自動(dòng)測(cè)量和記錄薄膜初始長(zhǎng)度L1。

(4) 拉出薄膜固定平臺(tái),關(guān)閉負(fù)壓發(fā)生器,薄膜固定平臺(tái)上吸附力消失,取出薄膜試樣。

(5) 按照測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求將薄膜放入烘箱進(jìn)行烘烤5 min,然后取出冷卻。

(6) 依次按步驟(1)～步驟(3),測(cè)量加熱后的薄膜試樣值L2。

(7) 薄膜熱收縮率計(jì)算公式為:

(1)

控制處理系統(tǒng)根據(jù)(1)式計(jì)算出薄膜試樣縱向、橫向2個(gè)方向的熱收縮率,自動(dòng)記錄、存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù),并通過(guò)顯示器進(jìn)行直觀顯示。

3 實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)據(jù)分析

為驗(yàn)證整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的性能,通過(guò)一系列的測(cè)試實(shí)驗(yàn)和對(duì)比測(cè)試來(lái)驗(yàn)證本文測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度和準(zhǔn)確性,進(jìn)而檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性與實(shí)用性。

3.1 實(shí)際試樣測(cè)量

按系統(tǒng)測(cè)量步驟,對(duì)實(shí)際薄膜試樣進(jìn)行測(cè)量,現(xiàn)對(duì)4個(gè)薄膜試樣重復(fù)測(cè)量10次,測(cè)量結(jié)果見表1所列。

表1 加熱后薄膜試樣尺寸及熱收縮率測(cè)量數(shù)據(jù)

通過(guò)表1數(shù)據(jù)可以看出,薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量的加熱后薄膜試樣尺寸值雖有一定的波動(dòng),但變化范圍均在0.3 mm及以下,變動(dòng)較小，說(shuō)明該測(cè)量值具有較好的精度和較高的可靠性。

在實(shí)際測(cè)量過(guò)程中,從點(diǎn)擊測(cè)量按鈕開始測(cè)量到得出計(jì)算結(jié)果時(shí)長(zhǎng)不足1 s,因此本裝置的測(cè)量速度非?？?。

3.2 不同測(cè)量工具數(shù)據(jù)對(duì)比

為進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性,采用不同的測(cè)量工具對(duì)同一薄膜試樣進(jìn)行測(cè)量、對(duì)比。將7個(gè)試樣分別用投影儀、人工和本文系統(tǒng)進(jìn)行加熱前、后測(cè)量對(duì)比。并對(duì)7個(gè)試樣的測(cè)量結(jié)果求平均值,比較不同測(cè)量工具測(cè)量的差異。

測(cè)量使用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備為:帶有光柵尺和高精度移動(dòng)平臺(tái)的數(shù)字投影儀(測(cè)量精度為0.01 mm,簡(jiǎn)稱投影儀)、鋼板尺(精度為0.5 mm,人工測(cè)量簡(jiǎn)稱人工)、本文設(shè)計(jì)的薄膜熱收縮率測(cè)量系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱系統(tǒng))和秒表。

具體測(cè)量數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 3種測(cè)量工具對(duì)相同薄膜試樣的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)

從表2可以看出,3種測(cè)量工具測(cè)量結(jié)果一致性較好(誤差在0.5 mm以內(nèi)),其中投影儀和系統(tǒng)測(cè)量方法均比人工測(cè)量方法精度高,準(zhǔn)確性更好(誤差在0.15 mm以內(nèi))。但投影儀測(cè)量薄膜時(shí)需用玻璃板對(duì)薄膜進(jìn)行夾持,測(cè)量速度非常慢,無(wú)法滿足企業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求;而本文系統(tǒng)單次測(cè)量時(shí)間不到1 s,因此測(cè)量速度非?？臁？傮w而言,本文薄膜熱收縮率測(cè)量系統(tǒng)具有較高的測(cè)量精度和穩(wěn)定性,同時(shí)還具有過(guò)程簡(jiǎn)單、速度快等優(yōu)點(diǎn),因此本文創(chuàng)新的薄膜熱收縮率測(cè)量方法與設(shè)計(jì)的薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)更適合實(shí)際薄膜熱收縮率的測(cè)量,為科研及薄膜相關(guān)企業(yè)提供了一款可靠的薄膜熱收縮率檢測(cè)設(shè)備。

4 結(jié) 論

本文對(duì)現(xiàn)有薄膜熱收縮率測(cè)量方法、技術(shù)和設(shè)備進(jìn)行了調(diào)查研究,針對(duì)目前薄膜熱收縮率測(cè)量中存在薄膜試樣透明以及薄膜加熱后出現(xiàn)的褶皺和扭曲等問(wèn)題,提出了一種新的薄膜熱收縮率自動(dòng)檢測(cè)方法,包括基于負(fù)壓吸附原理的薄膜固定專用夾具和基于機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的薄膜圖像采集系統(tǒng),為薄膜熱收縮率檢測(cè)提供了一種新方法和新手段,提高了薄膜的生產(chǎn)質(zhì)量管控能力。

在薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,本文對(duì)薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)各組成部分進(jìn)行了設(shè)計(jì),包括圖像采集系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、薄膜固定夾具平臺(tái)、負(fù)壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、控制處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和測(cè)量系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)等；并根據(jù)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化需求設(shè)計(jì)了控制處理系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)了薄膜的自動(dòng)測(cè)量和薄膜熱收縮率的自動(dòng)計(jì)算、存儲(chǔ)與處理?；谠O(shè)計(jì)的薄膜熱收縮率自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng),本文通過(guò)實(shí)際測(cè)量和對(duì)比測(cè)試對(duì)系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性進(jìn)行了研究,結(jié)果證明本文方法和設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果具有較好的準(zhǔn)確性、快速性和可重復(fù)性,該自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)能夠滿足薄膜相關(guān)廠家的實(shí)際需求。