花昌義, 劉 勇, 王克逸, 張 龍, 李志剛, 洪承剛

(1.中國科學院合肥物質科學研究院 安徽光學精密機械研究所,安徽 合肥 230031; 2.中國科學技術大學 工程科學學院,安徽 合肥 230026)

0 引 言

隨著科學技術的日益發(fā)展,人類生活水平的不斷提高,大量的薄膜材料被應用到實際生活中,其中由多種高分子材料經共擠、拉伸等工藝而成型的雙向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene,BOPP)薄膜具有質輕、無毒、無臭、防潮、力學性能及尺寸穩(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，廣泛應用于食品、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]。隨著市場對BOPP薄膜需求的進一步增加,BOPP薄膜的產量還會持續(xù)增高[2],因此為包裝行業(yè)提供優(yōu)質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)薄膜質量好壞的一個重要評判依據(jù)和技術指標。薄膜受熱收縮的特性直接影響產品的質量和外包的美觀[5],適當?shù)臒崾湛s率可以保證產品的密封性和質量,避免漏氣等問題,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和控制是相關產品生產過程中一個必不可少的環(huán)節(jié)。目前,國內薄膜熱收縮率測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行測量;② 將薄膜裁成細條狀進行夾持,然后送進烘箱加熱,通過薄膜收縮前、后長度的變化計算熱收縮率[7];③ 直接將薄膜兩端夾持固定,通過位移傳感器或力傳感器進行測量。由于不同企業(yè)或檢測機構采用的測量方法和工具不同,導致測試過程的不確定性因素難以去除,各企業(yè)或檢測機構之間測量得出的數(shù)據(jù)可比性差,很難實現(xiàn)對薄膜質量的準確控制。

1 現(xiàn)有測試方法的優(yōu)缺點及研究意義

依據(jù)國家標準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,標出并準確量取橫、縱方向上薄膜的長度;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,取出冷卻至實驗環(huán)境溫度后測量熱收縮后的尺寸;計算橫、縱向熱收縮率。薄膜熱收縮性測試過程需要克服以下問題:① 直接測量方形的透明薄膜,其中薄膜與測量背景分界線不清晰;② 薄膜本身比較柔軟,在烘箱加熱過程中容易起皺、扭曲,變形比較嚴重,很難測量其準確尺寸;③ 自動記錄測量尺寸數(shù)據(jù)并運算、存儲和顯示等。

人工檢測方法是采用鋼板尺或其他量具進行測量,優(yōu)點在于工具簡單、便宜,但操作步驟復雜、效率低、受人為干擾因素大,測量精度低。薄膜細條檢測方法優(yōu)點在于人為干預少、測量步驟簡單、自動化程度高,但僅適用于測量細長條薄膜、局限性大,不適用于片狀薄膜熱收縮性評價。夾持薄膜兩端并利用位移傳感器或力傳感器測量的方法自動化程度高、測量快速簡單,但僅能進行1個方向薄膜熱收縮率的測量,測量結果有局限性。綜上所述,現(xiàn)有測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],其質量至關重要,因此,迫切需要一種符合標準的測量方法和一款具有快捷準確、性能穩(wěn)定的檢測設備以解決薄膜熱收縮率沒有合適檢測設備的難題,為薄膜生產企業(yè)、檢測機構和使用廠家提供可靠的技術手段。

2 自動測量方法與系統(tǒng)應用研究

薄膜熱收縮率測量方法[10]是整個測量系統(tǒng)的基礎,也是關鍵所在。首先研究測量對象,然后選擇適合的測量技術,并對相應技術進行研究[11]。本文的測量對象為BOPP薄膜。從測量角度來說,薄膜試樣的特點為:① 褶皺和扭曲；② 透明、邊界不易識別。

針對BOPP薄膜特點①,需要設計薄膜專用夾具,以便快速、有效地將褶皺和扭曲的薄膜平整夾持固定。本文采用負壓吸附原理創(chuàng)新設計了薄膜固定夾具,實現(xiàn)了薄膜試樣的快速夾持固定,避免了傳統(tǒng)測量方法中薄膜試樣褶皺變形而難以固定的難題。針對BOPP薄膜特點②,需要選擇合適的自動化測量方式,實現(xiàn)薄膜邊界的有效識別,以便快速、準確測量薄膜試樣縱向和橫向尺寸。本文選用目前高精密測試領域內最具發(fā)展?jié)摿Φ臋C器視覺技術,它具有非接觸、高精度、速度快等特點,能夠實現(xiàn)薄膜試樣尺寸的快速、準確測量,非常適用于薄膜熱收縮率的自動測量。通過工業(yè)相機采集薄膜圖像,再利用控制處理系統(tǒng)對采集的照片進行預處理和優(yōu)化分析,自動擬合出薄膜試樣邊界,實現(xiàn)了薄膜的自動測量和薄膜熱收縮率的自動計算與處理,最終實現(xiàn)薄膜縱向和橫向2個方向熱收縮率的自動測量。

一個完整的集成測量系統(tǒng),不僅僅是各部分單獨滿足系統(tǒng)要求,還需要各個部分的技術和方案相匹配,以便能夠進行集成設計。整個系統(tǒng)中薄膜試樣加持固定方式和測量技術是最重要的2個部分,應綜合2個部分的相互需求進行最終的選擇與設計,同時該系統(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,從而實現(xiàn)薄膜熱收縮率測量過程的自動化。

2.1 系統(tǒng)原理

薄膜熱收縮率自動測量系統(tǒng)的測量原理如圖1所示。首先利用負壓吸附原理將薄膜平整地固定在薄膜固定夾具平臺上;再利用光源系統(tǒng)提供均勻合適的光照強度,然后利用機器視覺技術[12]通過工業(yè)相機采集識別薄膜圖像[13],并對采集的薄膜圖像進行優(yōu)化處理和圖像分析測量[14];最后進行數(shù)據(jù)優(yōu)化計算、存儲,實現(xiàn)薄膜縱向和橫向2個方向尺寸的測量,并根據(jù)熱收縮率的公式自動計算薄膜的熱收縮率。

圖1 薄膜熱收縮率自動測量系統(tǒng)的測量原理

2.2 系統(tǒng)結構

薄膜熱收縮率自動測量系統(tǒng)結構示意圖如圖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、滑軌、負壓發(fā)生器、光電開關和光電開關擋片等組成,功能是將薄膜樣本固定在薄膜固定平臺上,同時系統(tǒng)自動檢測薄膜固定平臺是否到達預定位置,保證測量時薄膜在圖像采集系統(tǒng)的視野范圍內。為解決薄膜的起皺和邊界翹起問題,薄膜固定平臺特別增加負壓發(fā)生器裝置和設計帶有均勻規(guī)則排序的小孔帶，用于將薄膜平整吸附在薄膜固定平臺上。薄膜固定平臺的設計原理如圖2b所示。圖像采集系統(tǒng)主要由相機、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，相機用于采集薄膜圖片；鏡頭用于調節(jié)相機焦距,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部件的運行以及處理相關的圖片和數(shù)據(jù),增加自動化程度,減少人為干預,簡化測量和計算過程。

1.底座 2.負壓發(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 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 17.光電開關固定座 18.薄膜固定平臺小孔 19.小孔帶 20.薄膜固定平臺拉手

2.3 系統(tǒng)實際測量過程

系統(tǒng)實際測量過程如下:

(1) 拉出薄膜固定夾具平臺并開啟負壓發(fā)生器,使得薄膜固定平臺產生負壓,將裁切好的薄膜試樣平鋪在薄膜固定平臺上。

(2) 推進薄膜固定平臺到預定位置,光電開關檢測到薄膜固定平臺到達預定位置時光源系統(tǒng)自動開啟,為測量空間提供均勻合適的亮度照明。

(3) 點擊測量按鈕,儀器通過圖像采集系統(tǒng)自動完成薄膜圖像采集,并自動測量和記錄薄膜初始長度L1。

(4) 拉出薄膜固定平臺,關閉負壓發(fā)生器,薄膜固定平臺上吸附力消失,取出薄膜試樣。

(5) 按照測試標準要求將薄膜放入烘箱進行烘烤5 min,然后取出冷卻。

(6) 依次按步驟(1)～步驟(3),測量加熱后的薄膜試樣值L2。

(7) 薄膜熱收縮率計算公式為:

(1)

控制處理系統(tǒng)根據(jù)(1)式計算出薄膜試樣縱向、橫向2個方向的熱收縮率,自動記錄、存儲測量數(shù)據(jù),并通過顯示器進行直觀顯示。

3 實驗研究與數(shù)據(jù)分析

為驗證整個測量系統(tǒng)的性能,通過一系列的測試實驗和對比測試來驗證本文測量系統(tǒng)的測量精度和準確性,進而檢驗設計的合理性與實用性。

3.1 實際試樣測量

按系統(tǒng)測量步驟,對實際薄膜試樣進行測量,現(xiàn)對4個薄膜試樣重復測量10次,測量結果見表1所列。

表1 加熱后薄膜試樣尺寸及熱收縮率測量數(shù)據(jù)

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

在實際測量過程中,從點擊測量按鈕開始測量到得出計算結果時長不足1 s,因此本裝置的測量速度非?？?。

3.2 不同測量工具數(shù)據(jù)對比

為進一步驗證本文系統(tǒng)的準確性和可靠性,采用不同的測量工具對同一薄膜試樣進行測量、對比。將7個試樣分別用投影儀、人工和本文系統(tǒng)進行加熱前、后測量對比。并對7個試樣的測量結果求平均值,比較不同測量工具測量的差異。

測量使用的實驗設備為:帶有光柵尺和高精度移動平臺的數(shù)字投影儀(測量精度為0.01 mm,簡稱投影儀)、鋼板尺(精度為0.5 mm,人工測量簡稱人工)、本文設計的薄膜熱收縮率測量系統(tǒng)(簡稱系統(tǒng))和秒表。

具體測量數(shù)據(jù)見表2所列。

表2 3種測量工具對相同薄膜試樣的實際測量數(shù)據(jù)

從表2可以看出,3種測量工具測量結果一致性較好(誤差在0.5 mm以內),其中投影儀和系統(tǒng)測量方法均比人工測量方法精度高,準確性更好(誤差在0.15 mm以內)。但投影儀測量薄膜時需用玻璃板對薄膜進行夾持,測量速度非常慢,無法滿足企業(yè)的實際應用需求;而本文系統(tǒng)單次測量時間不到1 s,因此測量速度非?？?。總體而言,本文薄膜熱收縮率測量系統(tǒng)具有較高的測量精度和穩(wěn)定性,同時還具有過程簡單、速度快等優(yōu)點,因此本文創(chuàng)新的薄膜熱收縮率測量方法與設計的薄膜熱收縮率自動測量系統(tǒng)更適合實際薄膜熱收縮率的測量,為科研及薄膜相關企業(yè)提供了一款可靠的薄膜熱收縮率檢測設備。

4 結 論

本文對現(xiàn)有薄膜熱收縮率測量方法、技術和設備進行了調查研究,針對目前薄膜熱收縮率測量中存在薄膜試樣透明以及薄膜加熱后出現(xiàn)的褶皺和扭曲等問題,提出了一種新的薄膜熱收縮率自動檢測方法,包括基于負壓吸附原理的薄膜固定專用夾具和基于機器視覺技術的薄膜圖像采集系統(tǒng),為薄膜熱收縮率檢測提供了一種新方法和新手段,提高了薄膜的生產質量管控能力。

在薄膜熱收縮率自動測量系統(tǒng)設計中,本文對薄膜熱收縮率自動測量系統(tǒng)結構各組成部分進行了設計,包括圖像采集系統(tǒng)、光源系統(tǒng)、薄膜固定夾具平臺、負壓系統(tǒng)結構、控制處理系統(tǒng)結構和測量系統(tǒng)整體結構等；并根據(jù)測量系統(tǒng)的自動化需求設計了控制處理系統(tǒng),實現(xiàn)了薄膜的自動測量和薄膜熱收縮率的自動計算、存儲與處理?；谠O計的薄膜熱收縮率自動測量系統(tǒng),本文通過實際測量和對比測試對系統(tǒng)的準確性和可重復性進行了研究,結果證明本文方法和設計的測量系統(tǒng)實際測量結果具有較好的準確性、快速性和可重復性,該自動測量系統(tǒng)能夠滿足薄膜相關廠家的實際需求。