一种薄膜双面自动定位模切贴合方法

陈 静，周雪松，杨 坤

(武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉430070)

随着微电子技术及先进制造技术的快速发展，对薄膜材料的需求日益增加［1］，实际应用中经常需要将两层或多层不同材料的薄膜进行复合使用，即在基底薄膜(如塑料薄膜、玻璃纸、纸张和金属箔等)上贴合其他薄膜材料(简称贴敷膜)，从而获得具有综合性质的薄膜产品［2］。

传统的方法是先分别对贴敷膜进行模切加工，然后再进行贴合，这种方法难以保证两贴敷膜之间预定的位置关系，尤其当贴敷膜为易形变和易损坏的柔性薄膜材料时，传统方法很难控制薄膜贴合的精度和效率［3－4］。

笔者针对该薄膜在贴合过程中易形变、易损坏、易偏移、对位精度要求高等问题，提出了一种薄膜双面自动定位模切贴合方法，其包括薄膜双面自动定位模切贴合工艺，薄膜双面自动定位模切贴合设备，以及薄膜双面自动定位模切贴合控制系统。

1 薄膜双面自动定位模切贴合工艺

笔者提出的薄膜双面自动定位模切贴合方法中，贴敷膜和基底薄膜均有3 层结构，即自上而下依次是保护膜、贴敷膜(基底薄膜)和保护膜。针对贴敷膜和基底薄膜在贴合过程中易形变和易受损的特性，提出了对这3 种薄膜进行贴合的工艺。薄膜双面自动定位模切贴合工艺如图1 所示。

图1 薄膜双面自动定位模切贴合工艺图

贴敷膜1 和贴敷膜2 在冲切之后，分离贴敷膜1 和贴敷膜2 的上层保护膜，即此时贴敷膜1和贴敷膜2 变为两层结构，其中上层为带有冲切窗口的贴敷膜，下层为保护膜。

分离掉基底薄膜的上层保护膜，即此时基底薄膜变为2 层结构，其中上层为基底薄膜，下层为保护膜。然后将揭掉上层保护膜的贴敷膜与该基底膜压合到一起。接着进行最后一道工序，即另外一层贴敷膜与基底膜的压合［5－6］。

在进行最后一道压合工序之前，将基底膜的另一层保护膜揭掉。然后对两层贴敷膜的窗口进行定位。在定位完成之后完成压合，从而得到两面带有定位冲切窗口的复合膜，其结构为:最外侧的两层为保护膜，次外侧的两层为带有定位冲切窗口的贴敷膜，中间层为基底薄膜。两面带有定位冲切窗口的复合膜结构如图2 所示。

图2 两面带有定位冲切窗口的复合膜结构

2 薄膜双面自动定位模切贴合的装置结构

根据薄膜模切贴合工艺，需要对准贴敷膜冲切窗口并保证基底薄膜两面的贴敷膜窗口具有给定的相互位置，定位精度要求很高，仅靠普通的贴合手段很难实现薄膜的双面自动定位模切贴合［7－8］。因此设计了一种基于传感与检测技术、计算机控制技术、运动控制技术，以及机械制造技术等的薄膜双面自动定位模切贴合装置。

图3 为薄膜双面自动定位模切贴合装置结构的示意图，主要由辊轮、冲切装置、控制系统等部分组成，完成对薄膜的冲切和贴合。

图3 薄膜双面自动定位模切合装置结构示意图

薄膜双面自动定位模切贴合方法实现步骤为:

(1)在一个工位时，第一冲切模冲切贴敷膜1，将贴敷膜1 的上面两层切断，中间膜(即贴敷膜)被冲切成窗口，图3 中a 为第一冲切模的中心线。第一冲切模冲切完毕后，将由牵引辊P1 和牵引辊P2 同步牵引薄膜，进行辊压操作。在牵引薄膜到达下一个工作步距的过程中，贴敷膜1 的上侧保护膜经分离辊F1 与其余两层分离，由收卷辊R1－1卷取。基底薄膜的一侧保护膜经分离辊F2分离，由收卷辊R3－1卷取。然后经过压辊P1，基底薄膜一侧与贴敷膜上侧贴合在一起。

(2)在色标传感器的位置，色标传感器检测贴敷膜1 上的实际窗口标记线与检测基准线b 的位移Δl(即向右偏移)，位移信号被控制系统中的控制器处理后向驱动器发出控制信号，伺服电动机带动丝杆传动机构，驱动第二冲切模移动，使第二冲切模窗口刀具标记与贴敷膜1 上的实际窗口标记关于压辊接触线o 对称，即第二冲切模窗口刀具标记距离检测基准线c 的位移为－Δl(即向左移动)，第二冲切模对贴敷膜2 进行冲切。当实际窗口标记线与检测基准线b 的位移为－ Δl(即向左偏移)时，驱动第二冲切模移动，使第二冲切模窗口刀具标记距离检测基准线c 的位移为Δl(即向右移动)。于是，第二冲切模在贴敷膜2的冲切窗口与贴敷膜1 上的已冲切窗口关于压辊接触线o 自动对称对齐。

(3)贴敷膜2 的上侧保护膜经分离辊F4 与其余两层分离，由收卷辊R2－1卷取;基底薄膜的另一侧保护膜经分离辊F3 分离，由收卷辊R3－2卷取。

(4)经过压辊P2，在基底薄膜的另一侧，贴合上已处理的贴敷膜2，得到了以基底薄膜为中间层的两面带有定位冲切窗口的贴敷膜1 和贴敷膜2 的复合膜，该复合膜由收卷辊M 卷取。S1、S2和S3为薄膜收卷辊。

3 薄膜双面自动定位模切贴合控制系统

薄膜双面自动定位模切贴合装置是薄膜双面自动定位模切贴合方法得以实现的机械设备，薄膜双面自动定位模切贴合控制系统则是该方法得以实现的关键。针对该装置设计的控制系统主要由控制器、驱动器、传感器、伺服电机，以及丝杆传动机构等部分组成，其系统结构框图如图4 所示［9］。

图4 自动定位模切贴合控制系统结构图

在图4 所示的控制系统中，控制器选用PLC，组成一个PLC 控制系统。PLC 有抗干扰能力强，适用性强的特点，故对于该贴合精度高，贴合工艺复杂的系统，用其作控制器是比较合适的。PLC 输出控制信号给驱动器，由驱动器完成对伺服电机的驱动，进而带动执行机构开始对薄膜进行相关操作。

伺服电机选用交流同步伺服电机，目前运动控制系统中一般都用功率范围大，转动惯量大的同步电机。其最高转动速度低，且随着功率增大而快速降低，因而适用于低速平稳运行的场合，十分适合薄膜贴合控制系统［10］。在该系统中伺服电机主要带动各个传动辊轮，传送收卷薄膜，并带动丝杆传动机构，驱动第二冲切模移动。传感器选用的是光电色标传感器，传感器检测贴敷膜1上的实际窗口标记线与检测基准线b 的位移Δl，并将位移信号通过A/D 转换后传送给控制器;控制器将该位移信号处理后，向驱动器发出控制信号，伺服电动机带动丝杆传动机构，驱动第二冲切模移动，使第二冲切模窗口刀具标记距离检测基准线c 为给定的位移－Δl，从而实现对贴敷膜2冲切位置的自动对称定位［11］。

系统在执行定位控制时，考虑到定位系统的执行周期和执行机构的惯性延迟问题，冲切的位置不能严格使第二冲切模窗口刀具标记距离检测基准线c 为给定的位移－Δl，而应根据实际情况，在理论冲切位置向左留有一定的位置余量σ，保证贴合时，窗口能够更加准确地对位。

此外，控制系统还包含人机交互模块(HMI)。系统通过触摸屏与PLC 通信，可以实时显示系统各部分的参数，运行状态，方便操作人员随时了解系统运行情况，监督生产过程，高效率地完成生产任务。

4 结论

针对薄膜在贴合过程中易形变、易损坏、易偏移、对位精度要求高等问题，提出了一种薄膜双面自动定位模切贴合方法。提出了薄膜双面自动定位模切贴合工艺，设计了薄膜双面自动定位模切贴合装置，阐述了薄膜贴合方法的实现步骤和实现该方法所需控制系统的设计思想。与传统的多层膜复合成型工艺方法相比，该方法具有工艺过程简单，定位模切贴合精度高，适用性强，可实现多层膜复合的连续化加工的特点。

［1］ 夏泽中，王刚，付彦青.柔性材料涂敷装置位置控制系统仿真研究［J］.武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2010，32(6):877－881.

［2］ 徐晓. 具有对位贴合功能的贴合机:中国，200820047317.0［P］，2009－04－15.

［3］ 罗瑞琼，王耀南，徐泽华.基于PLC 变频调速的包装印刷位置控制系统的实现［J］. 包装工程，2001，23(1):12－13.

［4］ 付彦青. 膜电极涂敷运动控制系统研究与设计［D］.武汉:武汉理工大学图书馆，2010.

［5］ 从爽，李泽湘.实用运动控制技术［M］.北京:电子工业出版社，2006:123－132.

［6］ 胡寿松. 自动控制原理［M］. 北京:科学出版社，2005:19－24.

［7］ 陈伯时.电力拖动自动控制系统［M］.北京:机械工业出版社，2003:147－150.

［8］ 唐超，夏斯杰，徐慧，等.有机薄膜器件的镀膜自动控制系统设计［J］. 计算机测量与控制，2008，16(11):1619－1621.

［9］ 丁毅，张波，曾珊琪.模切机工作台运动特征分析及实现［J］.机械设计与制造，2011(7):197－198.

［10］郑文纬. 机械原理［M］. 北京:高等教育出版社，1996:111－121.

［11］陈静，王清，杨坤.薄膜双面自动对位间歇式涂敷方法［J］. 武汉理工大学学报:信息与管理工程版，2013，35(1):1－3.