薄膜热收缩率测量方法与系统研究

花昌义, 刘 勇, 王克逸, 张 龙, 李志刚, 洪承刚

(1.中国科学院合肥物质科学研究院 安徽光学精密机械研究所,安徽 合肥 230031; 2.中国科学技术大学 工程科学学院,安徽 合肥 230026)

0 引 言

随着科学技术的日益发展,人类生活水平的不断提高,大量的薄膜材料被应用到实际生活中,其中由多种高分子材料经共挤、拉伸等工艺而成型的双向拉伸聚丙烯(biaxially oriented polypropylene,BOPP)薄膜具有质轻、无毒、无臭、防潮、力学性能及尺寸稳定性好、透明性优异、表面处理后印刷性能优良等优点，广泛应用于食品、糖果、香烟、茶叶、果汁、牛奶、纺织品等包装，具有“包装皇后”的美称[1]。随着市场对BOPP薄膜需求的进一步增加,BOPP薄膜的产量还会持续增高[2],因此为包装行业提供优质的薄膜就显得尤为迫切[3]。

薄膜热收缩率是指薄膜在一定时间及一定温度条件下外观尺寸的变化率[4]，是体现薄膜质量好坏的一个重要评判依据和技术指标。薄膜受热收缩的特性直接影响产品的质量和外包的美观[5],适当的热收缩率可以保证产品的密封性和质量,避免漏气等问题,均衡的纵向收缩率和横向收缩率可保证薄膜具有更紧、更均匀的包裹性,防止不平衡收缩使包装热封面产生皱褶或包装单向松紧不一致而起皱纹等缺陷[6]。

薄膜热收缩率的检测和控制是相关产品生产过程中一个必不可少的环节。目前,国内薄膜热收缩率测量及研究主要分为以下3种方式:① 人工采用钢板尺或其他量具进行测量;② 将薄膜裁成细条状进行夹持,然后送进烘箱加热,通过薄膜收缩前、后长度的变化计算热收缩率[7];③ 直接将薄膜两端夹持固定,通过位移传感器或力传感器进行测量。由于不同企业或检测机构采用的测量方法和工具不同,导致测试过程的不确定性因素难以去除,各企业或检测机构之间测量得出的数据可比性差,很难实现对薄膜质量的准确控制。

1 现有测试方法的优缺点及研究意义

依据国家标准GB/T 10003—2008《普通用途双向拉伸聚丙烯(BOPP)薄膜》[8],薄膜热收缩性测试方法为:先沿薄膜宽度方向均匀裁取100 mm×100 mm正方形试样,标出并准确量取横、纵方向上薄膜的长度;然后将薄膜试样放置在粘有滑石粉的托盘上,放入烘箱里加热5 min,取出冷却至实验环境温度后测量热收缩后的尺寸;计算横、纵向热收缩率。薄膜热收缩性测试过程需要克服以下问题:① 直接测量方形的透明薄膜,其中薄膜与测量背景分界线不清晰;② 薄膜本身比较柔软,在烘箱加热过程中容易起皱、扭曲,变形比较严重,很难测量其准确尺寸;③ 自动记录测量尺寸数据并运算、存储和显示等。

人工检测方法是采用钢板尺或其他量具进行测量,优点在于工具简单、便宜,但操作步骤复杂、效率低、受人为干扰因素大,测量精度低。薄膜细条检测方法优点在于人为干预少、测量步骤简单、自动化程度高,但仅适用于测量细长条薄膜、局限性大,不适用于片状薄膜热收缩性评价。夹持薄膜两端并利用位移传感器或力传感器测量的方法自动化程度高、测量快速简单,但仅能进行1个方向薄膜热收缩率的测量,测量结果有局限性。综上所述,现有测试方法均存在一定的局限性,而薄膜作为重要的包装材料[9],其质量至关重要,因此,迫切需要一种符合标准的测量方法和一款具有快捷准确、性能稳定的检测设备以解决薄膜热收缩率没有合适检测设备的难题,为薄膜生产企业、检测机构和使用厂家提供可靠的技术手段。

2 自动测量方法与系统应用研究

薄膜热收缩率测量方法[10]是整个测量系统的基础,也是关键所在。首先研究测量对象,然后选择适合的测量技术,并对相应技术进行研究[11]。本文的测量对象为BOPP薄膜。从测量角度来说,薄膜试样的特点为:① 褶皱和扭曲；② 透明、边界不易识别。

针对BOPP薄膜特点①,需要设计薄膜专用夹具,以便快速、有效地将褶皱和扭曲的薄膜平整夹持固定。本文采用负压吸附原理创新设计了薄膜固定夹具,实现了薄膜试样的快速夹持固定,避免了传统测量方法中薄膜试样褶皱变形而难以固定的难题。针对BOPP薄膜特点②,需要选择合适的自动化测量方式,实现薄膜边界的有效识别,以便快速、准确测量薄膜试样纵向和横向尺寸。本文选用目前高精密测试领域内最具发展潜力的机器视觉技术,它具有非接触、高精度、速度快等特点,能够实现薄膜试样尺寸的快速、准确测量,非常适用于薄膜热收缩率的自动测量。通过工业相机采集薄膜图像,再利用控制处理系统对采集的照片进行预处理和优化分析,自动拟合出薄膜试样边界,实现了薄膜的自动测量和薄膜热收缩率的自动计算与处理,最终实现薄膜纵向和横向2个方向热收缩率的自动测量。

一个完整的集成测量系统,不仅仅是各部分单独满足系统要求,还需要各个部分的技术和方案相匹配,以便能够进行集成设计。整个系统中薄膜试样加持固定方式和测量技术是最重要的2个部分,应综合2个部分的相互需求进行最终的选择与设计,同时该系统中还包括图像采集系统、光源系统和控制处理系统等,从而实现薄膜热收缩率测量过程的自动化。

2.1 系统原理

薄膜热收缩率自动测量系统的测量原理如图1所示。首先利用负压吸附原理将薄膜平整地固定在薄膜固定夹具平台上;再利用光源系统提供均匀合适的光照强度,然后利用机器视觉技术[12]通过工业相机采集识别薄膜图像[13],并对采集的薄膜图像进行优化处理和图像分析测量[14];最后进行数据优化计算、存储,实现薄膜纵向和横向2个方向尺寸的测量,并根据热收缩率的公式自动计算薄膜的热收缩率。

图1 薄膜热收缩率自动测量系统的测量原理

2.2 系统结构

薄膜热收缩率自动测量系统结构示意图如图2a所示。该系统由底座、薄膜固定夹具、图像采集系统和控制处理系统组成。薄膜固定夹具主要由薄膜固定平台、滑轨、负压发生器、光电开关和光电开关挡片等组成,功能是将薄膜样本固定在薄膜固定平台上,同时系统自动检测薄膜固定平台是否到达预定位置,保证测量时薄膜在图像采集系统的视野范围内。为解决薄膜的起皱和边界翘起问题,薄膜固定平台特别增加负压发生器装置和设计带有均匀规则排序的小孔带，用于将薄膜平整吸附在薄膜固定平台上。薄膜固定平台的设计原理如图2b所示。图像采集系统主要由相机、镜头、固定支架和光源系统等部件组成,功能主要是采集烘烤前和烘烤后薄膜的图片。其中，相机用于采集薄膜图片；镜头用于调节相机焦距,使得薄膜图片更加清晰,有利于薄膜边界的判断；光源系统确保光强度的均匀性。控制处理系统主要由处理器、控制器、连接线和显示器部件等组成,功能主要是控制各个部件的运行以及处理相关的图片和数据,增加自动化程度,减少人为干预,简化测量和计算过程。

1.底座 2.负压发生器 3.滑轨 4.固定杆 5.固定支架 6.图像采集系统 7.光源系统 8.薄膜 9.薄膜固定平台 10.连接线 11.抽拉板 12.控制处理系统 13.滑轨固定座 14.垫脚 15.光电挡片 16.光电开关 17.光电开关固定座 18.薄膜固定平台小孔 19.小孔带 20.薄膜固定平台拉手

2.3 系统实际测量过程

系统实际测量过程如下:

(1) 拉出薄膜固定夹具平台并开启负压发生器,使得薄膜固定平台产生负压,将裁切好的薄膜试样平铺在薄膜固定平台上。

(2) 推进薄膜固定平台到预定位置,光电开关检测到薄膜固定平台到达预定位置时光源系统自动开启,为测量空间提供均匀合适的亮度照明。

(3) 点击测量按钮,仪器通过图像采集系统自动完成薄膜图像采集,并自动测量和记录薄膜初始长度L1。

(4) 拉出薄膜固定平台,关闭负压发生器,薄膜固定平台上吸附力消失,取出薄膜试样。

(5) 按照测试标准要求将薄膜放入烘箱进行烘烤5 min,然后取出冷却。

(6) 依次按步骤(1)～步骤(3),测量加热后的薄膜试样值L2。

(7) 薄膜热收缩率计算公式为:

(1)

控制处理系统根据(1)式计算出薄膜试样纵向、横向2个方向的热收缩率,自动记录、存储测量数据,并通过显示器进行直观显示。

3 实验研究与数据分析

为验证整个测量系统的性能,通过一系列的测试实验和对比测试来验证本文测量系统的测量精度和准确性,进而检验设计的合理性与实用性。

3.1 实际试样测量

按系统测量步骤,对实际薄膜试样进行测量,现对4个薄膜试样重复测量10次,测量结果见表1所列。

表1 加热后薄膜试样尺寸及热收缩率测量数据

通过表1数据可以看出,薄膜热收缩率自动测量系统实际测量的加热后薄膜试样尺寸值虽有一定的波动,但变化范围均在0.3 mm及以下,变动较小，说明该测量值具有较好的精度和较高的可靠性。

在实际测量过程中,从点击测量按钮开始测量到得出计算结果时长不足1 s,因此本装置的测量速度非常快。

3.2 不同测量工具数据对比

为进一步验证本文系统的准确性和可靠性,采用不同的测量工具对同一薄膜试样进行测量、对比。将7个试样分别用投影仪、人工和本文系统进行加热前、后测量对比。并对7个试样的测量结果求平均值,比较不同测量工具测量的差异。

测量使用的实验设备为:带有光栅尺和高精度移动平台的数字投影仪(测量精度为0.01 mm,简称投影仪)、钢板尺(精度为0.5 mm,人工测量简称人工)、本文设计的薄膜热收缩率测量系统(简称系统)和秒表。

具体测量数据见表2所列。

表2 3种测量工具对相同薄膜试样的实际测量数据

从表2可以看出,3种测量工具测量结果一致性较好(误差在0.5 mm以内),其中投影仪和系统测量方法均比人工测量方法精度高,准确性更好(误差在0.15 mm以内)。但投影仪测量薄膜时需用玻璃板对薄膜进行夹持,测量速度非常慢,无法满足企业的实际应用需求;而本文系统单次测量时间不到1 s,因此测量速度非常快。总体而言,本文薄膜热收缩率测量系统具有较高的测量精度和稳定性,同时还具有过程简单、速度快等优点,因此本文创新的薄膜热收缩率测量方法与设计的薄膜热收缩率自动测量系统更适合实际薄膜热收缩率的测量,为科研及薄膜相关企业提供了一款可靠的薄膜热收缩率检测设备。

4 结 论

本文对现有薄膜热收缩率测量方法、技术和设备进行了调查研究,针对目前薄膜热收缩率测量中存在薄膜试样透明以及薄膜加热后出现的褶皱和扭曲等问题,提出了一种新的薄膜热收缩率自动检测方法,包括基于负压吸附原理的薄膜固定专用夹具和基于机器视觉技术的薄膜图像采集系统,为薄膜热收缩率检测提供了一种新方法和新手段,提高了薄膜的生产质量管控能力。

在薄膜热收缩率自动测量系统设计中,本文对薄膜热收缩率自动测量系统结构各组成部分进行了设计,包括图像采集系统、光源系统、薄膜固定夹具平台、负压系统结构、控制处理系统结构和测量系统整体结构等；并根据测量系统的自动化需求设计了控制处理系统,实现了薄膜的自动测量和薄膜热收缩率的自动计算、存储与处理。基于设计的薄膜热收缩率自动测量系统,本文通过实际测量和对比测试对系统的准确性和可重复性进行了研究,结果证明本文方法和设计的测量系统实际测量结果具有较好的准确性、快速性和可重复性,该自动测量系统能够满足薄膜相关厂家的实际需求。