Из-за сложности и многообразия этапов постобработки полимерных пленок необходимые сегодня свойства продукции оцениваются не только по классическим механическим и оптическим параметрам, но еще и по качеству плоскостности. Плоскостность сегодня относится к важнейшим качественным показателям в сфере экструзии пленок и является необходимым условием для бесперебойного прохождения этапов постобработки, таких как печать или ламинирование.
Кристиан Хопманн, профессор, д.т.н., заведующий кафедрой переработки пластмасс Рейнско-Вестфальского технического университета Ахена (RWTH) и директор Института переработки пластмасс (IKV)
Кан Бакир, дипломированный инженер, научный сотрудник IKV, член рабочей группы по цифровой обработке изображений и гарантии качества Мартин Факлам, магистр наук, начальник отдела экструзии и технологии каучука в IKV
Плоскостность описывает ровность пленок в максимально ненапряженном состоянии. Несмотря на то, что это важный качественный показатель в сфере экструзии пленки, в большинстве случаев он оценивается лишь выборочно путем субъективного визуального контроля оператором производственной линии. Из-за отсутствия измерительной техники количественное распознавание плоскостности в пленочном секторе представляет собой большую проблему [5]. Для более жестких лент из стали, кожи или бумаги еще с конца 960-х годов предлагаются различные промышленные системы измерения плоскостности [6], при этом они принципиально различаются по способу измерения, который может быть прямым или непрямым. При прямом способе измеряется распределение напряжения при растяжении, которое зависит от состояния плоскостности, в то время как при непрямом способе для оценки плоскостности используются измеряемые величины (например, твердость рулона или способность пленочной ленты к перемотке), которые являются следствием распределения напряжения при растяжении [3]. Однако данные системы невозможно применять в сфере изготовления пленок напрямую, поскольку пленочная лента по своей природе имеет высокую гибкость и это затрудняет надежное распознавание в промышленных условиях факторов, влияющих на степень плоскостности.
Измерение плоскостности в промышленной практике
 |
Одним из наиболее часто используемых методов распознавания и оценки плоскостности является геометрическое измерение пленочной ленты в максимально ненапряженном, развернутом состоянии. В промышленности используется оценка плоскостности в производственной среде, когда отрезается образец пленки длиной около 10 м и разворачивается на полу. Затем разложенная пленочная лента визуально проверяется персоналом на наличие утолщений и волнистости. Проверка плоскостности считается пройденной, если образец пленки субъективно кажется плоским, то есть на пленочной ленте не видны отклонения формы на большой площади. Преимуществом данного способа геометрической оценки плоскостности является то, что кроме силы тяжести на пленочную ленту не действуют другие силы, которые могут повлиять на геометрическую форму пленочной ленты и, соответственно, на оценку плоскостности [4]. Однако этот способ оценки плоскостности имеет и некоторые недостатки. Визуальный контроль проверяющим персоналом полностью субъективен и не обеспечивает воспроизводимых количественных данных по качеству плоскостности. Кроме того, геометрическое распознавание плоскостности лишь ограниченно подходит для коррекции плоскостности, поскольку полученные результаты из-за длительного промежутка времени между производством и измерением не пригодны для оптимизации технологического процесса. С другой стороны, измерение отнимает много времени и для него требуется относительно большое пространство в производственной среде [4]. В дополнение к оптической, геометрической оценке плоскостности в производственной практике используется так называемое измерение продольной полосы, которое, однако, из-за сравнительно высоких затрат применяется лишь в отдельных случаях. При измерении про-дольной полосы согласно ASTM D 1604 (стандартный метод измерения плоскостности пластиковых листов или сжатых труб; был отменен в 1982 году) плоскостность пленочной ленты определяется путем прямого измерения профиля длины по отношению к ширине ленты. Для этого образец пленки длиной 2540 мм разрезается на полосы шириной 50,8 мм в направлении экструзии, после чего измеряется длина каждой отдельной полосы [7]. Поскольку причиной неплоскостности прежде всего являются локальные различия длины пленочной ленты, необходимым условием хорошей плоскостности является то, что все полосы должны иметь одинаковую длину [3]. Если отдельные полосы имеют неодинаковую длину, это свидетельствует о неплоскостности пленочной ленты. На рис. 1 показан пример оптического представления двух возможных типов дефектов и соответствующие продольные профили по ширине пленки. Согласно ASTM D 1604 плоскостность образца пленки количественно оценивается в максимальном процентном отклонении от исходной длины, при этом в области переработки материала для этой цели вводится безразмерный индекс ровности, указываемый с помощью единиц измерения I-Unit [4]. Одна единица I-Unit показывает относительное удлинение 10 мкм на 1 м длины ленты и может описываться следующей формулой:
I – Unit =ΔL/LRef 105 [–]
(уравнение 1).
С помощью профиля длины, который визуализирует распределение длины отдельных полос по ширине ленты, дефекты плоскостности могут характеризоваться по размеру и положению. Чем уже нарезанные полосы, тем точнее могут быть локализованы отклонения от плоскостности [3]. На рис. 2 показано распределение длины образца пленки длиной 1 м, которое было рассчитано путем измерения продольных полос с тремя разными значениями ширины полос (10 мм, 20 мм и 40 мм). Данная однослойная пленка толщиной 100 мкм из ПЭВД была изготовлена методом экструзии рукава с раздувом в немецком Институте переработки пластмасс (IKV). Даже когда все измерения демонстрируют одинаковые показатели плоскостности по ширине пленки, зеленая кривая, относящаяся к полосе шириной 10 мм, позволяет более точно локализировать отклонения за счет большого числа точек измерения. Несмотря на недостатки — большие затраты времени и субъективность, данные методы оценки плоскостности стали стандартом из-за отсутствия альтернативных систем измерения [5]. В связи с этим методы цифровой обработки изображения обладают большим потенциалом, так как повышают возможность автоматизации процесса и дают воспроизводимые результаты.
Лазерная триангуляция и топография пленки
С чисто математической точки зрения плоскостность может быть представлена как степень совпадения всех элементов поверхности [2]. Если с достаточной точностью распознать геометрический рельеф пленки, то на основании данных «топографии», являющейся результатом анализа плоскостности, можно определить уровень плоскостности. Основой для анализа топографии пленки по всей площади является распознавание поверхности с помощью способов визуализации, которые могут генерировать метрические данные трехмерных измерений. В связи с этим в Институте переработки пластмасс разрабатывается оптический метод измерения для трехмерного распознавания фотографии пленки на основе лазерной триангуляции, при котором не требуется трудоемкая подготовка полос пленки. Способ лазерной триангуляции относится к наиболее часто используемым в промышленности методам трехмерного распознавания деталей [1]. Данное устройство состоит из лазерного модуля, который проецирует лазерную точку на поверхность измеряемой детали, и цифровой камеры, с помощью которой распознается положение лазерной точки в системе координат изображения (рис. 3, слева). Благодаря расположению треугольником системы камера-лазер любое изменение высоты под лазерной точкой приводит к определенному отклонению в изображении, полученном с камеры [8]. Принцип лазерной триангуляции может использоваться и для двухмерного измерения поверхности, если вместо лазерной точки на поверхность измеряемого объекта проецируется лазерная линия. Однако для реализации трехмерного распознавания дополнительно требуется относительное перемещение между системой камера-лазер и измеряемым объектом, чтобы весь измеряемый объект мог быть охвачен системой измерения (рис. 3, справа). На рис. 4 схематично представлена конструкция стенда для измерения плоскостности в Институте переработки пластмасс. Образец пленки укладывается на жесткий измерительный стол. Система камера-лазер перемещается с помощью линейного привода над образцом, при этом во время перемещения непрерывно делаются снимки. Чтобы получить однородную сетку точек измерения, съемка изображений производится с равными интервалами с помощью триггерных сигналов. После триангуляционного измерения отдельные профили высоты с помощью алгоритма реконструкции могут быть переведены в трехмерную модель. Результатом трехмерной реконструкции является метрический массив точек, в котором для каждой точки измерения имеется координата X, Y и Z в мировой системе координат. Таким образом, метрический массив точек представляет собой топографию пленки. Начало координат находится на измерительной платформе, на которой располагается образец пленки (рис. 5). Анализ данных на основании реконструированной топографии пленки базируется на выделении геометрических признаков с помощью автоматизированных алгоритмов. Из метрического массива точек выделяются цифровые полосы с определенными поперечными координатами, длина которых может быть рассчитана с использованием теоремы Пифагора с достаточной степенью точности (рис. 6). Для цифровой полосы Lj в поперечной позиции j длину цифровой полосы с бесконечно малой шириной можно рассчитать следующим образом:
Lj =Σ/i=1 √(xi – xi-1)2+(zi – zi-1)2
(уравнение 2).
 |
После расчета длины цифровой полосы с равными интервалами можно составить профиль длины для анализируемого образца пленки. Сравнение способов измерения Чтобы оценить пригодность разработанного оптического способа измерения плоскостности, образцы пленки измерялись на разработанном испытательном стенде, после чего производился анализ результатов. Помимо анализа плоскостности на основе топографии пленки дополнительно использовалось традиционное измерение продольных полос для оценки плоскостности. Чтобы сделать измерения более воспроизводимыми и точными, данная методика была дополнена методом анализа с использованием камеры. Конструкция измерительной системы для измерения продольных полос схематически представлена на рис. 7. Процесс измерения состоит из подготовки и фиксации образца, распознавания кромок реза отдельных полос и расчета профиля длины с помощью цифровой обработки изображения. После подготовки полосы фиксировались на мерной доске с одной стороны с помощью зажима. Возможная волнистость устранялась с помощью мягкой кисти. На другой стороне цифровой камерой делались снимки кромок реза полосы. В кадре находится калибровочный образец, который позволяет определить позицию кромки реза в мировой системе координат в метрических единицах (рис. 7, справа). Для данного измерения используется телецентрический объектив. Он позволяет свести до минимума перспективное искажение изображения и достичь высокой четкости изображения. Высокий контраст между черной пленкой и белым фоном дает возможность с высокой точностью рассчитать контур полосы с помощью алгоритмов распознавания кромок. Таким образом, цифровая обработка изображения является перспективным способом автоматизированного, быстрого и воспроизводимого определения плоскостности образцов пленки. На рис. 8 показано сравнение традиционного способа измерения продольной полосы с использованием камеры (с шириной полосы 10 мм) и разработанным оптическим способом измерения, при котором на образце пленки генерируются цифровые полосы с интервалом 10 мм. Высокое качественное совпадение между двумя кривыми показывает, что разность длин в пленочной ленте может быть рассчитана с использованием оптического распознавания топографии пленки с точностью, сравнимой с традиционным измерением продольных полос. Таким образом, разработанный способ измерения представляет собой быструю и автоматизированную альтернативу используемому на практике методу измерения продольных полос, который проводится вручную и отнимают много времени.
Перспективные исследования
Описанные выше разработки велись в рамках научно-исследовательского проекта IGF 19776N Объединения по исследованию переработки пластмасс, который осуществлялся при поддержке AiF в рамках программы по стимулированию промышленных исследований и разработок (IGF) Федерального министерства экономики и энергетики Германии на основании постановления бундестага. В результате был создан и испытан в лабораторных условиях на образцах пленки оптический способ измерения для объективной и количественной оценки плоскостности. Основой оценки плоскостности является цифровое представление топографии пленки, полученное с использованием трехмерной реконструкции данных лазерной триангуляции, с помощью которых может быть рассчитан профиль длины по ширине пленки, характеризующий состояние плоскостности. Результаты показывают, что профили длины, рассчитанные цифровым способом, хорошо совпадают с профилями длины, определенными с помощью традиционного измерения продольных полос. По сравнению с часто используемым сегодня на практике качественным контролем, который производится вручную, инновационный способ измерения обеспечивает объективную и количественную оценку плоскостности. В свою очередь, оно позволяет комплексно исследовать технологические причины неплоскостности. Чтобы использовать новый способ измерения в составе экструзионной линии в будущем, необходимо дополнительно проанализировать, в какой мере условия производственного процесса (например, способность к перемотке и непредвиденные перемещения, а также вибрация пленочной ленты) влияют на
топографию пленки. В будущем идентификация лежащих в основе механизов возникновения дефектов вместе с разработанной методикой измерения послужит основой для регулирования, которое, в свою очередь, позволит значительно улучшить плоскостность. Авторы выражают благодарность всем институтам, работавшим над проектом.
ЛИТЕРАТУРА
1. BEYERER J., LEON F.P., FRESE C. Machine vision: Automated visual inspection: Theory, practice and applications. Berlin, Heidelberg: Springer Verlag, 2016.
2. GINZBURG V.B., BALLAS R. Geometry of Flat Rolled Products (Rolling Mill Technology Series). Pittsburgh, PA, USA: United Engineering, 1990.
3. KOPINECK H.J., TAPPE W., IHLEFELD J. Planheitsregelung beim Kaltwalzen — Regelung der Zugspannungsverteilung und der Planheit an einer Kaltwalztandemstrasse fuer Fein- und Feinstbleche. Luxemburg: Kommission der Europaeischen Gemeinschaften, Abschlussbericht zum Forschungsvertrag Nr. 7210-EA/109, 1984.
4. LOGES F. Entwicklung neuer Strategien zur Messung und Regelung der Bandplanheit beim Flachwalzen. Universitaet Kassel, Dissertation, 2009.
5. LUDAT N., SCHULT A. Nachhaltig stabile Bahnlaufprozesse — Fehlerursachenanalyseund Reaktion. Fachtagung Verarbeitung & Verpackung 4.0. Dresden, 2018.
6. MOLLEDA J., USAMENTIAGA R., GARCIA D.F. On-Line Flatness Measurement in the Steelmaking Industry. Sensors 13 (2013) 8, s. 10245-10272.
7. N.N.: ASTM D 1604: Standard Test Method for Flatness of Plastics Sheet or Collapsed Tubing. American Society for Testing and Materials, 1963.
8. PETERS R. Schaumstrukturanalyse mit digitalen Bildverarbeitungsmethoden. RWTH Aachen, Dissertation, 2003.
9. WANG L. Aufbau eines Messstandes nach dem Prinzip der Lasertriangulation zur Erfassung und Quantifizierung der Planlage
von extrudierten Kunststofffolien. Institutfuer Kunststoffverarbeitung, RWTH Aachen,unveroeffentlichte Masterarbeit, 2019 —Betreuer: C. Bakir.
