[發明專利]金屬薄板印刷涂層的濕膜厚度差分測量及均勻性評估方法

有效

• 申請號: 201510073877.8
• 申請日: 2015-02-11
• 公開（公告）號: CN104613883B
• 公開（公告）日: 2017-11-17
• 發明（設計）人: 邱自學;陸觀;萬莉平;袁江;邵建新;張軍
• 申請（專利權）人: 南通大學
• 主分類號: G01B11/06
• 分類號: G01B11/06;G01N21/86
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙)32249
• 代理人: 徐激波

1.一種金屬薄板印刷涂層濕膜厚度差分測量及均勻性評估方法，其特征在于：采用激光雙測頭差分測厚技術，其測量如下：

設上、下激光測頭(5)之間的距離固定為W，涂布前，將金屬薄板(3)置于垂直于激光束方向的測厚平臺(2)上，以定位元件將其在X、Y方向上加以定位，由上、下激光測頭(5)分別測出距金屬薄板(3)上、下表面的距離h₁和h₂；將涂布后的該金屬薄板(3)置于測厚平臺(2)的相同位置，考慮到整個金屬薄板(3)表面存在一定的翹曲，假設由于擺放原因，測點處較涂布前在激光束方向上向上發生微小位移ε，測得上、下激光測頭(5)的測量值分別為h₁’和h₂’，設涂層濕膜(9)厚度為H，根據幾何關系得：

h₁′＝h₁-ε-H

h₂′＝h₂+ε

由以上兩式，可得出涂層濕膜(9)的厚度H為：

H＝(h₁+h₂)-(h₁′+h₂′)

從上式可以看出，在保證激光雙測頭(5)之間的距離W不變的前提下，涂層濕膜(9)厚度值H的大小只與上、下激光測頭(5)前后兩次的測量值有關，這從原理上消除了金屬薄板(3)Z向位置變化和平臺振動對測量結果的影響，因此，使得該差分測量方法定點測量的精度主要取決于激光測頭的精度；又因為金屬薄板表面涂層濕膜厚度具有連續性，所以只要保證涂布前后測點位置對應，該差分測量方法即可運用到動態測量中進行涂層濕膜厚度測量，進而進行厚度均勻性評估；

所述的金屬薄板印刷涂層濕膜厚度差分測量及均勻性評估方法，具體包括如下步驟：

步驟1：金屬薄板涂布前后的測量：

步驟1.1：被測件金屬薄板(3)印刷涂布前，將其置于沿X向開有若干測量槽的測厚平臺(2)上，以定位元件將其在X、Y方向上加以定位；激光雙測頭固定于Y向掃描測厚機構(4)上，分別位于金屬薄板(3)的上、下兩側；

步驟1.2：測量開始時，系統控制測厚平臺(2)沿X向勻速運動，上、下激光測頭(5)采集數據，分別記作h₁(i)和h₂(i)，其中i為測點數，i＝1,2,3,……,n，n為每條槽的最大測點數；當一條槽測量完畢，系統自動控制X向測厚平臺(2)停止運動，上、下激光測頭(5)止采集，啟動Y向掃描測厚機構(4)移動一定距離，進入下一個測量槽進行測量，如此循環，直至采集完所有測量槽處的數據；測量結束后，將數據保存在指定路徑下；

步驟1.3：對該金屬薄板(3)進行涂布處理，然后按照步驟1.1和步驟1.2對涂有濕膜的金屬薄板(3)沿原測量路徑再次掃描測量，此時上、下激光測頭(5)測量數據分別記作h₁’(i)和h₂’(i)，i＝1,2,3,……,n；

步驟2：涂層濕膜厚度差分計算：

步驟2.1：金屬薄板涂布前后兩次測量結束后，對兩組數據進行剔除異常值預處理，保證數據穩定有效；

步驟2.2：根據公式H(i)＝[h₁(i)+h₂(i)]-[h₁'(i)+h₂'(i)]，對處理后的數據進行差分運算，得到金屬薄板(3)表面各個測點處的涂層濕膜厚度值；

步驟2.3：最后，根據公式

求取涂層濕膜厚度數據三均值，以表征濕膜平均厚度，其中，樣本三均值；M_0.25：樣本上四分位數；M_0.75：樣本下四分位數；M：樣本平均值；

步驟3：涂層濕膜厚度均勻性評估：

步驟3.1：考慮到差分運算得到的濕膜厚度數據參差不齊，直接進行曲面擬合難度較大且效果不理想，因此本發明提出，在進行均勻性評估擬合厚度曲面時，首先根據最小二乘原理對各個測量槽處的濕膜厚度數據單獨進行多項式曲線擬合，即建擬合模型f(x,A)＝a₀+a₁x+a₂x²+…+a_mx^m，確定系數參數A＝(a₀,a₁,a₂,…,a_m)使得擬合模型f(x,A)與實際觀測值在各點處殘差的加權平方和最小，每條槽單獨擬合后的數據具備了各自測量槽處數據的趨勢特征，較原始數據平滑穩定，為后續曲面擬合提供保障；

步驟3.2：根據最小二乘擬合結果y＝f(x)進行三次樣條插值運算，求解整個金屬薄板表面的濕膜厚度三次樣條函數S(x)以繪制膜厚三維曲面圖形；其中，三次樣條函數S(x)是用分段三次多項式來逼近函數f(x,A)，具有擬合誤差小、數據穩定特點；

設膜厚曲線函數y＝f(x)在區間[a,b]上有n個等距采樣點，即a＝x₀<x₁<…<x_n＝b，則三次樣條函數S(x)在每個子區間[x_i,x_i+1](i＝0,1,…,n-1)上都是三次多項式，且在整個區間[a,b]上有連續的二階導數S”(x)；為求解金屬薄板表面的涂層濕膜厚度三次樣條函數S(x)，采用二次積分法：由于S(x)在每個子區間[x_i,x_i+1]上是三次多項式，故S”(x)在[x_i,x_i+1]上為線性函數，且可表示為：

S′′(x)=xi-xhi-1Mi-1+x-xi-1hi-1Mi,(i=1,2,...,n)]]>

其中，M_i＝S”(x_i)，h_i-1＝x_i-x_i-1，x_i-1≤x≤x_i，(i＝1,2,…,n)；

對上式及插值條件S(x_i)＝y_i，(i＝0,1,2,…,n)進行二次積分，可得出膜厚三次樣條插值函數S(x)的表達式為：

S(x)=Mi-16hi-1(xi-x)3+Mi6hi-1(x-xi-1)3+(yi-1hi-1-Mi-16hi-1)(xi-x)+(yihi-1-Mi6hi-1)·(x-xi-1)]]>

其中，M_i可由函數S(x)在濕膜厚度樣點x_i處具有連續二階導數的條件求得；然后將M_i代入S(x)公式，即可求解出涂層濕膜厚度三次樣條函數S(x)；

步驟3.3：根據步驟3.2中得到的膜厚三次樣條函數S(x)即可繪制金屬薄板表面的涂層濕膜厚度三維曲面圖形，直觀顯示整個金屬薄板表面濕膜厚度分布情況，實現金屬薄板表面涂層濕膜厚度的均勻性評估。

2.根據權利要求1所述的金屬薄板印刷涂層濕膜厚度差分測量及均勻性評估方法，其特征在于：所述測量和評估方法基于測量系統實現，所述測量系統主要包括X向金屬薄板傳送機構、Y向掃描測厚機構和運動控制系統；所述X向金屬薄板傳送機構包括開有若干測量槽的測厚平臺(2)和X向絲杠傳動機構，測厚平臺(2)可沿X向運動；所述Y向掃描測厚機構包括O型掃描框(4)和Y向同步齒形帶傳動機構，激光雙測頭固定于O型掃描框(4)上，掃描框(4)可沿Y向運動；所述運動控制系統通過運動控制卡(7)驅動步進電機(1,6)，從而控制X、Y向運動機構，實現上、下激光測頭(5)與金屬薄板(3)在XOY平面內的相對運動，完成涂層濕膜(9)厚度的掃描面測量，為均勻性評估提供基礎數據。