面向柔性标签卷绕复合的多层套准控制系统及方法与流程

本发明属于RFID电子标签复合技术领域，更具体地，涉及一种面向柔性RFID标签卷绕复合的多层膜套准控制系统及方法。

背景技术：

RFID标签复合是芯片倒装键合的后道工序，收集成卷的中间层Inlay与带有图案的下层膜和上层膜经过套准复合的过程，形成不同形状的电子标签。

其中，标签运动方向的多层套准和收放料恒张力控制是复合过程中关键技术。印刷精度，材质、进给辊速度差异以及张力波动都会影响套准效果，特别的，由于Inlay与底纸和面纸材料材质区别明显，对于相同张力的变形程度不同，同时多层之间张力互相影响，很小的张力波动就会造成套准错位。传统的方法，为了避免层间张力干扰和材质不匹配的影响，采用Inlay分切嵌入方式与底纸一次复合，再与面纸二次复合，这种方法虽然减小了张力控制难度，但是增加了Inlay分切及同步转移模块，实现难度和成本也大大提高。另一种方法采用类似的多层膜直接复合模式，相机视觉系统检测到套准误差后，套准误差对应为其中一层进料对辊的位置偏差，通过补偿这段偏差与另一层膜对正。这种方法中，张力作为间接调整量，不能有效预判补偿位置偏差后的张力变化，出现张力超出临界值，易造成膜松弛或拉断等情况，不能用于多层膜高速复合。关于收放料的控制方式，普遍采用磁粉离合器和制动器形式，响应速度不理想。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种面向柔性RFID标签卷绕复合的多层膜套准控制系统及方法，其中，通过传感器检测，得到一系列复合套准偏差、张力数据和变化趋势，结合输入的给定参数和控制算法，自动调节张力达到套准要求，其特征在于，该控制系统构成包括：

(a)中间层放料单元(1)，由Inlay放料轴(11)、Inlay放料线速检测惰辊和(41)Inlay进料S辊(21)组成；

(b)下层膜放料单元(2)，由下层膜放料轴(12)、下层膜放料线速检测惰辊(42)、下层膜进料S辊(22)、下层膜收料线速检测惰辊(45)和下层膜收料轴(15)组成；

(c)上层膜放料单元(3)，由上层膜放料轴(13)、上层膜放料线速检测惰辊(43)、上层膜进料S辊(23)、上层膜收料线速检测惰辊(44)和上层膜收料轴(14)组成；

(d)一次复合单元(4)，由Inlay张力检测辊(51)、下层膜张力检测辊(52)、Inlay偏差检测传感器(61)和下层膜偏差检测传感器(62)、一次复合压辊(31)、一次复合后Inlay套准检测传感器(64)和一次复合后下层膜套准检测传感器(63)组成；

(e)二次复合单元(5)，由上层膜张力检测辊(53)、上层膜偏差检测传感器(65)、二次复合压辊(32)、二次复合后上层膜套准检测传感器(66)和二次复合后下层复合膜套准检测传感器(63)组成；

(f)成品收料单元(6)，由复合收料S辊(24)、成品收料线速检测惰辊(46)和成品收料轴(16)组成；

系统采用颜色传感器作为偏差检测和复合效果检测，其中传感器(64)既作为一次复合后Inlay套准效果检测，同时完成一次复合后的下层复合膜偏差检测，偏差检测采集数据参与控制运算，套准检测采集数据只作为校核套准效果；

作为进一步优选地，该方法包括下列步骤：

步骤一，输入有关套准工艺参数，其中包括：标签步距L，下层膜张力设定值和边界值，张力设定F_1S、允许最小张力F_1L、允许最大张力F_1H，中间层Inlay张力设定值和边界值，张力设定F_2S、允许最小张力F_2L、允许最大张力F_2H，上层膜张力设定值和边界值，张力设定F_3S、允许最小张力F_3L、允许最大张力F_3H；

步骤二，套准检测数据处理方法，多层膜分解为两层膜之间的位置比较方式，颜色传感器检测到其中一层图案Mark，记录其中一层进料S辊电机当前编码器位置P₁，等待另外一层MARK触发，记录同一个进料S辊电机当前编码器位置P₂，两层膜MARK之间的间隔距离ΔP＝P₂-P₁，以两层膜套准时的MARK间隔距离ΔP为基准值，其后每个采集周期得到的间隔距离为ΔP₁、ΔP₂…ΔP_k，ΔP_k为第K次检测到的两层膜MARK之间的间隔距离；相应的套准偏差为Δe₁＝ΔP₁-ΔP、Δe₂＝ΔP₂-ΔP…Δe_k＝ΔP_k-ΔP，Δe_k为计算得到的第K次采样周期时两层膜间的套准偏差；

步骤三，利用偏差-张力转换算法公式及边界条件，将两层膜间的套准偏差Δe_k转换为各层膜张力调整量ΔF(k)，其中，两层膜的张力调整量都等于ΔF(k)，而对于RFID标签复合，中间层Inlay由于已绑定芯片，限制张力大小≤20N.m，张力波动≤±10％，该层张力调整量强制设定为ΔF(k)＝0，初始设定张力F_S＝10N.m，采用恒张力控制；

步骤四，采用张力-位置-速度控制方式，通过改变单层膜进料S辊电机与成品收料S辊的同步位置和速度，在进料S辊和复合压辊之间的张力发生改变，使该层膜产生微小拉伸形变，在同样长度内两层膜的图案步距由于张力调整的结果变得不一致，通过不断复合和时间积累，复合后的两层膜图案相对距离会有明显变化，以达到套准的目的；

步骤五，收放料采用卷径补偿，伺服力矩控制方式，通过间接测量收放料线速，与转速之间的关系计算得到当前卷径，根据张力不变的原则，实时更新伺服力矩输出；

作为进一步优选地，张力-位置-速度控制方式优选采用驱动器速度模式，位置和张力规划都在控制卡中实现，在原有的位置闭环伺服系统中，通过在控制卡中虚拟一个张力轴通道，与位置环通道叠加关联，构建成以张力控制为外环的四环闭环控制系统；其中张力给定值F(k)与张力轴反馈F_e(k)通过张力伺服闭环输出S_f(k)，作为位置环的输入变量，由于张力稳定过程是一个非零速的保持过程，张力环输出S_f(k)在进入位置环前作积分处理；同时引入控制权重因子δ，实际位置环输入S_S＇，S_S表示收料S辊的位置给定，其他各层进料S辊与收料S辊位置给定相同，在位置控制中保证输入一致，δ权重因子表示在四环系统中，张力环和位置环所占调整比重，该系统中张力调节不易过快，δ＝0.1～0.15；

作为进一步优选地，在步骤五中，间接测量收放料卷径的装置包括光电开关和码盘，码盘上有N个小孔，同轴固定在惰辊外圈上，当小孔经过光电开关时，光电开关输出信号。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、通过对套准检测传感器合理布局，采用复合前检测和运算控制方法，可在两层膜粘合前就提前判断和修正套准误差，保证了复合后的套准精度；

2、系统通过每层膜配置进料S辊实现放料和复合过程分离，收放料张力和复合张力相互独立，收放料通过卷径补偿输出恒张力，复合段张力和套准误差只与进料S辊同步位置和速度有关，使整个系统控制对象减少，互不干扰，运行更稳定；

3、通过利用套准检测传感器触发，软件读取编码器值的方式，与采集时间间隔，再与速度一起换算为位置的方法相比，数据更精确和直接；

4、通过套准偏差与张力调整量关联的方法，把多层膜套准复合分解成多个两层膜之间的复合过程，只要设定合适的张力边界条件，自动调整两层或任意一层膜的张力就可以实现精确套准，其中一层可以恒张力运行，特别适合RFID电子标签复合中，中间Inlay层对张力波动的要求；

5、此外，通过张力-位置-速度四环闭环控制方式，张力直接作用于伺服环中，稳定基础上响应速度更快，可实现多层膜在可控张力条件下的高速、高精度的套准要求，尤其适用柔性RFID标签复合产品的制备过程。

附图说明

图1是按照本发明优选实施例的系统构成示意图；

图2是用于显示按照本发明优选实施方式的卷径检测装置示意图；

图3是用于显示按照本发明优选实施方式的多层膜套准控制原理框图；

图4是按照本发明所构建的面向多层膜套准控制系统及方法工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明优选实施例的系统构成示意图，共分为六个单元，其中，中间层放料单元(1)，由Inlay放料轴(11)、Inlay放料线速检测惰辊和(41)Inlay进料S辊(21)组成；下层膜放料单元(2)，由下层膜放料轴(12)、下层膜进料S辊(22)、下层膜收料线速检测惰辊(45)和下层膜收料轴(15)组成；上层膜放料单元(3)，由上层膜放料轴(13)、上层膜放料线速检测惰辊(43)、上层膜进料S辊(23)、上层膜收料线速检测惰辊(44)和上层膜收料轴(14)组成；一次复合单元(4)，由Inlay张力检测辊(51)、下层膜张力检测辊(52)、Inlay偏差检测传感器(61)和下层膜偏差检测传感器(62)、一次复合压辊(31)、一次复合后Inlay套准检测传感器(64)和一次复合后下层膜套准检测传感器(63)组成；二次复合单元(5)，由上层膜张力检测辊(53)、上层膜偏差检测传感器(65)、二次复合压辊(32)、二次复合后上层膜套准检测传感器(66)和二次复合后下层复合膜套准检测传感器(63)组成；成品收料单元(6)，由复合收料S辊(24)、成品收料线速检测惰辊(46)和成品收料轴(16)组成；系统采用颜色传感器作为偏差检测和复合效果检测，其中传感器(64)既作为一次复合后Inlay套准效果检测，同时完成一次复合后的下层复合膜偏差检测，偏差检测采集数据参与控制运算，套准检测采集数据只作为校核套准效果；

系统的工作过程如图1所示，下层膜通过下层膜放料轴(12)，经下层膜进料S辊(22)和下层膜放料线速检测惰辊(42)后分为不干胶底纸和带胶面纸，底纸通过下层膜收料辊(15)收集，下层膜带胶面纸经下层膜张力辊(52)与同样经过Inlay放料轴(11)、Inaly放料线速检测惰辊(41)、Inaly进料S辊(21)的中间层Inlay在一次复合压辊(31)处复合，一次复合膜再与上层膜带胶面纸在二次复合压辊(32)处复合，最终经过复合收料S辊(24)牵引，通过成品收料线速检测惰辊(46)和成品收料轴(14)完成复合产品收集；整个过程由于没有中间过渡装置，结构简单，但是多层膜的连续复合存在层间张力互相干扰、直接补偿套准偏差引起张力失控等问题，必须分解为单层张力控制和构建张力与套准偏差关系模型。

考虑到以上因素，如图4中所示，本发明的多层膜套准控制系统及方法主要包括下列步骤：

第一步骤，输入有关套准工艺参数，其中包括：标签步距L，下层料带张力设定值和边界值，张力设定F_1S、允许最小张力F_1L、允许最大张力F_1H，中间层料带张力设定值和边界值，张力设定F_2S、允许最小张力F_2L、允许最大张力F_2H，上层料带张力设定值和边界值，张力设定F_3S、允许最小张力F_3L、允许最大张力F_3H。

第二步骤，连续采集和处理复合前的检测数据，分为套准检测数据和张力数据，张力数据作为张力环反馈直接运用于伺服闭环，同时用于张力报警判断条件；套准检测数据不能直接从颜色传感器检测信号中得到，结合控制系统中编码器信号换算出具体数值。

具体而言，下层膜偏差检测传感器(62)检测到图案Mark时产生触发信号，信号上升沿时读取此时对应下层膜进料S辊(22)的编码器值P₁，然后等待中间层Inlay偏差检测传感器(61)的检测触发信号，当信号上升沿产生时，同样读取同一个下层膜进料S辊(22)的编码器值P₂，两层膜之间的间隔距离ΔP＝P₂-P₁，以两层膜套准时的间隔距离ΔP为基准值，其后每个采集周期得到的间隔距离为ΔP₁、ΔP₂、…ΔP_k，ΔP_k为第K次检测到的两层膜MARK之间的间隔距离，相应的套准偏差为Δe₁＝ΔP₁-ΔP、Δe₂＝ΔP₂-ΔP、…Δe_k＝ΔP_k-ΔP，Δe_k为计算得到的第K次采样周期时两层膜间的套准偏差；同理，二次复合中，上层膜偏差检测传感器(65)、一次复合后Inlay套准检测传感器(64)检测到MARK时分别读取上层膜进料S辊(23)编码器值，采用一次复合中的方法得出二次复合套准偏差。

第三步骤，采用张力调整量反映套准偏差值，利用具体的套准偏差值通过PID模型转换为需要调整的张力值，直接控制张力大小实现套准偏差修正。根据各层膜材质不同按经验确定，实施例中，RFID电子标签宽79mm，Inlay为PET膜，上层和下层膜分别为80g铜版纸和60g格拉辛离型纸，对应的参数，上层和下层膜张力边界一样，F_H＝80N，F_L＝5N，中间层膜F_H＝F_L＝10N，上层膜F_S＝50N，下层膜F_S＝30N；

优选地，中间层膜张力边界条件与设定值赋值相同，张力调整量强制设定为ΔF(k)＝0，基于工艺条件考虑，中间层Inlay已绑定芯片，较大张力波动易破坏芯片在PET膜上的附着性能，影响标签复合良品率，工艺条件限制张力大小≤20N.m，张力波动≤±10％，因此，初始设定张力F_S＝10N.m，采用恒张力控制，仅仅通过下层张力调整同样可以满足套准要求；

第四步骤，根据检测的套准偏差转化的张力调整值通过张力-位置-速度伺服环控制张力达到目标设定值，此过程以各层进料S辊为最终执行对象，通过伺服系统加减速控制，在目标张力下与复合收料S辊速度同步。

如图3，按照本发明优选实施方式的多层膜套准控制原理框图所示，整个系统以收料S辊(24)为参照对象，作为复合料带牵引主动辊，具备稳定的位置闭环系统，以给定位置S_S运行，其他各层进料S辊进给位置同样设置为S_S，初始条件下建立同步关系；复合过程中，首先，下层与中间层偏差检测传感器共同检测出两层之间的套准偏差，通过步骤三转换为单层膜的张力调整量ΔF(k)，两层膜张力调整值可以一样，也可以把其中一层设置为0，利用张力边界条件F_H、F_L和张力设定值F_S，计算出实时张力给定值F(k)，张力调整值设为0的中间层，张力给定值F(k)始终等于设定值F_S；其后，两层膜张力给定值F(k)与张力轴反馈F_e(k)通过张力伺服闭环输出S_f(k)，作为位置环的输入变量，由于张力稳定过程是一个非零速的保持过程，张力环输出S_f(k)在进入位置环前作积分处理；同时引入控制权重因子δ，实际位置环输入S_S，S_S表示收料S辊的位置给定，δ权重因子表示在四环系统中，张力环和位置环所占调整比重，该系统中张力调节不易过快，δ＝0.1～0.15，最后，通过位置-速度环控制，实现速度调整；同样，一次复合后的复合膜与上层膜采用相同的方法步骤完成二次复合。

在复合的同时，收放料系统也同时运行，通过码盘检测、编码器数值共同计算得出实时卷径D；如图2所示，按照本发明优选实施方式的卷径检测装置示意图，401为惰辊固定法兰，403为对射型光电开关，与法兰一起安装于台面，402为码盘，码盘上有N个小孔，同轴固定在404惰辊外圈上，复合过程中，料带带动惰辊和码盘旋转，当小孔经过光电开关时，光电开关输出信号。

第五步骤，利用复合后的套准检测传感器，检测一次复合后和二次复合后的套准效果，作为预警显示，由此实现柔性RFID标签复合产品的制备过程。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。