（机械电子工程专业论文）真空镀膜机卷绕系统空间轴系平行度的研究.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 卷绕式真空镀膜机主要由卷绕系统、蒸发系统、真空系统、控制系统组成。 上海大学机电一体工程有限公司自行研制的真空镀膜机在成品膜质量方面一直 不甚理想，除去张力控制等控制系统因素外，影响成品膜质量的重要因素是卷绕 系统中各轴之间的平行度。轴的静态刚性产生的挠度也影响到设备的蒸镀质量。 同时各辊轴的误差( 挠度、平行度) 使系统工作时产生未知的附加张力，给系统 的张力控制带来相当大的难度。因此，从机械方面考虑，我们必须对卷绕系统中 各轴进行力与位移分析，尤其要对空问轴系的平行度误差进行计算、分析，从而 根据数据结果对卷绕系统的各部分进行调整，提高整个系统的精度，从而提高成 品膜质量。 本课题的主要任务就是对卷绕系统的平行度误差进行计算，用有限元法对 卷绕系统中各轴进行应力、变形分析，找出一套检测空间各辊轴之间的平行度误 差的方法，为最后调整整个卷绕系统的精度提供理论的参考数据。论文的内容如 下：第一章简要介绍镀膜机以及它的发展现状；第二章讨论了一些影响镀膜机镀 膜质量的一些关键因素和技术；第三章具体计算了卷绕系统中各辊轴的挠度和它 们之间的平行度，并以此为根据优化了放膜展平辊的设计。第四章用有限元法对 卷绕系统中的各辊轴进行分析。第五章利用光电测量原理提出了对平行度误差进 行光电检测的可行性研究，并建立了控制软件系统的框架。 本论文研究的特点主要有以下几个方面； 1 ) 根据平行度误差计算结果，对放膜展平辊重新进行了不同于传统方法的设计， 运用后实际效果明显。 2 ) 在对辊轴进行有限元分析的时候，建膜和分析分别在不同软件中进行，有效 的实现了系统模型数据的相互连接。把子结构法和子模型法运用到a n s y s 的有限元分析中，节省了资源，提高了分析效率。 3 ) 对不同直径的辊轴用不同的测量方法以达到更高的检测精度。 4 ) 本课题的研究对提高镀膜机的成品质量有一定的技术参考价值。 关键词：真空镀膜机平行度误差有限元分析光电测量法 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t av a c u u me v a p o r a t i o nr o l lc o a t e ri sc o m p o s e do fr o l l s y s t e m ，e v a p o r a t i o n s y s t e m , v a c u u ms y s t e ma n dc o n t r o ls y s t e m b e s i d e st h et e n s i o nc o n t r o l ，t h et e c h n i c s o f t h e 蝴i nr o l ls y s t e mw i l la f f e c tt h eq u a l i t yo f t h ef i n i s h e df d r n t h es t a t i cr i g i d i t y , a n dt h ef l e x i b i l i t yo ft h es l l 啦c a nb r i n gs o m ee x c r e s c e n ts t r e s s s ot h ep a r a l l e l i s mo f t h es h a f t s t h e r e b yw em u s ta n a l y z et h es t i ：e s so ft h es h a f ta n dm e a s u r et h e p a r a l l e l i s mo ft h es h a f t s a c c o r d i n gt ot h ed a t a , w ec a l la d j u s tt h ep a r t so ft h er o l l s y s t e m ，s ot h a tt h ep r e c i s i o no f t h es y s t e ma n d t h eq u a l i t yo f t h ef i l ma r e i m p r o v e d i nt h i sp a p e r , a u t h o rf i r s t l yi n t r o d u c e st h el a t e s td e v e l o p m e n to ft h ev a c u u l m e v a p o m t i o nr o l lc o a t e ra n dt h et h i n k i n go fm o d u l a rd e s i g n , i n c l u d i n gi t sc o n c e p t 。 t h e nd i s c u s s e ss o m ek e yf a c t o r sa n dt e c h n i q u e s ，w h i c ha f f e c tt h eq u a l i t yo ft h e f i n i s h e df i l m a t t e rt h a tc a l c n i a t e st h ep a r a l l e l i s mt o l e r a n c eo f t h es h a f t si nr o l ls y s t e m a n d g i v e s o u t t h es t r e s s d i s t r i b u t i n g p a t t e r n a n d t h e v a l u e s o f s t r e s s a n d d e f o r m a t i o n o f t h es h r f tb yf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw i t ha n s y s f i n a l l ym e a s u r e st h eb e n dh a r d n e s s o ft h es h a f t sb yp h o t o e l e c t r i cm e a s u r i n gm e t h o da n dp e r f o r m st h em e a s u r e m e n to f p a r a l l e l i s mb yl a s e r - s c a n n e dm e a s u r i n gm e t h o d t h es o f t w a r ed e s i g no ft h ec o n t r o l s y s t e mi sa l s oc o m p l e t e d , w h i c hc a l lm e a s u r et h eb e n dh a r d n e s sa n dt h ep a r a l l e l i s m i nt h i sr e s e a r c hs o m es p e c i a la p p l i c a t i o n sa l ei n n o v a t i v e ，s u c ha st h em o d e lo f t h es y s t e mw h i c ha l ec o n s t i t u t e di ns o l i d w o r k sa n da r ea n a l y s ti na n s y s t h e a p p l i c a t i o no fs u b s t r u c t u r em e t h o da n dt h ea p p l i c a t i o no fs u b m o d e lm e t h o da r e u t i l i z e di nf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s t h ed i f f e r e n tm e a s u r i n gm e t h o d ，w h i c hf i t st h e d i f f e r e n ts h 硪，i sa p p l i e d g e n e r a ls p e a k i n g ，t h er e s e a r c ho fp a r a l l e l i s mo ft h es h a f t s h a sb e e no f g r e a tv a l u ef o ri m p r o v i n gt h ep r e c i s i o no f t h es y s t e m k e y w o r d s ：v a c b u nc o a t i n ge q m p m e n t ，p a r a l l e l i s m ，f i n i t e e l e m e n t a n a l y s i s ， p h o t o e l e c t r i cm e a s l l r e m e mm e t h o d i i 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：瑚 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至缒 导师签名： 陋日期：坐超土 上海大学硕士学位论文 1 1 课题背景 第一章前言 随着我国电子工业、包装行业的快速发展，国内对高档真空镀膜设备的需 求会越来越大，随着其自动化程度和复杂程度不断提高，其工艺要求也随之越来 越高。真空镀膜设备主要用于聚酯( p e t ) 、聚丙烯( o p p ) 、聚乙烯( p v c ) 、高密 度聚乙烯( h d p e ) 等塑料薄膜上连续蒸镀单面金属膜，主要用于生产电容金属化 膜和包装膜，在电子、包装、烟草等行业也有广泛应用。目前卷绕式真空镀膜机 设计和制造不断向大卷、宽幅、高速、微机控制自动化方向发展。当今世界上生 产卷绕式真空镀膜机的厂家比较著名的有德国的莱宝公司、日本的真空公司、英 国的通用公司和意大利的伽里略公司。而生产高档电容膜较有代表性的厂家是德 国莱宝公司( l s ) ，其生产的镀膜设备无论在膜厚及其均匀度上大大领先于国内 同行水平。 目前国内生产高档电容膜( 铝膜、锌铝复合膜) 的真空镀膜设备全部依赖进 口，国际上较有代表性的厂商是德国莱宝公司和意大利伽利略公司，其生产的真 空镀膜机无论从膜厚、膜宽、生产线速度以及卷绕精度都大大领先于国内同行水 平。而国产镀膜设备生产商如上海曙光只能制造膜厚较厚、镀膜要求低的包装膜 设备；以四川南光为代表的少数厂家在利用德国莱宝公司第一代莱宝机仿制电容 膜生产设备，但技术含量低，膜厚及膜宽均不理想。由于我国加入w t o 以后，中 国已逐渐成为世界生产加工基地，电容膜的需求量大增，但高档电容膜近一半还 依赖进口，即使一些低档的电容膜生产厂也供不应求。因此国内对高档真空镀膜 机的需求会越来越大，此项目的研究开发具有很大的市场空间。目前进口一套莱 宝l h 6 5 0 真空镀膜设备需1 2 0 万美元，而应用本项目技术生产一套同档次设备仅 仅需要2 2 0 万人民币，面对这样的市场形势，上海机电一体工程有限公司已经开 发出新一代高档电容膜生产设备，并继续开发高档锌铝复合膜生产设备。 上海大学硕士学位论文 1 2 真空镀膜机介绍n 1 真空镀膜机主要由卷绕系统、蒸发系统、真空系统、控制系统组成。如图 1 2 1 真空系统简介 图1 1 真空镀膜机外观图 由上海机电一体工程有限公司自主开发的真空卷绕式镀膜机真空系统的设 备型号、数量和参数如下表： 设备名型号数量功率k w电压v备注 增扩泵 d n 8 0 012 42 2 0 分三组 罗茨泵 z j b 1 2 0 0l1 13 8 0 罗茨泵 z j b 一6 0 0l5 53 8 0 滑阀泵 k t 一3 0 011 13 8 0 冷凝泵 c p i il7 33 8 0 阀门v 1 d n 8 0 0l 阀门v 2 d n 2 0 0 1 阀门v 3d n 2 5 0 1 阀门 7 4 d n l 6 01 阀门v 5 l 放气阀 阀门v 6 1 放气阀 真空计1 z f h 一312 2 0 配规管g 1 ，g 2 a , g 2 b 真空计2 z f h 一3l2 2 0 配规管g 3 ，g 4 a , g 4 b 2 上海大学硕士学位论文 由于系统镀膜时镀膜室和卷绕室都要达到一定的真空度，真空系统就是在 蒸镀前使镀膜室和卷绕室达到所需真空度要求。3 。如图1 - 2 。真空部分e h - z 级真 空发生装置组成。第一级由初级罗茨泵组成，第二级由次级初级罗茨泵组成，在 初级真空达到后次级初级罗茨泵开启，继续对真空室进行抽真空，当真空度达到 后，扩散泵开启，当真空稳定在1 0 。托后，达到卷绕、蒸发的要求。 图1 2真空系统示意图 真空设备运行流程 1 扩散泵预热：所有泵、阀均处于关闭状态( 真空室可在打开状态) 。 接通总电源。 启动滑阀泵( 接通冷却水) g i 真空达到5 0p a ，给出信号打开阀v 。 g 3 真空达到5 0p a ，给出信号接通扩散泵电源进行加热( 接通冷却水) 上海大学硕士学位论文 2 真空室抽真空。 条件：真空室合拢并确认放气阀关闭，扩散泵温度大于2 0 0 * ( 2 。冷凝泵 电源打开。 真空室合拢给出信号，关闭阀v 2 并打开阀v 3 、v 。( 阀v ：的关闭要先于 阀v 3 、v 4 的打开) ：冷凝泵开始制冷( 接通冷却水) 压力开关k 1 点真空达到1 0 0 0 0p a ，k 1 给出信号启动小罗茨泵( 接通 冷却水) 。 压力开关k 2 点真空达到5 0 0 0p a ，k 2 给出信号启动大罗茨泵( 接通冷 却水) 。 ( 注：两台罗茨泵与阀v 。连锁，同时满足阀v 3 开和k 1 、k 2 点真空要求 才能启动) g 1 真空达到5 0p a ，给出信号打开阀v 2 。 g 2 a 真空达到4p a ，给出信号关闭阀v 4 ，打开阀v 。 g 4 b 真空达到8 1 0 。2p a ，蒸发舟开始预热。 ( 注：g 2 b 、g 4 b 为电离规，它们与阀v 3 连锁，同时满足阀v 。开及g 2 a 、 g 4 a 真空达到4p a 才能开始测量。通过真空计的4 8 5 接口，有控制信 号启动电离规的测量) 蒸发舟正常工作后，开始蒸镀。 3 真空室放气并打开 条件：给出镀膜结束信号 阀v 。、v 。关闭( 通过连锁停大、小罗茨泵及g 2 b 、g 4 b 电离规的测量) 。 冷阱开关转换到加热 主鼓也从制冷转换到加热 主鼓温度大于2 0 c 后，放气阀v 5 、v 6 打开，3 分钟( 此时间可能需调整) 后给出声音信号，释放真空室锁紧装置并关闭放气阀v 5 、v 8 。 4 连续工作： 重复2 、3 步骤。 5 停机： 关闭冷阱( 停冷却水) 4 上海大学硕士学位论文 关闭扩散泵加热电源 扩散泵温度低于1 0 0 。c 后，关闭阀v 2 。 关闭滑阀泵( 在滑阀泵关闭时，先打开放气阀v 7l o 秒，然后停泵，放气 阀v 7 继续放气1 分钟后关闭) ，停所有冷却水。 1 2 2 蒸发系统简介 蒸发系统是真空镀膜机的主要部分，它由送丝机构、蒸发机构、遮挡机构 和循环冷却系统组成。送丝机构由电机通过变频器控制铝丝的送出速度，七套铝 丝分别被送给蒸发机构。蒸发机构由七套蒸发舟组成，七套蒸发舟按一定的溅射 角均匀布置，保证在6 8 0 r a m 的膜宽上既不重复覆盖又要全范围覆盖。遮挡机构 由气缸作动力，在蒸发舟加热到一定温度后，遮挡机构和送丝机构协调动作，将 铝蒸发到白膜上：遮挡机构另一个作用是在蒸发舟加热过程中起到隔热作用，保 护白膜免受热辐射。循环冷却系统将蒸发舟下部及四周的热量带出，避免真空室 的温度过高。 为了保证镀层的厚度，保持一定的方阻值，蒸发舟的溅射角、送丝速度、 蒸发舟的温度控制这三者之间的协调控制至关重要。 1 2 3 控制系统简介 控制系统是为了使整个蒸镀过程按照预定程序进行，如图卜3 。其几个需要 注意的要点为： ( a ) 钟罩关闭后，抽气系统才能启动。蒸镀过程中不得开启钟罩； ( b ) 各泵阀门须根据蒸镀工艺要求，依一定顺序，在要求的真空度条件下依 次开启： ( c ) 扩散泵冷却水断水或水压不足，系统不得启动，并给出报警信号： ( d ) 蒸镀过程中出现断膜故障时，停止蒸镀并报警； ( e ) 关机时，扩散泵p 5 停止加热5 0m i n 后待泵油冷却时关阀v 2 、泵p 2 。 上海大学硕士学位论文 1 2 4 卷绕系统简介 图1 3控制系统流程图 卷绕系统是卷绕式真空镀膜机的最主要的组成部分，如图卜4 。可分为两大 部分：一为机械卷绕系统及传动部分，即卷绕框架、收放卷机构、蒸镀主辊、收 卷摆动架等机构组成，如上图所示。二为卷绕系统的驱动和电器控制部分，主要 包括几个驱动电机以及与之相对应的模拟电路控制系统。 6 上海大学硕士学位论文 l 黧男裂篓件 图l 一4卷绕室平面结构图 真空镀膜室卷绕系统是卷绕式真空镀膜机的主体和心脏，它的设计和制造很 大程度上决定了镀膜产品的质量和产量。通过多套伺服传动系统结合展平、张力 测量、方阻测量及收放膜张力控制系统来实现膜厚为扯1 2 u 的膜在膜宽为6 8 0 m m 的幅面上的展开和电容膜的成卷。 膜宽为6 8 0 r a m 、直径为中5 0 0 、质量为8 0 的白膜在伺服电机的带动下以 1 3 m s 高速释放，在白膜的释放过程中必须保持张力恒定。紧靠在主辊附近的放 膜展平辊将膜在全宽范围内展开，使薄膜完全平整的紧贴主辊上，以便在白膜上 得到均匀的镀层：主辊由伺服电机带动，保证主辊上的膜以恒定高速输送，为了 在蒸镀时膜不受热变形，主辊上必须进行冷却。在收膜一侧，收卷过程中膜的张 力由二级伺服电机控制，在保证张力恒定的前提下使膜高速输送，同时通过对镀 层单位面积内电阻值( 方阻) 的实时检测来控制镀层厚度，保证镀层的均匀一致。 上海大学硕士学位论文 收膜展平辊将成品膜平整展开，收膜辊将展平后的成品膜平整卷绕成卷。 为了膜的卷绕和蒸镀的需要，卷绕部分必须在l o - 托以上的真空情况下工 作，其所有动力均必须通过磁性密封传动组件输入。为了保持放膜侧和收膜侧的 张力恒定且相互呼应，在主辊的两侧分别设置两对张力传感器以实时检测两侧的 张力大小，并通过张力传感器来控制伺服电机的转速以达到张力的恒定”j 。 1 3 本课题来源、研究内容、创新点及性能指标 上海机电一体工程有限公司已开发出了真空镀膜机，但由于张力控制以及卷 绕系统精度等原因在镀膜质量上尤其是膜厚均匀性并不理想。为了提高镀膜质 量，本课题要在所研制出的真空镀膜机的基础上，对种种影响系统精度的因素进 行研究，并着重于研究卷绕系统中各辊轴之间的平行度对整个系统精度的影响。 本课题主要研究内容是完成对各辊轴的挠度以及辊轴之间的平行度误差进 行了计算分析，并以此对卷绕系统中部分辊轴进行微调或者重新设计；建立模型 并用有限元分析软件对辊轴进行应力、变形分析。 本课题的创新点主要有以下几点： 1 对放膜展平辊采取了不同于传统方法的设计，运用后实际效果明显。 2 在对辊轴进行有限元分析的时候，建膜和分析分别在不同软件中进行， 有效的实现了系统模型数据的相互连接。把子结构法和子模型法运用到a n s y s 的有限元分析中。 3 对不同直径的辊轴采用了不同的测量方法。 技术指标 上海机电一体工程有限公司已开发出的电容膜生产设备，其技术指标为： 基膜名称0 p pp e t 膜厚( | lm ) 3 5 2 0 1 5 1 2 镀层材料 a 1 z na l 膜宽( m m ) 6 2 05 0 0 镀膜速度( n g s ) 1 2 1 58 1 0 镀层均匀性 + 1 - 1 0 + 一1 0 8 上海大学硕士学位论文 1 4 本章小结 本章主要介绍了真空镀膜机的发展现状，简要介绍了上海机电一体工程有 限公司己开发出的真空镀膜机及其技术指标。同时提出了本课题的研究任务。 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章提高镀膜质量的方法 由于整个镀膜过程比较复杂，因此影响镀膜质量的因素也很多“1 ，各个系统 的设计、制造和装配对整个系统精度都有相当大的影响，本章着重于从真空系统 和蒸发系统两个方面来考虑影响镀膜质量的因素。 2 2 真空系统关键技术问题研究 2 2 1 真空室内的压力变化及其影响因素 目前，大中型蒸发卷绕镀膜机 的真空室都是双室型即由 隔板将其分为上、下两室。通常， 上室是收、放卷室，下室是蒸镀 室，其示意图如图2 - 1 所示。图 中，q 为上室中被镀材料的放气 量( a a l s ) ；q l 为下室中被镀 材料的放气量( p a l s ) ；v 、p 、 s 为上室容积( l ) 、气体压力 ( p a ) 、对气体的抽速( l s ) ；v 1 、 图2 1 镀膜机真空室示意图 p l 、s l 、为下室的容积) 、气体压力( p a ) 、气体的抽速( u s ) ；u 为上、下 室之间狭缝的流导( l ，s ) 。 由于上室中被镀材料的放气量较下室大，且所配置的真空抽气机组的种类也 不相同，因此，这两个真空室在镀膜操作过程中的气体压力都不相同。这里，从 讨论上、下室所能获得的气体压力值及其影响因素入手，以求快速获得良好的真 空。根据卷绕镀膜机对真空系统的要求，由于真空室的漏气、渗气及其零部件的 放气远比被镀材料的放气量小，因此，在系统计算中可以忽略不计。 假定抽气时，在d 。时间内上室的压力降为d 。，下室的压力降为d ，l 。若主 泵对室体的抽气量与室体内的气体流量处于动态平衡时，下述关系式成立： 1 0 上海大学硕士学位论文 上室： y a p 。= q l p s u ( p p 1 ) ( 1 ) 下室： k 冬= q l p l s + u ( p p 1 ) ( 2 ) 当上、下室各自的抽气系统抽气时，用预真空泵抽气不会使上、下两个真空 室压力产生很大的差别，只有用主泵抽气时才会使两真空室的压力产生明显差 别，通常是p l op l 。基于此，可把式( 1 ) 中通过狭缝的气体流量项u ( p - p 1 ) 中的p 1 忽略掉，写为up ，则 上室： v a _ ，_ p 。= o p ( s + u ) ( 1 ) 下室： k 警= q l _ p l ( 墨+ u ) + p 【， ( 2 ，) 由式( 1 ) 求得 p = ( 办一南e x p ( 一了s + u f ) + 南 ( 3 ) 式中p a 为大气压力，p a 。将式( 3 ) 代入式( 2 ) ，有 k 鲁= q l 一娟邶+ u 【( n 一南) e 啾一了s + u f ) + 南 妣警+ 半旷管九一志蛔c 一半卅鲁+ 丽q u 通过求解方程( 4 ) 的齐次线性方程后，可求得： a = 面蒜c n 一南斛半卅 f 。一 型 f 。一j ) _ 一址一 垡竺 m 以一而潭f 瓦i 而仞- 一s 一+ u 一布一百而丽芦 e x p ( - 半f ) + 南+ 西而q u 耐 式( 3 ) 、( 5 ) 表明抽气过程中上、下真空室的压力随时间变化的情况，反映了 真空室内气体状态各参数之间的关系。从中可见若有气体负载，即q o ，q p = o 时：当t = 0 ，则p = pl = p a ：当t 一，则： 口：旦( 6 ) s + u p - = 币o l + 雨而q u ( 7 ) 上海大学硕士学位论文 当( s + u ) v 和( s l + u ) 1 的数值较大，时间t 值并不很大时，指数项 c x p ( - ( s + t ，v ) 和e x p ( ( s , + u ) t 1 ) 很快接近于0 ，上、下真空室的压力取决于式 ( 3 ) 、( 5 ) 后面无指数的项，如上式( 6 ) 、( 7 ) 所列。 若无气体负载，即q = q i = o 时，则 p ；n e x p ( - 量岩f ) ，i a = p a e x p ( 一半f ) + 而焉丽蚓一半f ) _ e x p ( 一半椰 当t = 0 时，p = p l = p a ；当t 一一时，p = p l = o ，其实不会为零，因为此时真 空室的漏气、渗气及零部件的放气起作用了。 、 上述结果说明： ( 1 ) 在镀膜操作过程中( t o ) ，上、下真空室内的气体压力是不相同的。若 使用不同放气速率的被镀材料，在每次镀膜时，真空室内所能获得的真空度也不 相同； ( 2 ) 影响上、下室压力的主要因素是q 、s 、q i 、s l 和u 。应该尽量减少q 和 q l ( 方法有：被镀材料的展开长度，尤其是在下室中的长度应尽可能短：如果需 要时，镀前可对被镀材料进行干燥) ，增大s 和s l ，可使真空室内的气体压力下 降得快，有利于缩短抽气时间。至于增大u ，可使p 减小，但使p l 增大，则不 利于镀膜操作，因此应设法减小u 。而v 、v 1 的大小，对抽气过程刚开始时的 压力变化有影响，如式( 3 ) 、( 5 ) 所列，当抽气时间较长时，对真空室的压力变化 就不起作用了； ( 3 ) 由式( 6 ) 、( 7 ) 可知，下室的q l 、s t 对上室的真空度没有影响，而上室的 q 、s 对下室的真空度有影响。当s 、s l 都远远大于u 时，式( 6 ) 、( 7 ) 分别成为 p = q s ，p i = q 1 s l 。 2 2 2 真空抽气系统 由于真空系统的气体负载常常比泵内的气体负载高几个数量级。因此，真空 室内的压力不可能达到泵的极限压力。此外，泵与真空室之间的管道流导也会影 响真空室的极限压力。 1 2 上海大学硕士学位论文 降低真空室的压力、减小抽气时间的途径有：增大对容器的抽速，减小基材 的放气速率。在给定压力下，真空抽气系统的抽气能力通常比极限压力更重要， 真空室的有效抽速比主泵的名义抽速更有意义。单位被抽空间的抽速值s v 越 大，真空室的抽气曲线p t 的下降就越迅速，同时也可获得更低一些的气体压力， 这和镀膜操作过程的结果是一致的，式( 3 ) 、( 5 ) 从理论上也证明了这一点。 本课题中的卷绕镀膜机所采用的真空抽气系统，其下室主泵为油扩散泵，上 室主泵为罗茨泵或油扩散喷射泵( 油增压泵) 。这主要是基于下述考虑：在下室能 获得高的真空度，在上室能及时排走被镀材料所放出的气体量。故上室应选择工 作压力区间在较高压力下的主泵，可以减小所需主泵的抽速。上室的压力为下室 压力的1 0 倍以上。 关于被镀材料，由于蒸发卷绕镀膜时的卷绕速度很快，被镀材料在上、下真 空室中暴露的时间都很短，因此，它们在上室和下室的放气速率可以视作相同。 另外，可以观察到，在镀膜过程中，当铝蒸发以后，下室内的气体压力较铝蒸发 前时有所降低，这是由于铝沉积在真空室内各表面上对气体产生吸附作用的结 果。文献1 5j 介绍室温下的铝膜对0 2 的吸附能力为1 0 7 0 4 8 0 0 p a l s 。在卷绕 镀膜机的操作条件下，真空室内温度较室温高，铝膜的吸气能力要降低。但是， 若蒸发的铝多，沉积面积大，它们的吸气能力还是很大的。 实践证明，依据上述考虑设计的卷绕镀膜机的抽气系统是能够在预定的时间 内达到预期的工作压力的。如果按照前面所提到的，由所用主泵抽速与真空室容 积的比值来估算，对下室，主泵为抽扩散泵时，比值是1 0 左右，大些更好；对 上室，比值当然要小些，不同种类的泵，比值也各不相同。实际上，这只是一种 简易且粗略的方法，只能作为参考，不能做为选择真空抽气系统的准确依据。 另外，有的卷绕镀膜机的下室所配置的主泵是增扩泵( 油扩散泵的一种) ，其 特点是极限压力虽不及后者低，但其抽速范围却比后者在高压力方向延伸半个数 量级到一个数量级。这突出的优点，正是卷绕镀膜过程所需要的。 为了保证镀膜的质量，在这种用油蒸汽流泵作主泵的抽气系统中，主泵入口 必须加水冷挡油帽和其它类挡油装置，以减少油蒸汽的返流。当加挡油帽时，挡 油帽下缘与该泵第一级喷嘴出口平面之问的距离，根据理论计算和实践经验必须 大于在该喷嘴出口处的油蒸汽分子的平均自由程长度的1 0 倍以上。 上海大学硕士学位论文 2 3 蒸发系统关键技术问题研究瑚 2 3 1 蒸发材料膜厚分布的均匀性及利用率 蒸发材料在被镀基底上的膜厚均匀性是指长度与幅宽两个方向而言。由于我 国早期的卷绕镀膜机卷绕装置的驱动是采用单电机形式，卷绕速度会随时变化。 因而，被镀材料在长度方向的膜厚就不均匀。后来，收、放卷辊和冷却辊筒各用 一个电机驱动，实现了恒张力控制，卷绕速度保持一致，使被镀材料在其长度方 向的膜厚均匀性得以保证，此时，只需注意被镀基底在其幅宽方向的膜厚均匀性 问题。 卷绕镀膜机的被镀基底是有一定幅宽的成卷带状材料，课题中为使幅宽方向 的膜厚分布达到所要求的均匀性，采取了如下办法来加以解决： 幅宽( r a m ) 1 5 0 5 0 0 6 5 08 0 0 1 0 0 0 1 3 0 0 蒸发舟数量 145791 2 ( 个) 表2 1 蒸发舟数量与基材幅宽的大致对应关系 ( 1 ) 在幅宽方向布置多个蒸发舟。现在卷绕镀膜机的蒸发源主要是用氮化硼作 发热体的电阻加热源，随着我国氮化硼蒸发舟制造工艺的成熟和质量的提高，由 于它特有的电学和热学性能及长的使用寿命，虽然价格高些，但还是普遍地用于 卷绕镀膜机中。每个蒸发舟的加热功率为8 - - 1 0 1 c w ，加热电压1 0 1 2 v ，蒸发 舟的数量由基材幅宽来决定，如表2 - 1 所列。为了提高卷绕速度，可以增加蒸发 舟的数量。增加蒸发舟的宽度，可以增大铝的蒸发速率，这也是满足蒸镀时卷绕 速度得以提高的另一种措施，同时，送出的铝丝也不易偏离蒸发舟蒸发区域。铝 在加热温度为1 2 7 2 时的饱和蒸汽压为1 p a 。在卷绕镀膜机中，作者曾测量了蒸 发舟的加热温度、送铝丝速度。由铝的蒸汽压常数a 、b 巴可算得氮化硼蒸发舟 表面上铝蒸汽饱和蒸汽压数值，可达1 0 0p a 左右，这比通常要高得多。 ( 2 ) 蒸发舟之间的水平距离可以是不相等的。中问部分的蒸发舟间距可以大 些，靠近基材幅宽边缘的蒸发舟间距可以小些。有的甚至使最外侧蒸发舟中心与 基材的幅宽边缘重合。 ( 3 ) 外侧蒸发舟与冷却辊筒间的蒸发距离可比中间部分的小。由膜厚计算公式 1 4 上海大学硕士学位论文 可知，冷却辊上铝的沉积厚度与蒸发距离h 平方成反比，把h 适当减小些，就可 使铝膜厚度显著增加，这就是使外侧蒸发舟对应处的冷却辊膜厚分布得以改善的 理论依据。计算结果表明，h 的减小量并不需要大，可为几毫米。 ( 4 ) 蒸发舟的错位式布置。 ( 5 ) 送丝机构的往复运动。 第( 2 ) 、( 3 ) 、( 4 ) 点措施是对蒸发材料的利用率和交叉沉积效果的互相补充。 第( 5 ) 点能增大材料的蒸发速率，延长蒸发舟的使用寿命。采用上述措施后，薄 膜厚度分布的均匀性可以小于等于1 0 ，若只采取第( 2 ) 点措施，也可达到小于 等于2 0 ，这仍是比较满意的。总之，这些措施提高了镀膜机的卷绕速度和膜厚 分布的均匀性，从而提高了产品质量和经济效益。当然，要保证收卷不偏，无皱 折，还需要精心考虑，在结构设计上应采取相应的办法。 从蒸发舟表面上蒸发材料的利用率可以采用角系数法来计算。角系数是辐射 换热中的一个很重要的概念。由于在高真空中金属蒸发与蒸发源的热辐射有相似 之处，因此，可用角系数来计算高真空中蒸发舟表面蒸发的金属蒸汽到冷却辊筒 表面上( 即在基材的幅宽方向) 所占的比例。以往的试验曾证明了这一点1 8 】。因蒸 发舟的蒸发表面较之冷却辊的圆柱表面是很小的，为此，前者可视为微元面。当 一个微元面对一个圆柱时，微元面的法线通过圆柱一个端面的中心，则文献州 给出了如下的角系数计算公式： f = 嘉谵- l ( 南) + ；l 丽a - 2 d 喵- i 止端一面1 喀。1 以等】( 8 ) 图2 - 2 蒸发舟对冷却辊筒圆柱面a b 的角系数 式中a = ( d + 1 ) 2 + l 2 ；b = ( d 1 ) 2 + l 2 ；d = f i rl = 圆柱长度r ；h 为微元面到圆 柱中心的垂直距离。 上海大学硕士学位论文 由图2 2 所给定的尺寸，按式( 8 ) 可分别计算出蒸发舟i 、对半径为r 的冷 却辊筒圆柱面a b 的角系数。计算可得：e = e 。= o 5 7 6 、e ，= o 6 4 3 。 计算结果表明：蒸发舟1 i 对圆柱面的角系数最大，i 、蒸发舟的角系数 相同，但比蒸发舟的要小。在真空室内，离开蒸发舟表面的金属蒸汽分子中能 够到达冷却辊筒表面上的是那些平均自由程大于从蒸发舟到冷却辊筒表面距离 的分子。可以考虑蒸汽分子平均自由程时求得的蒸发舟的角系数视为该蒸发舟上 蒸发材料的利用率，由此可知：( 1 ) 在这个条件下求得的蒸发舟的角系数只是蒸 发舟对冷却辊筒的角系数的一部分，即蒸发舟上蒸发出的材料的利用率要小于该 蒸发舟对冷却辊筒的角系数；( 2 ) 蒸发材料的利用率与镀膜时真空室内的真空度 有关。提高真空度，蒸汽分子的平均自由程增大，材料的利用率相应提高。 例如，一台9 个蒸发舟的卷绕镀膜机，没考虑蒸汽分子平均自由程时求得的蒸发 舟角系数f 和薄膜增厚系数f 如表2 所列 蒸发舟序号 1 2 3456 7 89 角系数f 0 2 9 50 4 5 70 5 1 00 5 2 1o 5 2 l0 5 2 1o 5 l o0 4 5 70 2 9 5 增厚系数f 1 5 3 71 9 6 42 0 4 12 0 0 92 0 0 92 0 0 92 0 4 11 9 6 41 5 3 7 表2 蒸发舟的角系数和薄膜增厚系数 表2 中的卷绕镀膜机的蒸发舟布置如果按以上所提的方法调整一下，虽然使 蒸发舟1 、2 、8 、9 本身的角系数和材料利用率减小，但冷却辊筒上膜厚分布的 均匀性可得到改善。由表2 可见，这9 个蒸发舟的角系数多数在0 4 以上，蒸发 舟中的蒸发材料的利用率约4 0 ，这高于其他资料上介绍的数值，如文献【”1 介 绍为3 0 。除此以外，余下一部分成为粉尘，散落在真空室内或被真空泵抽走了， 还有一部分成为吸气膜。随着蒸发距离h = h r 的增大，冷却辊筒上膜厚分布的均 匀性有了改善，但蒸发材料的利用率减小，为此，需在二者都兼顾的情况下加以合 理考虑。 2 4 本章小结 本章主要从真空室内的压力变化、真空抽气系统以及蒸发系统中蒸发舟数量 与膜厚系数几个方面分析了与影响镀膜质量之间的关系。 1 6 上海大学硕士学位论文 3 1 引言 第三章卷绕系统中辊轴之间平行度的计算 以上分析了真空卷绕镀膜机的真空系统和蒸发系统对镀膜质量影响，实际 上卷绕系统作为卷绕镀膜机的核心部分，卷绕室的设计和制造很大程度上影响着 镀膜的质量。而作为卷绕室中的重要零部件一轴的设计及其精度要求也直接对镀 膜质量产生影响。各辊轴的误差( 挠度、平行度) 使系统工作时产生未知的附加 张力，因此给对系统进行张力控制带来相当大的难度。因此，从机械加工制造以 及受载变形方面考虑，我们必须对卷绕系统中空间轴系进行平行度误差计算、分 析，从而根据数据结果对卷绕系统进行一些调整，提高整个系统的精度，从而提 高成品膜质量。 首先我们根据图纸上的精度要求对各根辊轴的挠度和辊轴之间的位置误差 即平行度进行理论上的计算。根据结果对各辊轴进行装配上的调整，以期改善镀 膜质量。 假设辊轴的制造水平都已经达到了理想状态，因此我们可以根据装配零件 的误差先计算出各辊轴轴心线相对理想轴心的偏差，再结合各轴的制造装配误差 算出辊轴之间的平行度误差。 3 2 轴心线误差的计算 1 7 装配尺寸链的计算顺序框图 3 2 1 主轴轴心偏差的计算f l l l 假设主轴套筒的制造工艺水平都 已经达到了理想状态，这里只考虑装配 零件的误差以及配合公差即轴承、轴承 套等的制造装配误差带来的影响。 右图为主轴左端的配合结构图， 从机电一体公司镀膜机设计的图纸中， 主轴的左右两边和轴承配合部分的尺 寸为：妒5 0 + 。+ 0 。0 1 3 、庐5 0 二肺，左右轴承的 上海大学硕士学位论文 编号为6 0 1 0 2 z ，查国家标准手册( g b ，r 2 7 6 - 1 9 9 4 ) 其内径为5 0 竺裟，外径为8 0 ， 两个轴承套的内径尺寸为庐8 0 柚“3 ，外径为妒9 5 ，轴两端和法兰板的同轴度误差 为o 0 0 8 m m ，丽两边法兰板的垂直度误差没有铡出暂时不予考虑。 建立尺寸链( g b 5 8 4 7 - 1 9 8 6 ) ，如右图：取l o 即轴心偏差为封闭环，l 1 、l 2 、l 3 分别为左边轴、 l ” 轴承、轴承套尺寸，均为增环，b 、l 5 、k 分别 为右边轴、轴承、轴承套尺寸，均为减环，l 7 、 k l 8 分别为同轴度误差。其中( 以下单位全部取r a m ) k + 各组成环尺寸： 。 l l 一- - 厶j + o + 0 0 0 0 1 ：、l 2 = 1 5 ：慧、l 3 = 7 5 0 1 3 、l 4 = 7 5 m 3 、l i 。 l 5 - - 一l j - o + 0 m 0 0 8 、k = 2 5 二m 1 6 。 公差：t t - - o 0 1 1 、t ：0 0 1 4 、t 3 = 0 0 1 3 、t 4 - - 0 0 1 3 、 t s = 0 0 1 4 、t 6 = 0 0 1 6 、t t = o 0 0 8 、t s = 0 0 0 8 。 中间偏差：l = + 0 0 0 7 5 、a 2 = + o 0 0 1 、3 = + o 0 0 6 5 、a 4 = + o 0 0 6 5 、a 5 = + o 0 0 1 、 a 6 = - - 0 0 0 8 。 传递系数：螽= 磊= 磊= 岛= 1 ，轰= 磊= 磊= 磊= - 1 。 组成环有不同的分布形式，常见的几种分布特征及其不对称系数e 与相对 分布系数k 的数值如下表： 分布特征正态分布三角分布均匀分布瑞利分布偏态分布偏态分布 ( 外尺寸)( 内尺寸) eooo- 0 2 80 2 60 2 6 k11 2 21 7 31 1 41 1 71 1 7 1 封闭环极值公差 封闭环极值公差： 瓦e = 旧匪= o 0 1 1 + 0 0 1 4 + 0 0 1 3 + 0 0 1 3 + 0 0 1 4 + 0 0 1 6 + 0 0 0 8 + 0 0 0 8 = 0 0 9 7 m m 1 9 上海大学硕士学位论文 封闭环中间偏差： a 。= 毒。= o 0 0 7 5 + 0 0 0 1 + 0 0 0 6 5 + ( - 0 0 0 6 5 ) + ( - 0 0 0 1 ) + ( 0 0 0 8 ) = 0 0 1 5 5 m m 封闭环极限偏差： 上极限偏差：e = a o + 三t o 。= o 0 1 5 5 + 0 0 9 7 1 2 = 0 0 6 4 m m 下极限偏差：e ，o = a o - l t o 卸0 1 5 5 - o 0 9 7 肛一0 0 3 3 m m 2 封闭环平方公差 封闭环平方公差： r o q = = o 0 3 3 3 m m 封闭环中间偏差： 。= 毒。= o 0 0 7 5 + 0 0 0 1 + 0 0 0 6 5 + ( - 0 0 0 6 5 ) + ( - 0 0 0 1 ) + 0 0 0 8 2 0 0 1 5 5 m m 封闭环极限偏差： 1 上极限偏差：e s o = a o + 寺磊。= 0 0 1 5 5 + 0 0 3 3 3 2 = 0 0 3 2 1 5 m m 厶 l 下极限偏差：g o = o 一去瓦。= o 0 1 5 5 0 0 3 3 3 2 = 一0 0 0 1 1 5 m m 二 3 封闭环统计公差 决定分布系数：按照小批量生产条件，l l 、k 按偏态分布；l 2 、l 3 、k 、l s 是 大批量生产的标准件，按偏态分布，封闭环近似正态分布，则各环相应系数为： k l = 1 1 7 、k 2 = l 、k 3 = 1 、k 4 = 1 、k s = l 、k 6 = 1 1 7 以及k o = l ； e l = 0 2 6 、e 2 = 0 、e 3 = 0 、e 4 = 0 、e s = 0 、e 6 = 0 2 6 。 封闭环统计公差： 瓦。 封闭 a o = ：i 1 、厨2 2 2 s 一 环中间偏差： 胛下 每( ，+ q 号) = ( o 0 0 7 5 + 0 2 6 + 0 0 0 5 5 ) + 0 0 0 1 + 0 0 0 6 5 - 0 0 0 6 5 0 0 0 1 - ( - 0 0 0 8 + 0 2 6 + 0 0 0 8 ) 2 0 0 1 4 8 5 m 一彳一等 一。h 上海大学硕士学位论文 封闭环极限偏差： e s o ：0 + = 1z 。s = o 0 1 4 8 5 + 0 0 3 5 3 2 = 0 0 3 2 5 m m 1 e i o = o 一瓦s = o 0 2 9 8 5 - 0 0 3 5 3 2 2 0 0 0 2 8 r a m 4 封闭环当量公差 封闭环当量公差： 取l c = 1 2 2 ( 没有参考统计数据，各组成环当作三角分布) = o 0 4 0 6 m m 封闭环中间偏差： 。= 毒。铷0 0 7 5 + 0 0