｜利用模糊控制提升卷式網印之尋邊性能

摘要：本文針對卷式（R2R）網印製程之尋邊性能提升問題做研究。由於薄膜與滾輪表面磨擦、材料脹縮等微小的擾動所引起的薄膜擾動，將會影響尋邊精度（大於100μm），使後續製程造成誤差。因此首先藉由薄膜在尋邊器載具之分析瞭解其動態行為。接著結合CompactRIO硬體與Labview軟體來設計模糊控制器，藉此達到省略建模的步驟。最後從實驗的結果顯示經由此控制器的控制量輸出不只能夠即時的抑制發生在薄膜擾動的影響，更能達到提升尋邊性能的目的，且精度規格也維持在規定範圍內。

Abstract: The improvement of the finding edge performance of the R2R system is studied in this paper. Minor perturbations acted in the film, due to the friction of the film with the roller surface, material expansion and contraction, will dramatically affect the finding edge accuracy, where it is larger than 100 μm. These will cause the error of the edge accuracy in the subsequent processes of the R2R system.Therefore, using the analysis of the edge position control, the dynamic behavior of the film can be understood in the beginning.To omit the modeling of the edge position controller, the fuzzy controller is designed by combining the CompactRIO hardware and the LabView software. Finally, the experimental results show that not only the output of the proposed controller can instantly suppress the perturbations occurred in the film, but also the performance of the fining edge can be achieved.And the accuracy specifications of the fining edge will be maintainedwithin the prescribed limits.

關鍵詞：模糊控制、卷到卷、尋邊器

Keywords：Fuzzy Control, Roll to Roll (R2R), Edge position detection

前言
近年來，利用R2R印刷設備來大規模生產電子產品是非常具有潛力的，例如：RFID、電子紙、太陽能電池和顯示器。R2R印刷方法的優點是它可以非常有效的節省設備成本和靈活的運用薄膜材料。然而相較於一般傳統的印刷技術，R2R印刷方法針對精密度的要求更高。圖1為R2R連續網印機的示意圖（金屬研究中心自行開發）[1]，其中包含放卷、印刷、緩衝、乾燥與收卷設備。其動作原理是由放卷機將薄膜傳送至印刷機，接著由緩衝機進行張力控制接者進入乾燥機，將漿料烘乾最後送到收卷機。圖2為薄膜收卷機，其功另一方面，薄膜在自動尋邊器上的動態行為可分為縱向行為與橫向行為，其中橫向行為表示為材料於傳輸過程的橫向偏移量；一般張力與線速度的大小因其材料特性與加工製程而有所不同，製程中材料的線速度與張力的穩定與否，關係到產品生產完成後，縱向尺寸是否與預定的規格一般，然而過大的張力會造成材料的變形、斷裂、破損或使得外層材料壓壞內層材料，過小的張力會使得材料出現皺紋和橫紋或產生下垂現象而無法進行加工；另一方面，製程中材料橫向偏移量的多寡對於成品的品質影響甚巨，例如：貼合不良、分條不均、收卷不齊、卷邊、皺折、印刷歪斜等。至於製程中材料產生橫向偏移可能的原因包含有：

（1） 橫向的干擾：當隨機的干擾（例如負載的突然變化、感測器受到雜訊、受到外在的溫度的變化，或是由於系統的老化、燃料與機件的損耗等等皆會引起系統參數的變化）出現於系統中，將使得薄膜與滾輪接觸面產生材料的橫向偏移。
（2） 牽引力不足（不穩定）：當軟板牽引力不足時，會導致滾輪與軟板之間的摩擦力降低，增加軟板在滾輪表面產生滑動現象的可能性，當軟板產生滑動現象時會脫離原本的路徑而產生橫向偏移，如圖4所示，其中進入滾輪偏移角度與離開滾輪偏移角度相等。
（3） 滾輪之間的架設不平行：當滾輪之間的架設不平行時，如圖5所示，圖中滾輪B－B’為不平行架設，當滾輪開始轉動後，軟板因左右兩側擺動幅度不同而產生橫向偏移，實際上滾輪因組裝精確度有限的情況，以及在傳輸時受牽引力所產生的力矩作用，這些勢必會使軟板產生橫向偏移。

歷年來針對橫向偏移的分析模式與控制方法已有許多文獻[2-11]。例如:文獻[2]針對軟板於多間距系統，利用漢米爾頓原理推導出橫向偏移動態模式，並利用比例控制器加以導正。文獻[3]探討軟板於多間距系統中，滾筒與軟板之間所產生的相互影響關係，包含了滾筒與軟板之間的滑動現象與力矩作用，利用估測的狀態結合前授控制器來導正軟板的橫向偏移。文獻[4]分析軟板於傳輸過程中橫向與縱向的動態行為，分別設計前授控制器與可變增益PID控制器加以導正橫向偏移與縱向張力。文獻[5]利用有限差分逼近法推導系統動態模式，並以回授補償法設計控制器，並利用電腦模擬導正系統內的橫向偏移。文獻[6-9]藉由系統內多個感測器所量測得知的訊息與控制輸入為依據，提出以系統鑑別的方式，分別鑑定鐵板與薄膜在傳輸時的橫向偏移模式。文獻[10]利用自調式類神經PID控制器加以學習，以即時調整輸出層的三個節點，其節點分別代表PID控制器的比例、積分及微分增益值。文獻[11]利用模糊滑動模控制器導正PET薄膜之橫向偏移。鐵板與薄膜在傳輸時的橫向偏移模式；鐵板的橫向偏移利用調整器控制器加以導正；薄膜的橫向偏移則是利用PI回授控制器與前授控制器加以導正。

由於本設備希望將R2R印刷提升到極高的精密度，因此本文首先針對R2R連續網印機之自動尋邊控制器之動態分析與控制控制架構介紹。接著利用模糊法則來設計控制器，以期提高薄膜尋邊之精度。最後以實際結果驗證此方法之可行性。