彩色印刷套印誤差檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

孫園園， 陳長(zhǎng)纓

(1.“重大工程災(zāi)害與控制”教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(暨南大學(xué))， 廣東 廣州 510632；2.廣東省高等學(xué)校光電信息與傳感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(暨南大學(xué)，光電工程系)， 廣東 廣州 510632)

0 引言

彩色印刷一般采用青色、品紅、黃色和黑色組成的4色印刷方式，印刷時(shí)4種色版的圖案依次疊印，最后合成一副完整的彩色圖像.在此過(guò)程中，如果套色的位置不準(zhǔn)，就會(huì)影響圖案的層次與色彩再現(xiàn)[1，2].現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)可以精確控制印刷機(jī)滾筒的角速度，但由于滾筒本身存在偏心的問(wèn)題，使得套印時(shí)滾筒表面線速度不一致，滾筒表面產(chǎn)生位移偏差，導(dǎo)致套印誤差的出現(xiàn).因此，研制一種在高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下直接測(cè)量滾筒表面位移偏差的光電檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)減少套印誤差、提高彩色印刷質(zhì)量具有重要的意義.本文依據(jù)黑白條形碼對(duì)光能吸收不同的光學(xué)原理，利用現(xiàn)代光電技術(shù)，完成了彩色印刷套印誤差檢測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì).

1 檢測(cè)原理

系統(tǒng)原理框圖如圖1所示：待測(cè)的印刷機(jī)滾筒表面粘附著設(shè)計(jì)好的等間距黑白條形碼，調(diào)整激光器，使激光垂直入射在條形碼表面，滾筒以恒定的角速度運(yùn)動(dòng).由于黑白條形碼對(duì)光能的吸收不同，光電轉(zhuǎn)換器接受到條形碼反射光能的強(qiáng)弱不同，引起光電轉(zhuǎn)換器輸出電壓高低的交替變化，而滾筒表面的位移偏差會(huì)改變信號(hào)相位，產(chǎn)生一系列相位差異的即時(shí)脈沖測(cè)量信號(hào).

圖1 系統(tǒng)原理框圖

采用鎖相環(huán)技術(shù)，將即時(shí)脈沖測(cè)量信號(hào)累積足夠的時(shí)間，得到一組新的相位穩(wěn)恒的信號(hào).該信號(hào)相位穩(wěn)恒，可以作為標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)比較原測(cè)量信號(hào)的相位偏差，用來(lái)計(jì)算滾筒表面各點(diǎn)相對(duì)瞬時(shí)位移偏差，如圖2所示.在實(shí)際中，同樣也是通過(guò)比較相對(duì)瞬時(shí)位移偏差調(diào)整印刷機(jī)滾筒工作狀態(tài)，提高印刷質(zhì)量，所以我們將這個(gè)相位穩(wěn)恒的信號(hào)定義為虛擬零誤差標(biāo)準(zhǔn)信號(hào).

圖2 相位偏差檢測(cè)原理圖

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)與測(cè)量信號(hào)同時(shí)進(jìn)入相位比較器，輸出相位比較結(jié)果，單片機(jī)對(duì)比相模塊輸出的比相結(jié)果進(jìn)行A/D采樣，采樣結(jié)果編碼后存儲(chǔ)在RAM中.待完整一圈的測(cè)量數(shù)據(jù)采集完成之后，單機(jī)片暫停采樣，將儲(chǔ)存在RAM中的測(cè)量數(shù)據(jù)以串口通信的方式發(fā)送給PC，發(fā)送完畢后單片機(jī)繼續(xù)采樣與存儲(chǔ).如此循環(huán)多次，PC機(jī)接收到若干圈的測(cè)量數(shù)據(jù)，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，可以得到單圈或若干圈取均值后的印刷機(jī)滾筒表面各點(diǎn)位移偏差的檢測(cè)結(jié)果.

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)光電測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包括條形碼設(shè)計(jì)、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)3大部分.在硬件設(shè)計(jì)中主要包括光接收和信號(hào)處理、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)生成、比相和單片機(jī)采樣通信等部分.軟件設(shè)計(jì)部分則主要包括主程序、采樣編碼及通信模塊.

2.1 條形碼設(shè)計(jì)

條形碼的設(shè)計(jì)如圖3所示，目前打印機(jī)可打印的最細(xì)條紋為10.6 μm，將12個(gè)白條紋和12個(gè)黑條紋組成一個(gè)黑白條形碼周期，長(zhǎng)度為254 μm.24個(gè)細(xì)條紋構(gòu)成一個(gè)完整的信號(hào)周期(360°)，每個(gè)細(xì)條紋代表的相位為 15°.整條條形碼分為起始區(qū)、定標(biāo)區(qū)和正常區(qū).起始區(qū)被設(shè)計(jì)用來(lái)在連續(xù)測(cè)量時(shí)區(qū)分每圈的測(cè)量數(shù)據(jù)，并且在粘附時(shí)處理黑白條形碼非整數(shù)周期的零頭部分.定標(biāo)區(qū)通過(guò)改動(dòng)前后周期條形碼的黑白條紋數(shù)目實(shí)現(xiàn)定量相位偏差，對(duì)測(cè)量結(jié)果的分析很容易提取出該偏差，并作為已知的“標(biāo)尺”衡量正常區(qū)的相位偏差的大小，從而定量計(jì)算出滾筒表面各點(diǎn)的位移偏差.

圖3 條形碼設(shè)計(jì)圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

光接收和處理電路部分主要采用光電二極管與施密特觸發(fā)器，光電二極管將反射光轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，然后利用施密特觸發(fā)器的整形及變換功能將輸出的非矩形波整形為矩形波作為測(cè)量信號(hào).

圖4 比相模塊電路設(shè)計(jì)圖

圖5 軟件設(shè)計(jì)流程圖

標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的生成則通過(guò)鎖相環(huán)電路(PLL)實(shí)現(xiàn)，PLL電路是用于產(chǎn)生與輸入信號(hào)相位同步的新的信號(hào)電路[3].鎖相環(huán)電路由鑒相器(PD)、環(huán)路濾波器(LP)和壓控振蕩器(VCO)組成，PD將輸入信號(hào)與VCO的輸出信號(hào)進(jìn)行比相，比相結(jié)果經(jīng)LP濾波后作為控制VCO振蕩頻率的控制信號(hào)，用來(lái)使VCO輸出的振蕩頻率能夠跟蹤輸入信號(hào)的頻率.當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，VCO的輸出頻率調(diào)整到與輸入信號(hào)頻率的均值完全一樣.在系統(tǒng)中，PLL的輸入信號(hào)為測(cè)量信號(hào)，當(dāng)PLL鎖定后，輸出信號(hào)與輸入測(cè)量信號(hào)的頻率均值保持一致，且相位恒定，可作為標(biāo)準(zhǔn)參考信號(hào)用于與測(cè)量信號(hào)比較相位偏差.

比相模塊的設(shè)計(jì)如圖4所示，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)和測(cè)量信號(hào)分別控制為電容充電及放電的電流源與放電門(mén)，測(cè)量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的相位偏差決定電容的充放電結(jié)果，同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)控制單片機(jī)在脈沖信號(hào)上升沿到來(lái)時(shí)對(duì)電容充電電壓進(jìn)行A/D采樣，采樣得到的數(shù)字信息準(zhǔn)確有效地表征測(cè)量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的相位偏差，對(duì)采樣結(jié)果計(jì)算便可以精確地得到印刷機(jī)滾筒表面各點(diǎn)的位移偏差.

單片機(jī)選用TI公司生產(chǎn)的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F1611，主要工作包括對(duì)比相結(jié)果中斷觸發(fā)采樣、采樣結(jié)果的編碼及儲(chǔ)存、定期向PC機(jī)發(fā)送儲(chǔ)存的采集數(shù)據(jù)等.MSP430F1611片內(nèi)具有ADC12位高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器，選用內(nèi)部2.5 V參考電壓，最小分辨電壓為2.5 V/4 096=0.6 mV，采樣速率快，最大可達(dá)200 ksps[4].MSP430F1611片內(nèi)的RAM容量達(dá)10 k，可以滿足數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需要.MSP430F1611的串口通信模塊(USART)能夠?qū)崿F(xiàn)與PC機(jī)之間的通信，設(shè)計(jì)的串口通信波特率為115 200 bit/s.

2.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)基于C語(yǔ)言設(shè)計(jì)，采用IAR公司制作的開(kāi)發(fā)平臺(tái)IAR Embedded Workbench EW430，該平臺(tái)功能強(qiáng)大，專(zhuān)門(mén)針對(duì)MSP430應(yīng)用而開(kāi)發(fā)[5].

整個(gè)程序編寫(xiě)運(yùn)用模塊化的編程思想，系統(tǒng)軟件主要包括主程序和觸發(fā)中斷子程序兩大部分，其中主程序主要包括初始化模塊、功能判別模塊和串口通信模塊，主要功能分別是硬件模塊的初始化、判斷選擇單片機(jī)的工作狀態(tài)和實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)串口通信等.觸發(fā)中斷子程序部分包含兩個(gè)子模塊：數(shù)據(jù)采集周期判別模塊和采樣數(shù)據(jù)編碼存儲(chǔ)模塊，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量周期端點(diǎn)的判別和數(shù)據(jù)編碼存儲(chǔ)等功能.整個(gè)系統(tǒng)程序流程如圖5所示.

3 測(cè)試結(jié)果

為精確分析系統(tǒng)的測(cè)量精度，我們?cè)O(shè)計(jì)了測(cè)試條形碼：在正常區(qū)中選取某小段區(qū)域?yàn)闇y(cè)試區(qū)，并添加定量相位偏差，方法與定標(biāo)區(qū)的設(shè)計(jì)相同，但測(cè)試區(qū)的相位偏差不參與定量計(jì)算，而是作為已知的位移偏差理論值與系統(tǒng)對(duì)測(cè)試區(qū)位移偏差的檢測(cè)值比較，檢驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)量精度.測(cè)試使用的印刷機(jī)滾筒直徑為175 mm，平均線速度為10 m/s，與實(shí)際工作狀態(tài)一致.

表1 測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述設(shè)計(jì)方案，實(shí)驗(yàn)選取了3套測(cè)試條形碼.3套測(cè)試條形碼設(shè)計(jì)的測(cè)試區(qū)理論位移偏差分別為：10.6 μm、21.2 μm和31.8 μm.實(shí)驗(yàn)順序隨機(jī)，每套檢測(cè)條形碼不間斷連續(xù)檢測(cè)50次，平均處理后得到的測(cè)試區(qū)位移偏差測(cè)試結(jié)果分別為：12.5 μm、19.1 μm和32.9 μm，如表1所示，測(cè)量誤差分別為：1.9 μm、-2.1 μm和1.1 μm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，系統(tǒng)測(cè)量誤差在±3 μm以?xún)?nèi)，達(dá)到項(xiàng)目要求的10 μm的精度要求.

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新的測(cè)量彩色印刷機(jī)套印誤差的方法，采用黑白條形碼和現(xiàn)代光電檢測(cè)技術(shù)，相比較傳統(tǒng)的紙上十字規(guī)矩線標(biāo)記法，可以提高測(cè)量的精確性、全面性和實(shí)時(shí)性.該系統(tǒng)已經(jīng)初步應(yīng)用在日本某公司的大型網(wǎng)絡(luò)膠印機(jī)上，測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有測(cè)試速度快、準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)量誤差小于±3 μm，為彩色印刷機(jī)套印誤差的測(cè)量提供了便利的檢測(cè)手段和先進(jìn)的測(cè)試方法.

[1] 于麗杰，李德勝，王躍宗，等. 離線彩色套印誤差測(cè)量系統(tǒng)〔J〕.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008,34(5):466-467.

[2]孟 璇，劉 昕.自動(dòng)檢測(cè)套印誤差的研究〔J〕.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2006,22(2):179-180.

[3] 遠(yuǎn)坂俊昭(日). 鎖相環(huán)(PLL)電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京：科學(xué)出版社，2004:134-135.

[4]〗沈建華，楊艷琴，翟驍曙. MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004:261-262.

[5]張 晞,王德銀,張 晨，等. MSP430系列單片機(jī)實(shí)用C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社, 2005:38-40.