自動(dòng)套色系統(tǒng)中誤差色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

第36卷第6期光電工程Vol.36,No.62009年6月Opto-ElectronicEngineeringJune,2009文章編號(hào)：1003-501X(2009)06-0141-05自動(dòng)套色系統(tǒng)中誤差色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)李娜娜1,2，安志勇1，陳廣秋1(1.長(zhǎng)春理工大學(xué)，長(zhǎng)春130022；2.中國(guó)科學(xué)院光電研究院，北京100080)摘要：針對(duì)在凹版印刷中表征套印誤差信息的色標(biāo)信號(hào)檢測(cè)問(wèn)題。本文依據(jù)各顏色畫(huà)面相對(duì)背景色對(duì)光能吸收不同的光學(xué)原理，利用半透半反光玻片的異面性和光電池光電轉(zhuǎn)換功能，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器。針對(duì)光電池光電轉(zhuǎn)換輸出信號(hào)較弱且非數(shù)字性的問(wèn)題，進(jìn)行了信號(hào)調(diào)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該光電傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、檢測(cè)距離遠(yuǎn)((10±2)mm)、光斑半徑小(Φ1.5mm)、靈敏度高、響應(yīng)速度快(0.2ms)、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：光電傳感器；色標(biāo)信號(hào)檢測(cè)；套印誤差；光能吸收；光電池中圖分類號(hào)：TP212.14文獻(xiàn)標(biāo)志碼：Adoi：10.3969/j.issn.1003-501X.2009.06.028DesignandImplementationofPhotoelectricSensorforDetectingColorCodeUsedinAutomaticRegisterControllerLINa-na1,2，ANZhi-yong1，CHENGuang-qiu1(1.ChangchunUniversityofScienceandTechnology,Changchun130022,China;2.Photo-electronicResearchSchool,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)Abstract:Forthesakeofsolvingthecolormarkdetectingproblemofoverprintingerrorinformationingravureprinting,anopticalmoduleofdetectingcolormarksisdesignedandrealizedbasedontheprinciplethatthereflectedlightenergyabsorptionisdifferentwhenvariouscoloredbarsareirradiatedbyawhitelightsource.Inaddition,asortofglassslicewithonefacepossessingsemitransparentcapacity,thehalfreflectivityandthefunctionofaphotocell’sphotovoltaicconversionareutilized.Asaresultofweaknessandnon-digitalofoutputsignal,anoutputsignalismagnifiedandtransformed.Theexperimentresultshowsthatthesensorhasmanygoodfeatures,suchasanuncomplicatedstructure,fardetectingdistance((10±2)mm),littlefacularadius(Φ1.5mm),highsensitivity,fastresponsespeed(0.2ms),highstabilityandreliability,etc.Keywords:photoelectricsensor;colormarkdetecting;overprintingerror;lightenergyabsorption;photocell0引言凹版印刷機(jī)采用凹版滾筒印刷方式，在塑料薄膜(例如BOPP膜)上印刷各種顏色的彩色圖案。由于采用凹版滾筒印刷方式，其印刷品具有色澤鮮艷、清晰明快、形象逼真與立體感強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，是其它印刷方式無(wú)法比擬的，所以在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。這種方法是將需要印刷的成品圖案雕刻在每個(gè)印刷版輥上，圖案有多少種顏色，原材料就需要經(jīng)過(guò)多少次的版輥壓印，最后得到需要的產(chǎn)品。這種印刷方式要求同一幅收稿日期：2008-11-27；收到修改稿日期：2009-03-20基金項(xiàng)目：國(guó)家863高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(2007AA706132)作者簡(jiǎn)介：李娜娜(1978-)，女(漢族)，吉林長(zhǎng)春人。工程師，博士研究生，主要從事光電測(cè)控技術(shù)及儀器的研究。E-mail:lindali_2004@。142光電工程2009年6月圖案在各個(gè)套印版輥的套印位置嚴(yán)格同步。然而由于塑料薄膜易受溫、濕度的影響而導(dǎo)致變形和伸縮特性發(fā)生變化，此時(shí)即使套色調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)制造得非常精確，各部分動(dòng)作非常協(xié)調(diào)準(zhǔn)確，但如果印刷機(jī)的自動(dòng)化程度不高，仍然難以避免在印刷過(guò)程中出現(xiàn)跑偏現(xiàn)象，導(dǎo)致原材料浪費(fèi)、產(chǎn)品質(zhì)量得不到保證。作為凹版印刷機(jī)主要配套之一的自動(dòng)套色控制系統(tǒng)則實(shí)時(shí)有效地解決了這一問(wèn)題，而如何把色彩光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)，并把模擬電信號(hào)轉(zhuǎn)換為套色控制系統(tǒng)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)顯得至關(guān)重要。因此，研制一種決定套色控制系統(tǒng)性能的誤差色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器具有十分重要的意義[1-2]。本文基于不同顏色背景對(duì)光能吸收不同的原理，從光路和電路兩部分完成了誤差色標(biāo)檢測(cè)光電傳感裝置的研究與設(shè)計(jì)。1色標(biāo)檢測(cè)原理1.1凹版印刷機(jī)工作原理凹版印刷機(jī)印刷過(guò)程如圖1所示。CR2MS1MS3MS2MS4MS5MS6MS:Printingcylinder；MR:Presscylinder；CR:Erroramendentcylinder；S:Colormarkdetectingphoto-electronicsensor圖1凹版印刷機(jī)印刷流程圖Fig.1Flowchartofgravureprintingprocess印刷版輥MSx(x=1,2,…,n)、壓印膠輥MRx(x=1,2,…,n)、誤差修正輥CRx(x=1,2,…,n)和色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器Sx(x=1,2,…,n-1)組成了印刷單元。在印刷過(guò)程中要求同一幅圖像在各個(gè)印刷單元位置同步。實(shí)際印刷過(guò)程中印刷機(jī)線速度大，張力難以恒定，再加上導(dǎo)輥和壓輥的相對(duì)滑動(dòng)，承印材料的彈性收縮，各個(gè)印刷單元受熱交換器冷熱風(fēng)的影響，承印物體材料會(huì)產(chǎn)生細(xì)微伸縮，導(dǎo)致圖像套印位置的偏差[2-4]。這種偏差具有連續(xù)性，對(duì)印刷品的質(zhì)量影響極大。由于印刷極線速度大，人工很難調(diào)整這種偏差，作為凹版印刷機(jī)主要輔助控制系統(tǒng)之一的彩色自動(dòng)套色控制系統(tǒng)能有效地解決這一問(wèn)題。設(shè)計(jì)誤差色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器準(zhǔn)確有效檢測(cè)表征套印誤差信息的色標(biāo)信號(hào)，是自動(dòng)套色控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵問(wèn)題。1.2誤差色標(biāo)檢測(cè)原理光電傳感器色標(biāo)檢測(cè)原理如下：在印刷過(guò)程中，每色印刷都會(huì)在印料的邊緣印上以供套色用的色標(biāo)，如圖2所示，該色標(biāo)線(MARK線)水平長(zhǎng)10mm，寬1mm，每個(gè)相鄰色的MARK線在套印精確時(shí)應(yīng)互相平行，且間距為20mm[5]。當(dāng)MARK線通過(guò)光電傳感器的雙通道光斑時(shí)，會(huì)引起反射光強(qiáng)弱的變化，光電轉(zhuǎn)換器件將這種變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓的變化，電信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路形成相應(yīng)的脈沖信號(hào)，即實(shí)現(xiàn)了色標(biāo)Photo-electronicsensorMARKlineDesignPrintedmaterialadvancedirectionT1T2(a)Match(b)Lead(c)Lag圖印料邊緣套色用色標(biāo)Fig.2Overprintingerrorcolormarksofmaterialedge圖3光電傳感器色標(biāo)檢測(cè)原理圖Fig.3Colormarkdetectingprinciplemapofphoto-electronicsensor第36卷第6期李娜娜等：自動(dòng)套色系統(tǒng)中誤差色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)143信號(hào)的檢測(cè)和微處理器識(shí)別脈沖電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。以第二個(gè)印刷單元為例，當(dāng)?shù)谝簧∷⒌腗ARK線與第二色印刷的MARK線通過(guò)光電傳感器時(shí)產(chǎn)生的MARK線脈沖信號(hào)分別定義為T1和T2。若T1和T2同時(shí)產(chǎn)生，說(shuō)明兩條MARK線之間的距離為20mm，此時(shí)沒(méi)有套印誤差(匹配)；若T1脈沖超前或滯后T2脈沖信號(hào)，則表示兩條MARK線之間的距離不是20mm，此時(shí)有套印誤差。檢測(cè)原理如圖3所示。2色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)如圖4所示，點(diǎn)光源經(jīng)凸透鏡形成平行光，平行光照射到半透半反光玻片的全透射面，使平行光完全透射。透射的平行光再經(jīng)過(guò)一個(gè)凸透鏡聚焦，焦點(diǎn)落在色標(biāo)信號(hào)上，不同顏色對(duì)光的吸收能力不同，從而反射回的光能量也會(huì)不同。反射光經(jīng)透鏡形成反射平行光，反射平行光再照到半透半反光玻片的全反射面，使其完全反射，并被光電轉(zhuǎn)換器件接收。不同顏色MARK線的反射光信號(hào)經(jīng)光電轉(zhuǎn)換器件就可以轉(zhuǎn)換為不同幅度的電壓信號(hào)。再通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路(主要有隔直濾波、信號(hào)放大和電壓比較和光藕隔離輸出)，就可產(chǎn)生被微處理器識(shí)別的脈沖信號(hào)。光電傳感器由兩大模塊組成：用于色標(biāo)光信號(hào)檢測(cè)和光電轉(zhuǎn)換的光路模塊；用于光電轉(zhuǎn)換器件輸出信號(hào)調(diào)理的電路模塊。2.1光路模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)光路模塊設(shè)計(jì)主要進(jìn)行雙透鏡和半透半反光玻片功能設(shè)計(jì)、點(diǎn)光源測(cè)試選型以及光電池性能測(cè)試，原理如圖5所示。透鏡1把點(diǎn)光源發(fā)射光形成平行光，使光源信號(hào)在光路通道中得以傳輸。透鏡2實(shí)現(xiàn)色標(biāo)照射聚焦光斑的形成，同時(shí)把色標(biāo)反射光轉(zhuǎn)換成傳輸平行光。為實(shí)現(xiàn)光源信號(hào)在正向路徑直線傳輸，同時(shí)又能讓色標(biāo)反射平行光反向路徑變向傳輸，采用了半透半反光玻片，其全透射面面向透鏡1，使光源平行光完全透射；而全反射面面向透鏡2，對(duì)反射光進(jìn)行90°角的變向反射，實(shí)現(xiàn)反射光到光電轉(zhuǎn)換器件接收面的輸送。為此，半透半反光玻片的位置要嚴(yán)格與平行面成45°夾角。圖4色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器總體設(shè)計(jì)原理框圖Fig.4Overalldesignprincipleframeofcolormarkdetectingphoto-electronicsensor圖5光路設(shè)計(jì)原理圖Fig.5Principleofopticalpathdesign2.2點(diǎn)光源與光電轉(zhuǎn)換器件的選取由于套色系統(tǒng)對(duì)MARK線的信號(hào)的實(shí)時(shí)性要求較高，而光源的性能直接影響光電傳感器轉(zhuǎn)換時(shí)間，因此，光源的選擇十分重要?？刹捎玫狞c(diǎn)光源主要有小白熾燈泡、發(fā)光二極等。因白熾小燈泡易發(fā)熱、壽命短、聚焦差等缺點(diǎn)，系統(tǒng)的耐用性和可靠性得不到保障。最后我們選用NSPW500BS型號(hào)的白光二極管，此種型號(hào)的二極管具有焦點(diǎn)處亮度高、無(wú)散光、響應(yīng)時(shí)間短等優(yōu)越性能，通過(guò)測(cè)試判斷可以滿足系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。本系統(tǒng)選用的光電池型號(hào)為2CR42(無(wú)柵)，為了測(cè)試其靈敏度是否滿足要求，設(shè)計(jì)了靜態(tài)測(cè)試電路如144光電工程2009年6月圖6所示。測(cè)試方法：取一印刷物的MARK線放在光電傳感器光眼焦點(diǎn)處，測(cè)試薄膜背景和各色標(biāo)。同時(shí)從電路上斷開(kāi)光電池，用毫伏表測(cè)量光電池的開(kāi)路電壓，用毫安表測(cè)量發(fā)光二極管的電流。調(diào)節(jié)電位器W1改變發(fā)光二極管的工作電流，測(cè)試光電池輸出電壓的變化。色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器目的是檢測(cè)各色標(biāo)的所在位置，只關(guān)心各色標(biāo)相對(duì)背景色對(duì)光能吸收的差異，而不需鑒別各色標(biāo)的具體顏色。現(xiàn)以5色為例，印刷品色標(biāo)背景色一般為白色，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1和圖7所示。Photocellopen-circuitvoltage/mV2202001801601401201001020304050607080Lightsourcecircuitloopcurrent/mA圖6光電池靜態(tài)測(cè)試電路圖Fig.6Circuitdiagramofphotocellstatictesting圖7光電池靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)圖Fig.7Testingdatachartofphotocellsensitivity測(cè)試結(jié)果表明，除黑色、白色和銀白外，其他各色之間對(duì)光能量的吸收差異不大，但相對(duì)背景色而言，對(duì)光能的吸收差異較明顯。選限流電阻為220?，使發(fā)光二級(jí)管工作于電流為30mA額定狀態(tài)下，光電池在各色標(biāo)相對(duì)背景色的開(kāi)路壓差如表2所示。數(shù)據(jù)表明，即使與背景色相接近的銀白色，壓差也達(dá)到了6mV。因此，該光電池靈敏度完全滿足系統(tǒng)要求。表1光電池靈敏度測(cè)試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Table1TestingdataofphotocellsensitivitymVResister/?BlackBlueColor-codecolorRedYellowSilverBackgroundcolor(white)4953752702201771521161028473631520253035404550607080109122130144154159166170175181190115132140153162167171176185192195116132143156163169172179186195199119134145158164169175180189195204130145163167173183185190198206210136152168173182187190194201209215表2光電池在各色標(biāo)相對(duì)背景色的開(kāi)路壓差數(shù)據(jù)表Table2PhotocellopenvoltageoutputdatatableofdifferentcolorsandbackgroundcolormVColor-codecolorPhotocellopenvoltageBlackBlueRedYellowSilver2920171562.3電路模塊設(shè)計(jì)光電池產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)C1隔直后[6]的電平范圍為幾毫伏到幾十毫伏，因此必須對(duì)它進(jìn)行放大。信號(hào)調(diào)理電路如圖8所示，在信號(hào)放大電路中，光電池輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)RC隔直濾波送入運(yùn)放OP07，經(jīng)過(guò)放大可達(dá)幾伏電壓。放大后的信號(hào)經(jīng)LM339比較器，比較電平根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況可在-5～+5V之間調(diào)整，然后用74LS14整形，輸出TTL脈沖波形，再進(jìn)行光電隔離，送入CPU實(shí)現(xiàn)后續(xù)誤差處理。由于CPU所處理的是兩路脈沖的前沿誤差，所以脈寬對(duì)誤差的處理幾乎沒(méi)有影響。第36卷第6期李娜娜等：自動(dòng)套色系統(tǒng)中誤差色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)145Ui圖8信號(hào)調(diào)理電路Fig.8Signalconditioningcircuit結(jié)束語(yǔ)色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器有效地解決了表征套印誤差信息的色標(biāo)檢測(cè)問(wèn)題，是彩色印刷自動(dòng)套色控制系統(tǒng)得以穩(wěn)定運(yùn)行的可靠保障。文中設(shè)計(jì)的色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器已應(yīng)用到長(zhǎng)春市乾利彩色印刷包裝有限公司的九色凹版印刷機(jī)的彩色印刷自動(dòng)套色控制系統(tǒng)中?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有靈敏度高、響應(yīng)速度快、抗背景光干擾能力強(qiáng)、工作可靠和使用壽命長(zhǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。主要技術(shù)指標(biāo)：1)工作電源：±5V；2)檢測(cè)距離：(10±2)mm；3)光斑尺寸：Φ1.5mm；4)響應(yīng)時(shí)間：0.2ms；5)輸出電壓：高電平等于5V；低電平＜0.5V。此光電傳感器為彩色印刷自動(dòng)套色控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的套印誤差信息，大大地提高了印刷機(jī)的印刷速度，自動(dòng)套色控制系套印誤差可控制在±0.1mm范圍內(nèi)，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。參考文獻(xiàn)：[1]仲科，樊臻.基于DSP的自動(dòng)印刷套色控制系統(tǒng)[J].包裝工程，2006，27(1)：101-103.ZHONGKe，F(xiàn)ANZhen.AutomaticregistercontrollersystembasedonDSP[J].PackagingEngineering，2006，27(1)：101-103.[2]趙珂，萬(wàn)光逵，周燕飛.BOPP膜8色凹版印刷自動(dòng)套色控制系統(tǒng)的研究[J].包裝工程，2005，26(3)：49-52.ZHAOKe，WANGuang-kui，ZHOUYan-fei.StudyoftheBOPPFilms8ColorsIntaglioPrintingsControlSystem[J].Packagin