自动套色系统中误差色标检测光电传感器的设计与实现

第36卷第6期光电工程Vol.36,No.62009年6月Opto-ElectronicEngineeringJune,2009文章编号：1003-501X(2009)06-0141-05自动套色系统中误差色标检测光电传感器的设计与实现李娜娜1,2，安志勇1，陈广秋1(1.长春理工大学，长春130022；2.中国科学院光电研究院，北京100080)摘要：针对在凹版印刷中表征套印误差信息的色标信号检测问题。本文依据各颜色画面相对背景色对光能吸收不同的光学原理，利用半透半反光玻片的异面性和光电池光电转换功能，设计和实现了一种色标检测光电传感器。针对光电池光电转换输出信号较弱且非数字性的问题，进行了信号调理。实验结果和现场应用表明，该光电传感器具有结构简单、检测距离远((10±2)mm)、光斑半径小(Φ1.5mm)、灵敏度高、响应速度快(0.2ms)、性能稳定可靠等优点。关键词：光电传感器；色标信号检测；套印误差；光能吸收；光电池中图分类号：TP212.14文献标志码：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引言凹版印刷机采用凹版滚筒印刷方式，在塑料薄膜(例如BOPP膜)上印刷各种颜色的彩色图案。由于采用凹版滚筒印刷方式，其印刷品具有色泽鲜艳、清晰明快、形象逼真与立体感强等优点，是其它印刷方式无法比拟的，所以在国内外得到广泛应用。这种方法是将需要印刷的成品图案雕刻在每个印刷版辊上，图案有多少种颜色，原材料就需要经过多少次的版辊压印，最后得到需要的产品。这种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基金项目：国家863高技术研究发展计划资助项目(2007AA706132)作者简介：李娜娜(1978-)，女(汉族)，吉林长春人。工程师，博士研究生，主要从事光电测控技术及仪器的研究。E-mail:lindali_2004@。142光电工程2009年6月图案在各个套印版辊的套印位置严格同步。然而由于塑料薄膜易受温、湿度的影响而导致变形和伸缩特性发生变化，此时即使套色调节机构制造得非常精确，各部分动作非常协调准确，但如果印刷机的自动化程度不高，仍然难以避免在印刷过程中出现跑偏现象，导致原材料浪费、产品质量得不到保证。作为凹版印刷机主要配套之一的自动套色控制系统则实时有效地解决了这一问题，而如何把色彩光信号转换为模拟电信号，并把模拟电信号转换为套色控制系统识别的数字信号显得至关重要。因此，研制一种决定套色控制系统性能的误差色标检测光电传感器具有十分重要的意义[1-2]。本文基于不同颜色背景对光能吸收不同的原理，从光路和电路两部分完成了误差色标检测光电传感装置的研究与设计。1色标检测原理1.1凹版印刷机工作原理凹版印刷机印刷过程如图1所示。CR2MS1MS3MS2MS4MS5MS6MS:Printingcylinder；MR:Presscylinder；CR:Erroramendentcylinder；S:Colormarkdetectingphoto-electronicsensor图1凹版印刷机印刷流程图Fig.1Flowchartofgravureprintingprocess印刷版辊MSx(x=1,2,…,n)、压印胶辊MRx(x=1,2,…,n)、误差修正辊CRx(x=1,2,…,n)和色标检测光电传感器Sx(x=1,2,…,n-1)组成了印刷单元。在印刷过程中要求同一幅图像在各个印刷单元位置同步。实际印刷过程中印刷机线速度大，张力难以恒定，再加上导辊和压辊的相对滑动，承印材料的弹性收缩，各个印刷单元受热交换器冷热风的影响，承印物体材料会产生细微伸缩，导致图像套印位置的偏差[2-4]。这种偏差具有连续性，对印刷品的质量影响极大。由于印刷极线速度大，人工很难调整这种偏差，作为凹版印刷机主要辅助控制系统之一的彩色自动套色控制系统能有效地解决这一问题。设计误差色标检测光电传感器准确有效检测表征套印误差信息的色标信号，是自动套色控制系统功能实现的关键问题。1.2误差色标检测原理光电传感器色标检测原理如下：在印刷过程中，每色印刷都会在印料的边缘印上以供套色用的色标，如图2所示，该色标线(MARK线)水平长10mm，宽1mm，每个相邻色的MARK线在套印精确时应互相平行，且间距为20mm[5]。当MARK线通过光电传感器的双通道光斑时，会引起反射光强弱的变化，光电转换器件将这种变化转换成输出电压的变化，电信号经信号调理电路形成相应的脉冲信号，即实现了色标Photo-electronicsensorMARKlineDesignPrintedmaterialadvancedirectionT1T2(a)Match(b)Lead(c)Lag图印料边缘套色用色标Fig.2Overprintingerrorcolormarksofmaterialedge图3光电传感器色标检测原理图Fig.3Colormarkdetectingprinciplemapofphoto-electronicsensor第36卷第6期李娜娜等：自动套色系统中误差色标检测光电传感器的设计与实现143信号的检测和微处理器识别脉冲电信号的转换。以第二个印刷单元为例，当第一色印刷的MARK线与第二色印刷的MARK线通过光电传感器时产生的MARK线脉冲信号分别定义为T1和T2。若T1和T2同时产生，说明两条MARK线之间的距离为20mm，此时没有套印误差(匹配)；若T1脉冲超前或滞后T2脉冲信号，则表示两条MARK线之间的距离不是20mm，此时有套印误差。检测原理如图3所示。2色标检测光电传感器的设计与实现如图4所示，点光源经凸透镜形成平行光，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。透射的平行光再经过一个凸透镜聚焦，焦点落在色标信号上，不同颜色对光的吸收能力不同，从而反射回的光能量也会不同。反射光经透镜形成反射平行光，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，并被光电转换器件接收。不同颜色MARK线的反射光信号经光电转换器件就可以转换为不同幅度的电压信号。再通过信号调理电路(主要有隔直滤波、信号放大和电压比较和光藕隔离输出)，就可产生被微处理器识别的脉冲信号。光电传感器由两大模块组成：用于色标光信号检测和光电转换的光路模块；用于光电转换器件输出信号调理的电路模块。2.1光路模块设计与实现光路模块设计主要进行双透镜和半透半反光玻片功能设计、点光源测试选型以及光电池性能测试，原理如图5所示。透镜1把点光源发射光形成平行光，使光源信号在光路通道中得以传输。透镜2实现色标照射聚焦光斑的形成，同时把色标反射光转换成传输平行光。为实现光源信号在正向路径直线传输，同时又能让色标反射平行光反向路径变向传输，采用了半透半反光玻片，其全透射面面向透镜1，使光源平行光完全透射；而全反射面面向透镜2，对反射光进行90°角的变向反射，实现反射光到光电转换器件接收面的输送。为此，半透半反光玻片的位置要严格与平行面成45°夹角。图4色标检测光电传感器总体设计原理框图Fig.4Overalldesignprincipleframeofcolormarkdetectingphoto-electronicsensor图5光路设计原理图Fig.5Principleofopticalpathdesign2.2点光源与光电转换器件的选取由于套色系统对MARK线的信号的实时性要求较高，而光源的性能直接影响光电传感器转换时间，因此，光源的选择十分重要。可采用的点光源主要有小白炽灯泡、发光二极等。因白炽小灯泡易发热、寿命短、聚焦差等缺点，系统的耐用性和可靠性得不到保障。最后我们选用NSPW500BS型号的白光二极管，此种型号的二极管具有焦点处亮度高、无散光、响应时间短等优越性能，通过测试判断可以满足系统对实时性的要求。本系统选用的光电池型号为2CR42(无栅)，为了测试其灵敏度是否满足要求，设计了静态测试电路如144光电工程2009年6月图6所示。测试方法：取一印刷物的MARK线放在光电传感器光眼焦点处，测试薄膜背景和各色标。同时从电路上断开光电池，用毫伏表测量光电池的开路电压，用毫安表测量发光二极管的电流。调节电位器W1改变发光二极管的工作电流，测试光电池输出电压的变化。色标检测光电传感器目的是检测各色标的所在位置，只关心各色标相对背景色对光能吸收的差异，而不需鉴别各色标的具体颜色。现以5色为例，印刷品色标背景色一般为白色，实验数据如表1和图7所示。Photocellopen-circuitvoltage/mV2202001801601401201001020304050607080Lightsourcecircuitloopcurrent/mA图6光电池静态测试电路图Fig.6Circuitdiagramofphotocellstatictesting图7光电池灵敏度测试实验数据图Fig.7Testingdatachartofphotocellsensitivity测试结果表明，除黑色、白色和银白外，其他各色之间对光能量的吸收差异不大，但相对背景色而言，对光能的吸收差异较明显。选限流电阻为220Ω，使发光二级管工作于电流为30mA额定状态下，光电池在各色标相对背景色的开路压差如表2所示。数据表明，即使与背景色相接近的银白色，压差也达到了6mV。因此，该光电池灵敏度完全满足系统要求。表1光电池灵敏度测试实验数据Table1TestingdataofphotocellsensitivitymVResister/ΩBlackBlueColor-codecolorRedYellowSilverBackgroundcolor(white)4953752702201771521161028473631520253035404550607080109122130144154159166170175181190115132140153162167171176185192195116132143156163169172179186195199119134145158164169175180189195204130145163167173183185190198206210136152168173182187190194201209215表2光电池在各色标相对背景色的开路压差数据表Table2PhotocellopenvoltageoutputdatatableofdifferentcolorsandbackgroundcolormVColor-codecolorPhotocellopenvoltageBlackBlueRedYellowSilver2920171562.3电路模块设计光电池产生的电压信号经C1隔直后[6]的电平范围为几毫伏到几十毫伏，因此必须对它进行放大。信号调理电路如图8所示，在信号放大电路中，光电池输出信号经过RC隔直滤波送入运放OP07，经过放大可达几伏电压。放大后的信号经LM339比较器，比较电平根据现场的实际情况可在-5～+5V之间调整，然后用74LS14整形，输出TTL脉冲波形，再进行光电隔离，送入CPU实现后续误差处理。由于CPU所处理的是两路脉冲的前沿误差，所以脉宽对误差的处理几乎没有影响。第36卷第6期李娜娜等：自动套色系统中误差色标检测光电传感器的设计与实现145Ui图8信号调理电路Fig.8Signalconditioningcircuit结束语色标检测光电传感器有效地解决了表征套印误差信息的色标检测问题，是彩色印刷自动套色控制系统得以稳定运行的可靠保障。文中设计的色标检测光电传感器已应用到长春市乾利彩色印刷包装有限公司的九色凹版印刷机的彩色印刷自动套色控制系统中。现场应用表明，该系统具有灵敏度高、响应速度快、抗背景光干扰能力强、工作可靠和使用寿命长等诸多优点。主要技术指标：1)工作电源：±5V；2)检测距离：(10±2)mm；3)光斑尺寸：Φ1.5mm；4)响应时间：0.2ms；5)输出电压：高电平等于5V；低电平＜0.5V。此光电传感器为彩色印刷自动套色控制系统提供稳定可靠的套印误差信息，大大地提高了印刷机的印刷速度，自动套色控制系套印误差可控制在±0.1mm范围内，提高了产品质量。参考文献：[1]仲科，樊臻.基于DSP的自动印刷套色控制系统[J].包装工程，2006，27(1)：101-103.ZHONGKe，FANZhen.AutomaticregistercontrollersystembasedonDSP[J].PackagingEngineering，2006，27(1)：101-103.[2]赵珂，万光逵，周燕飞.BOPP膜8色凹版印刷自动套色控制系统的研究[J].包装工程，2005，26(3)：49-52.ZHAOKe，WANGuang-kui，ZHOUYan-fei.StudyoftheBOPPFilms8ColorsIntaglioPrintingsControlSystem[J].Packagin