多色胶印机自动套印控制系统的研究

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 1.68MB 58 页 15积分
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第一章 绪论
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第一章 绪论
§1.1 引言
彩色印刷的各单色印版按照印刷色序依次重叠或并列套合,最终成为和原
稿基本相同的彩色印刷品的过程就是套印[1]。简而言之，套印技术就是在同一
幅画面上印两种或两种以上颜色的印刷方式。在印刷术发展史上，套印技术的
发明具有重大意义：正是由于套印技术的产生，使得彩色印刷成为可能，从而
推动了印刷业的发展。时至今日，现代印刷业已是集机械、电子、化工、光学、
计算机等成果为一体的工程技术，而研制开发自动套印控制系统无疑是一个重
要课题。
§1.2 人眼视觉混色点距容限与机器视觉原理
从色彩学上看，红(R)、绿(G)、蓝(B)这三种单色光是不能用其它色光混合成
的，而这三种色光按不同比例可以混合出自然界的一切色光，因此人们将它们称
为色光的三原色。印刷所用的颜料或染料对不同波长的可见光进行选择性吸收后
会呈现出不同的色彩，这些物质称为色料。由于色料本身并不发光，当白光通过
某种色料，色料吸收白光中的部分色光，人们感觉到的其实是其透射或反射剩余
部分的色光。因此，色料三原色是黄(Y)，品红(M)和青(C)，即它们按不同比例调
配，可以混合出所有的色彩。二者区别是，色光三原色是通过色光加色法合成其
它颜色，等量的色光三原色混合可得到白光，而色料三原色是通过色料减色法来
合成其它颜色，等量的色料三原色混合可得到黑色。由于印刷用的 YMC 三原色
或多或少含有杂色，这会造成分色及叠印过程中的偏色，所以印刷当中一般还加
上黑(K)版来平衡偏色现象。因此，现代的彩色印刷均用 YMCK 四色印刷[2]。在
印刷过程中，将四个色版的油墨套印在纸张的同一位置上，就实现了颜色的混合，
得到与原稿相对应的颜色，达到了颜色复制的目的。显然,如果套印位置不准，就
会严重影响层次与色彩的再现，图像会比较模糊.从而降低图像的分辨力。为了得
到比较理想的彩色图像，就必须保证不同颜色的单色图像准确地重合在一起。实
际的彩色印刷并不能达到完全地套印准确，而是允许套印误差在一定的范围内，
套印的允许公差值一般是以人眼视觉混色点距容限为依据制订的。研究证明，在
正常的观察条件下，人眼辨别细微线条的能力可以达到 0.1mm，所以，套印允许
的公差就定为 0.1mm，即把 0.1mm 作为套印精度的基准(但此时人眼还能够识别
出极细微差别的色调)。如图 1-1 所示，图中印刷品都采用了双色印刷（品红、青），
(a)图从严格意义上来说还是有套印误差的，但它的套印误差在允许范围内，人眼
多色胶印机自动套印控制系统的研究
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(a) 套印准确 (b) 套印不准确
图1-1 不同套印品质的比较
已不能区分各单色，因此，可以说它的套印是准确的，文字清晰，整个版面呈现
出一种紫色；而(b)图套印不准，可以明显看出品红和青两单色没有准确重合，整
体上看上去非常模糊。所以套印的准确性成为印刷过程控制的一个关键问题，套
印准确是印刷的最基本要求，套印精度是评价印刷质量的重要因素[3，4]。
所谓机器视觉（文中机器视觉和计算机视觉这两个术语是一样的，只不过对
于工业应用，常用机器视觉，一般场合用计算机视觉）是在没有人工干预的情况
下使用计算机来处理和分析图像信息并作出结论。简言之，机器视觉就是用机器
代替人眼来做测量和判断。一个典型的机器视觉系统如图 1-2 所示，其工作流程
是：首先采用 CCD 照相机将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处
理系统，图像处理系统根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字信号送入
计算机，计算机对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如：面积、长度、
数量、位置等，最后，根据预设的容许度和其他条件输出结果，如：尺寸、角度、
偏移量、个数、合格/不合格、有/无等。机器视觉技术被广泛地应用于各方面，
需要人类视觉的场合几乎都可应用计算机视觉技术，特别是在许多人类视觉无法
感知的场合，如精确定量感知、危险场景感知、不可见物体感知等，计算机视觉
更能突显其无可比拟的优越性。
图1-2 典型的机器视觉系统组成框图
由于人眼视觉混色点距的局限性，人工检测套印误差还需要借助于放大镜等
工具，将机器视觉技术引入套印误差，必定能够减轻了人工检测的压力，提高印
光源
检测目标
触发电路
镜头
CCD 相机
图像采集卡
工控机
图像处理
显示器
执行单元
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品的检测质量和检测速度。
§1.3 常规工业印刷系统中色点套准参数及控制
在实际的彩色印刷过程中，套印误差主要表现在两个方面：一是沿印刷方向
产生的套印误差，由于印刷方向也就是印版滚筒的滚动方向，相对于印版滚筒位
置而言，此误差称为套印周向误差；二是沿与印刷方向垂直的方向产生的套印误
差，表现在印张在印刷线路上有一定程度上的偏离，相对于印版滚筒位置而言，
此误差称为套印轴向误差。对于胶印机而言，在印刷过程中，产生的主要是套印
周向误差，因此，在自动套印控制中，在校版准确后，主要是进行套印周向误差
的纠偏。
常规的胶印机是人工通过机械装置来进行套印误差的调整和控制的，要求在
印前由印刷工将各单色印版校准，典型的操作流程如图 1-3 所示。
图1-3 人工校版操作流程图
从上面的人工校版的过程来看，存在着两个方面的弊端，一是需要停机校版，
校版操作不连续；二是校版时绝大多数情况下是凭经验操作，例如调节量的大小
就是凭经验确定，对于经验丰富的印刷工来说，或许通过两三次的调版就可以达
到校准印版的目的，而对于没有经验或经验不多的印刷工来说，调版的多少及方
向对他来说是模糊的，调整多次仍不能到位，甚至于会出现越调误差越大的情况。
印版校准后，由于胶印机机械上的保证，可以在一段时间内进行准确的套印，
但在印刷过程中，印刷工并不能离开工作岗位，仍需要时时关注印刷过程，频繁
地检测印品的套印标记，以防在出现走版现象时能及时采取措施，进行停机并重
新拉版。
常规的人工校版和监控，会造成油墨、纸张和工时的浪费。
§1.4 国内外研究概况
自从 1990 年海德堡胶印机推出全数字化技术为基础的 CP 窗整机遥控技术以
来，各大生产厂商相继以设计出先进的控制系统作为发展方向。追求更快的印刷
速度、更高的自动化程度、更简单的操作、更方便的调整与设置是印刷行业的目
标。那么，开发设计高精度的自动套印控制系统，将会使现代胶印机无论是在印
刷品质量的提高，还是在缩短辅助时间、降低劳动强度等方面都会取得更大的进
步。
开动机器
打印样张
检测样张套印标记
估算调节量
停机
通过调节手轮调整印版
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国际上，自动套印技术在提高现代印刷技术水平中处于重要地位，一直受到
印刷界的重视[5][6]。事实上，一直到上世纪 70 年代，印刷机自动化程度都不高。
从美国专利(United States Patent)检索情况来看，最早关于自动套印系统的专利是
1972 年的“PRINTING PRESS”[7]，它是通过机械电子方面的设计来实现自动套
印的。进入 90 年代后，随着计算机技术、自动控制技术、检测传感技术和电子技
术的发展，印刷机的控制系统逐渐完善，也出现了不少有关自动套印的专利，如
“Automatic register control system for multi-color rotary presses, and apparatus and
method for detecting registering errors ”[8] ，“Register control device for a printing
machine ”[9] 和“Offset printing machine with a register control and method for
operating said machine”
[10]，这些专利体现了严谨的控制策略和完善的系统控制功
能设计。这些专利的委托人大都是象德国 Man Roland 这样的印刷业巨子，很大程
度上实现了研究和生产的结合，提高了套印系统的自动化水平。
从1972 年德国罗兰公司成功地先后研制出了多色胶印机遥控装置和质量控
制系统以后的三十多年中，印刷机的自动化控制系统得到迅猛的发展。目前已有
许多印刷机制造厂家开发出多个自动控制系统，其中也包含有相应的自动套印控
制功能。应用上有代表性的有：
海德堡的计算机印刷控制系统 CPC(Computer Printing Control)是可用来预调
给墨量、遥控套准以及监控印刷质量的一种可扩展式的系统。其 CPC4 套印控制
装置可以用来测量横、纵两个方向的套印误差值，并能显示和存储测定结果，CPC4
将数据传送给 CPC1，通过 CPC1 驱动步进电机调整印版位置，套印控制精度达
±0.0lmm。装有 CPC4 系统的海德堡速霸 SpeedMaster 74 DI 能在 11 分钟内完成
印刷的全部准备过程，包括换版、成像、套准等。罗兰全自动换版装置 APL 可对
印版的边缘进行轴向和周向调节，适应纸张的尺寸变化，并可通过印版定位及质
量放大器 PQM 进行纵向和横向的版位校正。小森全自动换版系统 FAPC（Full
Automatic Plate Changer）能对印版滚筒进行预置选择，给出每一个印刷机组的印
版滚筒的安装位置，一套四色印版仅用 3分钟即可装好。精确度可达到 0.05mm。
小森胶印机配置有 CARS(computerized auto registering system)计算机自动套印系
统，与印刷质量控制系统 PQC 一道完成印刷过程中的印版套准调整。作为一种技
术优势，上述公司均不公开其相关的技术方案，而是作为整机的一个组成部分提
供给用户。相应地，其价格也在国产机 10 倍以上。
从国内情况来看，国内开发套印控制系统，基本处于模仿阶段[11]，与国外自
动套印系统相比，国产自动套印系统还有一定的差距。尽管很多学者也研制出了
有效的自动套印系统[2,12-15]，增强了印刷机的性能，但尚未能形成雄厚的整体研究
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氛围，有关胶印机自动套印控制系统的研究尤其不足。从国内平版胶印机生产状
况及市场来看，以上海紫明机械有限公司为例，该公司今年第一季度销售额即达
到亿元，是一家颇具规模的印刷机制造厂家，有一定代表性，其生产的胶印机目
前仍采取人工套印方式。事实上，国内大多数胶印机还需要人工进行套印控制[16]。
总之，我国印刷机械产品与发达国家相比，还有不小的差距[17,18]，毫无疑问，缺
乏高质量的自动套印系统也是差距的主要表现之一，因此，国产胶印机自动套印
系统还亟待研究和完善。
§1.5 本项目研究的意义及论文构成
印刷业已是知识产业和信息产业的重要组成部分，是一个国家经济和社会
发达程度的重要标志。当今的印刷品中，彩色印刷品占有绝对的数量，彩色印
刷品的印刷也是目前印刷生产的主要内容。对于彩色印刷图像而言，图像质量
必须满足各色印刷图像套准的要求，因而套印的准确性成为印刷过程控制的关
键问题。胶印机解决套印误差问题的关键就是通过调整印版位置（俗称拉版）
以达到单色版间位置精确对准。然而从拉版功能的实现来看，目前国内还处于
人工状态，通常由印刷工肉眼观察套印误差，凭经验手动调节手轮来补偿套印
误差，这显然会有很大的纸张、油墨及工时的浪费。也因此限制了印刷速度及
套印精度。可以说在印刷过程中采用自动套印系统以提高印刷速度和套印精度
是一个必然的趋势。而我国目前尚缺乏成熟的自动套印控制系统，因此，研制
开发性能优异的自动套印系统，这对于提高印刷机的设计与制造水平，使之朝
高速度、高自动化和高可靠性的方向发展以及对于提高印刷行业的经济效益来
说，无疑都具有重要意义。
另一方面，我国印刷机的生产虽然在控制方面已经取得重大的进展，一部分
采用了光电、计算机控制，还有一小部分新开发的接近国际先进水平，但大多仍
以机械电子控制为主，总体上与世界先进水平还有较大的差距。因此，从经济实
惠来讲，增加高性能的套印控制系统是提高国产机产品质量的有效途径之一，也
是投资少见效快的办法之一。考虑到国外一些著名产商的印刷机自动控制系统技
术并不透明，因此进行套印控制的研究，开发自己的套印控制系统，才能不依赖
进口，提高自己的竞争力。
目前常见的一些套印控制系统基本上是关于凹印机方面的，国内印刷机生产
厂商绝大多数尚未进行胶印机自动套印控制系统的开发，本文在参考和总结前人
的研究基础上，充分结合上海紫明机械有限公司的技术开发项目《配合 ZM2P294
半自动拉版项目的实施》，将自动套印控制系统引入胶印机，设计了一套基于 PLC
的完整的自动套印系统，包括半自动校版系统和自动纠偏系统两部分。在设计过
多色胶印机自动套印控制系统的研究
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程中，深入研究了胶印机的套印机制和原理，系统地研究和总结了套印控制中的
色标检测原理和方法，对系统控制方案进行了理论上的分析。在胶印机上引入自
动套印系统是一项创新性的工作，研究的主要内容涉及图像处理技术、 光电检测
传感技术、过程控制技术、PLC 的应用技术等。论文的整体构成如下：
第一章绪论：引入了相关概念，介绍了课题的来源及研究意义，国内外的研
究现状。同时介绍了本课题的主要研究内容。
第二章常规胶印机套准误差的产生及校正：对胶印机的套印机构及套印过程
作了较详细的说明，分析了各种引起套印误差的因素，对套印误差的可控性以及
所采取的调整误差方法的可操作性做了详尽的说明。
第三章自动套准系统构建总方案：本章介绍了系统的总体设计方案，系统采
用了主从式控制方案来实现胶印机的自动套印，系统由印前校版和自动纠偏两部
分构成，并配以色标光电检测的方法和机器视觉检测法两种检测方案。
第四章机器视觉抽样精检与工控机单页速测的联控系统设计及实验：在彩色
印刷过程中，是通过检测色标来测出各色的套印误差，根据色标检测原理，设计
并实现了两套检测方案：基于 PLC 的单光电头套印误差检测系统和基于图像匹配
技术的视觉检测系统，前者用于自动纠偏系统中进行实时动态检测，后者静态检
测套印误差，给印前校版操作提供横向和纵向的套印误差信息。
第五章单页自动纠偏快速控制策略与控制品质分析：推导得出自动纠偏控制
系统的数学模型，并对 PID 控制进行了概要地介绍，同时，由于自动纠偏控制系
统是一个二阶系统，仿真了 PID 控制应用于一个二阶控制系统的过程。
第六章结束语：对本课题的设计作了全面总结，并对一些未能完成的部分和
存在的问题作了说明。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1引言彩色印刷的各单色印版按照印刷色序依次重叠或并列套合,最终成为和原稿基本相同的彩色印刷品的过程就是套印[1]。简而言之，套印技术就是在同一幅画面上印两种或两种以上颜色的印刷方式。在印刷术发展史上，套印技术的发明具有重大意义：正是由于套印技术的产生，使得彩色印刷成为可能，从而推动了印刷业的发展。时至今日，现代印刷业已是集机械、电子、化工、光学、计算机等成果为一体的工程技术，而研制开发自动套印控制系统无疑是一个重要课题。§1.2人眼视觉混色点距容限与机器视觉原理从色彩学上看，红(R)、绿(G)、蓝(B)这三种单色光是不能用其它色光混合成的，而这三种色光按不同比例可以...

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