自动套色系统中误差色标检测光电传感器的设计与实现

1、第36卷第6期 光电工程 Vol.36, No.6 2009年6月 Opto-Electronic Engineering June, 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

2、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(1.5 mm)、灵敏度高、响应速度快(0.2 ms)、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Design and Implementation of Photoelectric Sensor for Detecting ColorCode Used in Automatic Register ControllerLI Na-na1,2，AN Zhi-yong1，CHEN Guang-qiu1( 1. Chan

3、gchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;2. Photo-electronic Research School, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100080, China )Abstract: For the sake of solving the color mark detecting problem of overprinting error information in gravure printing, an optical module of

4、detecting color marks is designed and realized based on the principle that the reflected light energy absorption is different when various colored bars are irradiated by a white light source. In addition, a sort of glass slice with one face possessing semitransparent capacity, the half reflectivity

5、and the function of a photocells photovoltaic conversion are utilized. As a result of weakness and non-digital of output signal, an output signal is magnified and transformed. The experiment result shows that the sensor has many good features, such as an uncomplicated structure, far detecting distan

6、ce(10±2) mm), little facula radius(1.5 mm), high sensitivity, fast response speed(0.2 ms), high stability and reliability, etc.Key words: photoelectric sensor; color mark detecting; overprinting error; light energy absorption; 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

7、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

8、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

9、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。CR2MS1 MS3MS2 MS4 MS5 MS6MS: Printing cylinder ；MR: Press cylinder ；CR: Error amendent cylinder ；S: Color mark detecting photo-electronic sensor图1 凹版印刷机印刷流程图Fig.1 Flow chart of gravure printing process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

10、, , 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

11、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10 mm，宽1 mm，每个相邻色的MARK线在套印精确时应互相平行，且间距为20 mm5。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-electronic sensor MARK lineDesignPrinted material advance directionT1T2(a)Match(b)Lead (c) Lag图印料

12、边缘套色用色标Overprinting error color marks of material edge图3 光电传感器色标检测原理图Fig.3 Color mark detecting principle map of photo-electronic sensor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20 mm，此时没有

13、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20 mm，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

14、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

15、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Overall design principle frame of color markdetecting photo-electronic sensor图5 光路设计原理图Fig.5 Principle of optical path design2.2 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

16、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

17、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。Photocell open-circuit voltage /mV10 20 30 40 50 60 70 80Light source circuit loop current /mA图6 光电池静态测试电路图Fig.6 Circuit diagram of photocell static testing图7 光电池灵敏度测试实验数据图Fig.7 Testing data chart of phot

18、ocell sensitivity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220 ，使发光二级管工作于电流为30 mA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6 mV。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Table 1 Testing data of photocell sensitivity mVResister / Black BlueColor-code colorRed Yellow Silver Ba

19、ckground color (white)495 375 270 220 177 152 116 102 84 73 63 15 20 25 30 35 40 45 50 60 70 80 109 122 130 144 154 159 166 170 175 181 190 115 132 140 153 162 167 171 176 185 192 195 116 132 143 156 163 169 172 179 186 195 199 119 134 145 158 164 169 175 180 189 195 204 130 145 163 167 173 183 185

20、190 198 206 210 136 152 168 173 182 187 190 194 201 209 215表2 光电池在各色标相对背景色的开路压差数据表Table 2 Photocell open voltage output data table of different colors and background color mV Color-code colorPhotocell open voltage Black Blue Red Yellow Silver 29 20 17 15 62.3 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

21、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+5 V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.8 Signal conditioning circuit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

22、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：± 5 V；2) 检测距离：(10±2) mm；3) 光斑尺寸：1.5 mm；4) 响应时间：0.2 ms；5) 输出电压：高电平等于5 V；低电平0.5 V。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

23、差可控制在±0.1 mm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.ZHONG Ke，FAN Zhen. Automatic register controller system based on DSP J. Packaging Engineering，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.ZHAO Ke，WAN Guang-kui，ZHOU Yan-fei. Study of the BOPP Films 8 Colors Intaglio Printings Control System J. Packaging Engineering，2005，26(3)：49-52.3 Kittila M，Hagberg J，Jakku E，et al. Direct gravure printing (DGP) method f