周凱波，吳　杰

(華中科技大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院測(cè)量科學(xué)與儀器系，湖北武漢,430074)

0　引言

色標(biāo)是彩色印刷中不同顏色依次印刷時(shí)產(chǎn)生的不同色板的標(biāo)記，它用來(lái)衡量套印的準(zhǔn)確度。套印無(wú)偏差時(shí)，不同色板色標(biāo)間的距離為理論上的恒定值，若色標(biāo)間距不為理論值，則說明套印存在偏差。為了能保證印刷精度，需要一種能辨別顏色、檢測(cè)色標(biāo)，用以實(shí)現(xiàn)辨色、計(jì)數(shù)、定位等功能的光電式色標(biāo)檢測(cè)傳感器[1]。國(guó)外，如美國(guó)BANNER和HONEYWELL公司、德國(guó)SICK公司、日本OMRON和SUNX公司都成功研發(fā)出了這方面的光電傳感器。國(guó)內(nèi)色標(biāo)傳感器主要由常規(guī)電路構(gòu)成，以采用機(jī)械式電位器調(diào)節(jié)、靈敏度需要人工調(diào)節(jié)的傳感器為主，存在檢測(cè)精度不高、實(shí)時(shí)性不夠好、調(diào)節(jié)不靈活等缺點(diǎn)[2-3]。

該研究從色標(biāo)檢測(cè)的原理上分析，從光路系統(tǒng)和電路系統(tǒng)兩方面設(shè)計(jì)了一種能選擇最優(yōu)發(fā)射光源、自動(dòng)設(shè)定程控增益和信號(hào)閾值的高精度色標(biāo)檢測(cè)光電傳感系統(tǒng)。通過硬軟件平臺(tái)的搭建，實(shí)現(xiàn)了智能型色標(biāo)檢測(cè)光電傳感系統(tǒng)的基本功能，并滿足系統(tǒng)的性能要求。

1　色標(biāo)檢測(cè)原理

1．1全自動(dòng)印刷分切機(jī)工作原理

全自動(dòng)印刷分切機(jī)的工作流程如圖1所示。

圖1　全自動(dòng)印刷分切機(jī)工作流程圖

印刷卷紙通過張力檢測(cè)傳感器和斷紙檢測(cè)傳感器進(jìn)入CMYK四色印刷平臺(tái)，卷紙每次經(jīng)過一個(gè)印刷版輥時(shí)印上一個(gè)顏色，同時(shí)在印品邊沿印刷上與該色對(duì)應(yīng)的色標(biāo)信號(hào)。為保證彩色印刷的精確性，要求同一幅圖像在各個(gè)印刷單元的位置同步。每色印刷平臺(tái)上都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的色標(biāo)檢測(cè)傳感器，用以檢測(cè)當(dāng)前印刷色和上一印刷色之間的套印誤差，從而保證圖像在各個(gè)印刷單元位置的同步[4]。隨著現(xiàn)代印刷速度的加快，設(shè)計(jì)色標(biāo)檢測(cè)傳感器準(zhǔn)確檢測(cè)表征套印誤差的色標(biāo)信號(hào)，是實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)套色系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。

1．2色標(biāo)檢測(cè)傳感器套準(zhǔn)原理

在彩色印刷過程中，色標(biāo)傳感器實(shí)現(xiàn)套準(zhǔn)的工作原理圖如圖2所示。色標(biāo)傳感器掃過印品上的色標(biāo)信號(hào)時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)給誤差檢測(cè)機(jī)構(gòu)。編碼器安裝在傳動(dòng)主軸上，當(dāng)傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)過一定角度時(shí)編碼器變輸出一定的脈沖數(shù)，即可以通過編碼器在一段時(shí)間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)來(lái)計(jì)算傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)過的位移量。色標(biāo)傳感器和編碼器的輸出信號(hào)同時(shí)送入誤差檢測(cè)機(jī)，通過計(jì)算色標(biāo)傳感器相鄰輸出脈沖時(shí)間內(nèi)編碼器的輸出脈沖數(shù)，即可得出相鄰色標(biāo)之間的距離[5]。通過與標(biāo)準(zhǔn)色標(biāo)距離20mm相比較，得出套色誤差信號(hào)，通過套準(zhǔn)控制器控制傳動(dòng)主軸實(shí)現(xiàn)印刷的自動(dòng)套準(zhǔn)。

圖2　色標(biāo)檢測(cè)傳感器套準(zhǔn)原理圖

2　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2．1光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

色標(biāo)檢測(cè)光路傳感系統(tǒng)采用同軸反射光路系統(tǒng)，光路系統(tǒng)原理圖如圖3所示[6]。

光路系統(tǒng)包括點(diǎn)光源，凸透鏡，半透半反鍍膜玻璃片，光敏元器件等。點(diǎn)光源發(fā)射的光垂直于透鏡，透鏡1和透鏡2平行放置，透鏡3相對(duì)于透鏡1垂直放置，透鏡與半透半反玻璃片成45°放置，光敏元件與透鏡垂直放置并且與半透半反玻璃片成45°角。

圖3　光路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

光路系統(tǒng)的點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡1后變成平行光，實(shí)現(xiàn)光源信號(hào)在通路中的傳輸。為了實(shí)現(xiàn)光源信號(hào)的直線傳輸，同時(shí)使色標(biāo)反射回來(lái)的信號(hào)變向傳輸?shù)焦饷粼?，采用半透半反光玻片。平行光照射到半透半反玻璃片上后形分解成兩個(gè)方向的光，一部分是透射光經(jīng)過透鏡2，一部分是反射光經(jīng)過透鏡3。透鏡2和透鏡3實(shí)現(xiàn)聚焦光斑的形成照射到色標(biāo)上，同時(shí)使色標(biāo)反射回來(lái)的光轉(zhuǎn)換成傳輸?shù)钠叫泄狻?/p>

2．2硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

主控單片機(jī)選擇PIC18F66K80，色標(biāo)檢測(cè)光電傳感系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。首先，色標(biāo)傳感系統(tǒng)初始默認(rèn)發(fā)射光選擇為紅光，對(duì)背景和色標(biāo)信號(hào)進(jìn)行前置放大，然后經(jīng)程控增益放大器PGA(初始設(shè)定為1)放大后，輸入單片機(jī)內(nèi)部AD轉(zhuǎn)換．通過數(shù)據(jù)對(duì)比處理，單片機(jī)輸出程控放大器的控制信號(hào)，進(jìn)行放大倍數(shù)的最優(yōu)設(shè)定[7]。

圖4　硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

放大器增益設(shè)定好后，通過單片機(jī)控制發(fā)射光源LED，分別采集背景顏色和色標(biāo)在不同光源下的信號(hào)強(qiáng)度并存入單片機(jī)。在單片機(jī)內(nèi)部分別對(duì)不同發(fā)射光源下采集到的背景和色標(biāo)信號(hào)值處理，分析選擇使色標(biāo)達(dá)到最大對(duì)比的光源作為發(fā)射光源[8]。

在光源和增益都設(shè)定好之后，色標(biāo)傳感系統(tǒng)進(jìn)入自動(dòng)學(xué)習(xí)模式，即對(duì)在最佳發(fā)射光下采集到單片機(jī)的背景和色標(biāo)信號(hào)值進(jìn)行計(jì)算分析，設(shè)定它們的中間值為閾值電壓。通過單片機(jī)控制DA輸出設(shè)定的閾值電壓[9-10]。閾值電壓與采集到的信號(hào)電壓通過比較器輸出，這里輸出由一個(gè)單刀雙擲開關(guān)選擇，使色標(biāo)信號(hào)輸出在低電平有效或者高電平有效兩種狀態(tài)。將比較器的輸出脈沖信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)部，根據(jù)單片機(jī)的硬件檢測(cè)或者采用軟件算法檢測(cè)脈沖中心點(diǎn)[11]，判斷相鄰脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔。印刷系統(tǒng)中的編碼器結(jié)合脈沖間隔計(jì)算出誤差值，處理器輸出誤差信號(hào)到上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與單片機(jī)間的雙向通信[12]。

3　實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及結(jié)論

采用直流電機(jī)模擬印刷版輥，通過電機(jī)帶

動(dòng)印有7種顏色的色標(biāo)帶旋轉(zhuǎn)。相鄰色標(biāo)間的距離和電機(jī)的轉(zhuǎn)速是已知固定的值，通過色標(biāo)傳感器輸出的相鄰色標(biāo)脈沖間的時(shí)間以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可以計(jì)算檢測(cè)到的色標(biāo)間的距離。比較檢測(cè)值和實(shí)際值之間的誤差，就可以得出色標(biāo)傳感器的精度。

通過選擇RGB(紅綠藍(lán))3種不同的光源，對(duì)白色背景下的紅、橙、黃、綠、藍(lán)、紫、黑這7種顏色的色標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，驗(yàn)證色標(biāo)檢測(cè)傳感器的功能．在輸出光功率相同和初級(jí)放大倍數(shù)相同的情況下，得到的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1　不同光源色標(biāo)采樣數(shù)據(jù)　V

由光電轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)可知，白色背景下反射光最強(qiáng)，其輸出電壓最高，不同顏色色標(biāo)對(duì)光源的吸收反射特性各部相同。發(fā)射光源對(duì)距離自身波長(zhǎng)遠(yuǎn)的光分辨率更高，如紅光源對(duì)綠色、藍(lán)色的標(biāo)記分辨率高，藍(lán)光源對(duì)于紅色、黃色分辨率高。對(duì)白色背景下的七種顏色的色標(biāo)，采用藍(lán)光源的分辨率最高。通過選擇藍(lán)色發(fā)射光源，經(jīng)程控放大和閾值比較后，采集到的輸出電壓信號(hào)和色標(biāo)脈沖信號(hào)如圖5所示。

圖5　色標(biāo)采樣電壓和輸出脈沖信號(hào)

測(cè)試時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為276.17 m/min，相鄰色標(biāo)間距為3.870 cm．色標(biāo)傳感器輸出相鄰色標(biāo)脈沖的時(shí)間間隔為8.40 ms，結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)速得出測(cè)得的色標(biāo)間距為3.866 cm．故檢測(cè)誤差精度達(dá)到0.04 mm，即4個(gè)絲。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本研究設(shè)計(jì)的色標(biāo)傳感器能準(zhǔn)確的分辨出白色背景下7種顏色的色標(biāo)信號(hào)，并且能實(shí)現(xiàn)高速印刷速度下的精確檢測(cè)，該設(shè)計(jì)初步實(shí)現(xiàn)了色標(biāo)傳感器的功能要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]MOGHAVVEMI M，JAMUAR S S，GAN E H．Design of Low Cost Flexible RGB Color Sensor．IEEE/OSA/IAPR International Conference on Informatics，Dhaka，2012．

[2]POLZER A，GABERL W，ZIMMERMANN H．Filter-Less Vertical Integrated RGB Color Sensor for Light Monitoring．Proceedings of the 34th International Convention，Opatija，2011．

[3]JEEVA B，SURESH J R，CHITRA M．Study of Inter-Integrated Circuit Color Sensor with Microcontroller．Emerging Trends in Electrical Engineering and Energy Management (ICETEEEM)，Chennai，2012．

[4]蔣恩松，肖輝軍，孫劉杰，等．高精度套印誤差光電檢測(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)．陜西科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，25(6)：78-81．

[5]葉子解，王子江．色標(biāo)檢測(cè)光電傳感器的研究．儀表技術(shù)與傳感器，1996(12)：7-9．

[6]李娜娜，安志勇，陳廣秋．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)．光電工程，2009，36(6)：141-145．

[7]王雪琳．彩色套印偏差的檢測(cè)方法研究：[學(xué)位論文]．上海：復(fù)旦大學(xué)，2011．

[8]BAJIC J S，DAKIC B，STUPAR D Z．The Frequency-Modulated Reflective Color Sensor．Proceedings of the 35th International Convention(MIPRO)，Opatija，2012．

[9]LI H J，ZHAO J Y，CHEN G Q，et al．Research on Dual-eye Color Code Photoelectric Sensor for Overprint Error Detection．The Sixth International Conference on Fuzzy Systems and Knowledge Discovery，Los Alamitos，2009．

[10]YANG Y C，CAO W B，PAN R M．The Hardware System Design of Smart Color Mark Sensor．The International Symposium on Photonics and Optoelectronics，New York，2009．

[11]苑永強(qiáng)．嵌入式智能光電傳感器的研究：[學(xué)位論文]．大慶：東北石油大學(xué)，2008．

[12]郭培源，付揚(yáng)．光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2011：221-224．