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全自动印刷故障检测系统及其技术研究

《广东印刷》2011年第3期 作者:牛一帆 更新日期:2011-07-18

在过去的几年时间,检测系统在加工业中得到了迅猛的发展,如今,100%全自动故障检测的技术已经实现。今天,在几乎所有的工业中你都可以听到“故障检测”这个词。应用于印刷包装行业,它能够帮助我们找出印刷产品上的所有瑕疵,并且对不同的印刷方式均可适用。
在印刷质量检测方面,欧美及日本等国家都已经取得了很大的进步。早在20世纪70年代,就已经有厂商积极致力于采用图像处理系统,对视觉信息数码化,通过电脑实现印刷质量的“看见”和“认知”,对印刷品进行高速度、高精度的、100%的实时检测,彻底消除人为的失误,建立统一的、可量化的检测标准。目前能提供全自动印刷品质量检测设备的有瑞士的BOBST、美国的PROIMAGE、日本的DAC和TOKIMEC等。
1.类型
当前,全自动印刷故障检测技术主要有两种基本类型的检测系统,即100%取样型和100%全面型。
100%取样型系统是指在一个时间内重复选取印刷的一个部位,对该部位进行100%的监控,重复的时间可以由几秒钟到几分钟不等。100%全面型系统则是对印刷机上加工的产品的每个部分进行100%的监控。这两种系统采用截然相反的两种照相机技术:逐行扫描(采用线阵CCD摄像机)和逐块扫描(采用一般的CCD摄像机)。基于逐块扫描的100%全面型检测系统相对而言技术含量更新,在一些包装上的应用比逐行扫描技术更出色。
100%取样型系统仅会检测到照相机在某个特定时刻,特定印刷部位上看到的故障。确切的说,100%取样型检测系统不具备查找到整幅印品上故障的功能。它们的优势在于,能够对加工质量的某些具体特性,例如颜色、套印、条纹和重复性故障进行精确监控。而100%全面型检测技术则可以帮助你找到整幅印品上的欠缺,但这种系统的投资是通常类型的3倍以上,客户必须证明有确实需要,投入才能有切实的回报。印刷生产商在实际购买检测系统之前必须做一定的调查工作,必须调查好当前正面临着的印刷废料种类和形成原因,根据不同的原因来选择合适的检测系统,对症下药才能根治顽症。
2.工作原理
全自动印刷故障检测系统是一种新型的辅助设备,设计这种设备是用来在印刷的过程中能够积极主动地寻找印刷页面上可能出现的毛病。全自动印刷故障检测系统可以帮助操作员在印刷过程中对产品质量进行全方位的监控,保证印刷出来的每一张产品都为合格品。它采用的检测系统多是先利用高清晰度、高速摄像镜头拍摄标准图像,在此基础上设定一定标准;然后拍摄被检测的图像,再将两者进行对比。CCD线性传感器将每一个像素的光量变化转换成电子信号,对比之后只要发现被检测图像与标准图像有不同之处,系统就认为这个被检测图像为不合格品,如下图一所示。印刷过程中产生的各种错误,对电脑来说只是标准图像与被检测图像对比后的不同,如污迹、墨点色差等故障都包含在其中。
图一 检测原理
其中,100%取样型系统使用的技术与滚筒观察系统的相似。实际上这种类型的检测系统只是在滚筒观察系统中添加了额外的软件。将一台视频照相机固定在一个装有发动机的横梁上,并配备闪光设备。在一系列的印刷过程中,该系统可以不停地扫描,在每次闪光拍照的时候,已经从一个标记的地方移动到另一个标记。在这段时间内,每个位置的标记都被扫描到了,但是只有一小部分的标记,经过闪光后,被相机拍摄到。将每一个标记的印刷图像与内存中的主图像进行比较。任何一点差别都可以显示在屏幕上报告给操作者,并发出警告。对于滚筒图像的观察来说,该系统是很不错的,因为毕竟操作者每一次都可以看到一个小区域内的图像。然而,对于自动质量检测系统来说,似乎是有时可以挑出印刷中的毛病,有时却不能。换句话说,这种系统是间歇性地工作的。
100%全面型系统则采用了一套完全不同的方法。它仍需要一个装有发动机的横梁,并在整个滚筒的长度方向上永久性地安装几台照相机。这些相机通常是线扫描类型的。这意味着,它不是用一个闪光灯对印品拍一个矩形的快照,而是该相机通过一个连续的照明系统一次可以采样到滚筒长度方向一行的样品。当滚筒滚动,完成印刷时,该系统采样到下一行的样品。取回的样品信息不断地同存储在内存中的主图像进行比较。主图像是与印品具有相同的长度,滚筒长度相同的宽度的印刷信息组成。一旦检测系统检测到某种毛病,那么它们不只是在滚筒长度方向上相匹配,而且与印刷机的运行速度同步,它总是可以检测到对应位置上的像素的质量。
另外,全自动印刷故障检测系统检测出的故障信息除了可用来作为警告和报警外,还可以用于故障的报告和数据的收集。信息通常被收集进一个数据库,通过接口进入已有的PC网络,从而脱离开印刷机对数据进行分析。屏幕上可显示出速度和故障发生在滚筒横向上的位置,还有捕获故障的类型。滚动条可以帮助操作者查看早期的数据和前面的数据。在印刷结束时,印刷报告会自动地制作出来。
3.检测精度
最早用于印刷品质量检测的技术是将标准影像与被检测影像进行灰度的对比,现在较先进的是以RGB三原色为基础进行对比。全自动机器检测与人眼检测相比,区别在哪里呢?以人的目视为例,当我们聚精会神地注视某印刷品时,如果印刷品的对比色比较强烈,则人眼可以发现的、最小的缺陷,是对比色明显、不小于0.3mm的缺陷,但依靠人的能力很难保持持续的、稳定的视觉效果。可是换一种情况,如果是在同一色系的印刷品中寻找缺陷,尤其是在一淡色系中寻找质量缺陷的话,人眼能够发现的缺陷至少需要有20个灰度级差。而自动化的机器则能够轻而易举地发现0.1mm大小的缺陷,即使这种缺陷与标准图像仅有一个灰度级的区别。
但是从实际使用上来说,即便是同样的全色对比系统,其辨别色差的能力也不同。有些系统能够发现轮廓部分及色差变化较大的缺陷,而有些系统则能识别极微小的缺陷。对于白卡纸和一些简约风格的印刷品来说,如日本的KENT烟标、美国的万宝路烟标,简单地检测或许已经足够了,而国内的多数印刷品,特别是各种标签,具有许多特点,带有太多的闪光元素,如金、银卡纸,烫印、压凹凸或上光印刷品,这就要求质量检测设备必须具备足够的发现极小灰度级差的能力,也许是5个灰度级差,也许是更严格的1个灰度级差。这一点对国内标签市场是至关紧要的。
标准影像与被检印刷品影像的精确对比是检测设备的关键问题,通常情况下,检测设备是通过镜头采集影像,在镜头范围内的中间部分,影像非常清晰,但边缘部分的影像可能会产生虚影,而虚影部分的检测结果会直接影响到整个检测的准确性。从这一点来说,如果仅仅是全幅区域的对比,并不适合于某些精细印刷品。如果能够将所得到的图像再次细分,比如将影像分为1024dpi×4096dpi或2048dpi×4096dpi,则检测精度将大幅提高,同时因为避免了边缘部分的虚影,从而使检测的结果更加稳定。
4.检测参数
在质量检测参数设定后,利用高速度、自动化质量检测设备是否会带来超标的废品率呢?废品率的提高,无疑会导致利润降低。但是实际上所有的质量标准都是相对的,如一般无法接受的微小缺陷,如果是在某些特定的区域(上胶、糊口部位)却是可以接受的。采用人工检测的情况下,可以自动形成一个适当放宽的、具有弹性的标准,那么理性的、数据化的检测是怎样完成检测的呢?比较合理的做法是印刷商与最终用户达成协议,对印刷品采取分区域的、分等级的质检标准设定。这仅是一个硬性的规定,而必须是可以操作的、被各方所接受的、可量化的标准。而且这些标准必须是用户自行设定的各类数据,如需要检测的区域、每个区域的检测等级、每个检测等级执行的检测标准等。例如,首先我们对被检测的印刷品进行分区,如将印刷品分为最严格检测区–印刷品最重要部分(商标、产品)、严格检测区–重要部分(产品)、普通检测区–背景、忽略区–隐蔽部分(上胶翼、糊口部分)。然后,对每个检测等级进行设定。这一点非常关键,会直接关系到发现故障的能力,也直接关系到废品率的多少,所以客户必然会要求设定一个可以接受的、合理的公差范围,包括设定可接受的、故障大小的范围公差,可接受的、故障灰度公差。
5.优点
①连续的,积极主动的观察–100%的滚筒,100%的时间。
②保证观察到一致的质量,与操作者的经验或换班无关。
③通过优化印刷机的速度和质量等级提高生产性。
④对于即将到来的故障提供早期的警告。
⑤在屏幕上用颜色显示出故障,可以快速地辨认出故障的本性和来源。
⑥进行昂贵的印刷材料印刷时,使它的印量最大化,减少超印量。
⑦减少昂贵印刷材料的浪费,使它的用量最小化,降低成本,提高客户的回头率。
⑧改善公司的形象,使之具有竞争力。
⑨能够按照ISO9000标准的要求使用。
⑩容易进行短线产品的生产,效率更高。
有助于最大限度的利用已有设备。
今天,全自动印刷故障检测是一种相对来讲还不是很成熟的技术,但随着照相机以及计算机系统的进一步发展和工作流程的网络化以及数据管理功能的集成化,该项技术必将获得全新的发展,届时印刷质量和效率必将得以大大的提高。