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1绪论１.１课题背景目前我国印刷机械技术与国际先进印刷机械技术水平相比有较大差距，印刷机械逐步向高度自动化发展。由于任何彩色印刷品均由四种基色构成，这就注定了彩色印刷品在印刷过程中必然分为多道工序。如果每道工序定位不准，则容易造成混色，严重影响印刷品质。在线自动检测套准系统就是在印刷过程中，自动检测不同工序的定位基准，并根据相邻两个工序定位基准的检测结果，调整本工序的定位基准，从而套准前一道工序的基准，提高印刷品质。从国际上看，仅在欧美国家，极少数国际知名品牌的印刷设备中采用了在线自动检测套准系统，如德国的海德堡。在国外的技术中，使用光学扫描头监测印在纸张表面的菱开形定位标记。当平均定位误差大于定位误差最大值时，系统会启动横向或径向马达来修正误差。通过在控制系统中输入相关的控制参数，比如定位标记位置、印刷格式、定位允许误差等。印刷机运转后，扫描头搜寻并追踪印刷在纸上的定位标记，然后将数据传送到控制系统操作界面，控制系统利用来自扫描头的数据监测印刷定位标记的位置和品质，判断是否有标记错位。该技术上涉及自动检测技术、计算机接口技术、传感技术、印刷技术、图像模式识别技术和伺服驱动技术等多门学科，且科技含量较高，在国内，此项技术仍属空白，国内印刷设备均没有采用此项技术。在强调国际先进技术国产化的今天，研究印刷设备的在线自动检测套准系统，尤其重要。跟踪研究国外先进技术，自主开发印刷机械在线自动检测套准控制系统，填补此项技术在国内的空白，达到国内领先帮助国内印刷机械制造能力达到国际水平。综上所述，该项目研究的主要意义是从根本上解决国内相关印刷机械生产企业和研究单位在在线自动检测套准控制技术的空白，提高印刷机械生产企业的生产能力和产品质量，提高我国印刷机械产品与国际印刷机械产品的竞争力。国外同类设备其价格为数拾万元人民币。经测算，我们自主研发生产的在线自动检测套准控制系统预计成本为十万元以下。21.2课题研究目标和内容研究目标：该研究的目标是研究在高速印刷的环境下，采集套准图像标记，研究和设计快速图像识别和控制系统，实现自动检测取代手工检测，实现在线自动检测套准控制的生产效率和质量的大幅度提高。功能上，该装置通过摄像头采集图像标记及控制系统控制相关机构的运动和机构之间的联动，实现印刷套准的自动控制，从而印刷套准操作的步骤及时间，减低劳动强度，提高劳动生产率。并且该系统，能够填补此项技术在国内的空白，达到国内领先水平。效率指标：通过点套准标码可以测量套准偏差，由于它们体积小，可以纵向或横向地放置，节省空间。实时完整显示，可以实现操作过程中的套准质量检测。通过强大的运算处理系统，可以对显示的数据做实时评估。利用高放大倍率CCD摄像头，可以满足条件苛刻的使用环境。能对各类高速多色印刷机进行全自动套准检测和修正，其套准控制精度达±0.lmm；识别范围：周长方向±10mm；印刷机最大运行速度10m/s或15000张/小时。研究内容：该项目主要完成印刷过程中的定位色差基准的自动检测，并根据检测结果自动完成修正定位基准，提高印刷品质。因此，该项目的研发是多学科技术的综合应用。涉及的相关技术包括有：自动检测技术、计算机接口技术、传感器技术、印刷技术、图像模式识别技术和伺服驱动技术等。主要研究内容有：（1）怎样实现自动检测每个颜色的定位图像。（2）检测到的图像怎样转化成数字图像进入到计算机进行处理。（3）数字图像在计算机中的图像模式识别处理。（4）将识别的结果与伺服驱动系统的通信。（5）伺服驱动系统的设计与实现。31.3课题的意义特色：课题是为了解决国产印刷机械的快速、准确、标准化的检测和控制印刷品套准质量，推动我国印刷机械的自动化发展。该课题涉及印刷技术、图像模式识别、数字图像处理、传感器技术、计算机硬件及软件技术、机械设计及制造技术、电机驱动技术、印刷技术等多学科技术。该课题开发的在线自动检测套准控制系统，可应用于多种印刷机上，实现印张的自动套准，具有很强的实用和推广价值。创新：该课题的研发创新属于国内首创，是填补国内的技术空白。创新内容包括印刷套准检测工艺创新；印刷套准控制系统创新。最终成果形式：1、具有较高自动化的在线自动检测的套准控制系统软件一套；2、自动套准控制装置一套；3、新型印刷套准标记和套准工艺；预期水平：该课题研究水平的目标是达到国际先进，国内领先。该课题开发的在线自动检测套准控制系统可应用在各类多色印刷设备上，使我国的印刷设备能有自己的自动化控制系统。该课题研制的“基于图像模式识别的印刷在线自动检测套准控制系统”可应用于各类多色印刷设备上，实现多色的自动套准，大大提高印刷设备的自动化程度，具有很好的推广价值。转化措施：该课题的立项是直接立足于企业的需求，产品的开发研究将与企业密切合作，调试和实验均与企业合作，因此，该项目成果将直接转化为企业的应用产品。社会效益：该课题研究的主要意义是从根本上解决国内印刷机械生产企业和研究单位在自动套准检测和控制工艺技术的落后问题，提高高自动化的印刷机械的生产能力。该课4题的研究属于国内首创，填补国内的技术空白。经济效益：国外同类产品价格为数十万元人民币。经测算，我们自主研发生产该系统预计成本为18万元。产品定型后预计成本为4万元，市场价格定位为6万元，全国有数百家印刷机械生产企业对该产品有需求，按年产100套计算，年利税为200万元。52.1印刷机原理2.1.1印刷机的分类一般而言，承印物不同，采取的印刷方式也不同，承印物材料有下列几类：1、纸张：这是最常见的印刷，新纪元印务就是在纸张或和纸张相类的材质上印刷。2、塑料印刷：多见于包装袋的印刷。3、特种材料：指在玻璃、金属、木材等材料上的印刷。印刷机种类有：1、胶印印刷机：一般采用平版印刷，多用于四色纸张印刷，使用的就是胶印印刷机。胶印印刷还用于铁皮等薄板材质上的印刷，这种机器称为印铁机。2、凹版印刷：指用凹版(一般指钢版)印刷，多用于塑料印刷。3、柔性版印刷：指用柔性材料版(一般指树脂版等)印刷，这实际上是凸版印刷，多用于大批量不干胶商标印刷。4、丝网印刷：可以在各种材料上（尤其是非平面材质上）印刷，多用于礼品、容器等印刷。2.1.2单张纸胶印机结构及原理印刷机的种类较多，但原理都是差不多，就以胶印机为例。胶印机又分为单纸张胶印机和轮转机。单张纸胶印机是指印刷纸张是一张张、平铺进入机器印刷的。轮转机是指纸张是用卷筒纸进行印刷的一种大型印刷机械，多用于大批量书刊、报纸的印刷。两种胶印机，其原理是一样的，只是输纸、传递、收纸方式不同罢了。所以，以单张纸四色胶印机为例，讲讲胶印机的结构及原理。下图（图2.1）是海德堡GTO四色胶印机侧剖面图。印刷机型号不同，机器结构不同，但基本构造大同小异，原理是一样的。6图2.1海德堡GTO四色胶印机侧剖面图1）传动部分就是把印刷机原动机的运动，通过皮带、齿轮、链条等传输到印刷机各工作部分，使各个工作机件能按照工作要求，作周期性的、紧密协调的、准确的机械运动，以完成印刷动作的机构。印刷机的原动机是电动机，传动方式一般有带传动、齿轮传动、链传动三种方式。其中带传动（用皮带传动）精度最低，一般印刷机的原动机（马达）和下一个从动轮之间，采用带传动；齿轮传动精度最高，在印刷机侧面机墙内，使纸张传递、墨辊组、水辊组、滚筒运行的，一般采用齿轮传动；链传动（链条传动）用于精度要求较高，但又不方便使用齿轮传动的部分，一般用于输纸部分和收纸部分。7印刷精度要求极高，我们要求印刷品上图文误差在几丝（1丝＝0.01毫米），而决定印刷品误差的，就是印刷机的传动部分的精度，而传动部分的精度，取决于机械加工精度和金属材质。仅仅加工精度高还不行，许多印刷机，新机器时还差强人意，但使用一段时间就不行了，那是因为金属材质的缘故。在当今世界，印刷机制造业是一个国家机械制造业水平的标尺。我们国家到目前为止，进口著名品牌印刷机仍然是免税的，但即使免税，价格依然很昂贵，就是因为我们国家机械制造业水平问题，这常使业内人士痛心疾首。2）输纸、传递及收纸部分。下图（图2.2）上的红线是纸张在印刷机内通过的路线。图2.2纸张在印刷机内通过的路线。待印纸张放在印刷机前端纸台上（俗称输纸台，图2.2中注1），印刷机自动将纸张分离成单张，逐张将它输送到规矩部件处（图2.2中注5），这部分叫输纸部分（海德堡称之为飞达）；纸张到规矩部件处被定位，纸张在这里要“停顿”一下，然后由叼牙抓住纸张前端纸边，送入印刷机内部，经过结构相同（油墨不同）的四个色8组印刷，这过程叫纸张传递过程。纸张传递过程实际上是由相互配合的一个个滚筒上的一排排叼牙相互转接的过程。最后，已经印刷过的纸张被整齐地平放在收纸台上，这部分叫收纸部分。所谓叼牙，就是在印刷机滚筒或链条上横放的一排排周期性张开、闭合的钢牙，当然它的张开和闭合是需要非常准确的。3）规矩部分——规矩、出血、咬口、前规、侧规（靠身、靠外），版芯尺寸、大套、自翻、大滚翻规矩线形式如图2.3，一个完整规矩线，有内规矩线和外规矩线。我们以内规矩线裁切（见图2.4井字线），得到的印刷品成品上就没有规矩线了，我们就得到一张干净的印刷品。9图2.3图2.4但是，设计的印刷文件上的图文不能只作到内规矩线，因为印刷后的裁切是有误差的（这里包含裁切时刀的误差，和纸张因为印刷而抽涨产生的误差），难以保证一刀切下去，正好在图文边上，如果一刀切在图文外，就会留下一条白线，损害了印刷品的美观。所以我们要把图文（一般只是图）做到与外规矩线相齐，超出内规矩线的部分叫出血。习惯上，出血是3mm，所以内规矩线和外规矩线之间相距一般也是3mm。规矩线的作用不仅仅是为了裁切，主要作用还是印刷时的对版。在彩印中，蓝（C）、红（M）、黄（Y）、黑（K）四块版上都有规矩线，要让这四个色的规矩线完全重合在一起，这样的印刷品才会是鲜亮、合格的，这就是印刷的“套准”。一张纸，被飞达送入机器，是经过很多次转接，被印刷上四色图文，所以这种转接的精度要求就很高。许多印刷设备本身误差较大，它们的校正也很麻烦。用户拿到的印刷品10是成品，看不到规矩线，另外，由于人的裸眼视觉辨别精度有限，你不会觉得图文没有套准。套合不准的印刷品，会给人一种虚的、雾蒙蒙的感觉，当然，一些印刷品把单眼皮的人印刷成双眼皮了，那就不是虚的、雾蒙蒙的感觉了。纸张被飞达送到规矩部件处，将被定位，纸张在这里要“停顿”一下，然后由叼牙抓住纸张前端纸边，送入印刷机内部。这是为了使纸张以同一状态进入机器被印刷，使前后印刷出来的印张，图文是在纸张的一个固定位置上。即使印刷机传递纸张很准确，我们得到了一张张清晰的印刷品，但前后印张上图文不在一个位置，裁切是一沓沓裁切的，这样参差不齐的印刷品。规矩机构由一个前规、左右两个侧规组成。机器运行时，前规和一个侧规动作，另一个侧规得关闭。前规是在第一排叼牙前的一排扇动的金属挡片，纸张到达前规，被挡住，这时开启的一个侧规动作，将纸张向左（或向右）拉动纸张，使纸张到达一个固定的位置，至此纸张定位完成。站在印刷机进纸正前方，面对机器，机器的常用操作按钮和操作手柄，大部分在机器左侧，操作人员一般在机器的左侧活动，所以左边叫靠身，左边规矩叫靠身规矩，反之，另一边叫靠外、靠外规矩。纸张被前规挡住、将被叼牙叼的边叫咬口。一张单面印刷品印刷时，随便选用靠身规矩还是靠外规矩都可以，只要印后，把印张按咬口和侧规整齐后再裁切，就能得到满意的印刷品了。112.2自动套准系统中的主要硬件简介在整个自动套准系统中的主要硬件涉及CCD摄像头，计算机，PLC，RS-232计算机与PLC之间的通信线，以及步进电机及其驱动。2.2.1CCD摄像头摄像头的工作原理是：被摄物体反射光线，传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电，产生表示一幅幅画面的电信号，经过预中放电路放大、AGC自动增益控制，于由图像处理芯片处理的是数字信号，所以经模数转换到图像数字信号处理IC（DSP）。同步信号发生器主要产生同步时钟信号（由晶体振荡电路来完成），即产生垂直和水平的扫描驱动信号，到图像处理IC。然后，