印刷行业中的机器视觉技术

 

机器视觉就是用利用机器代替人眼来做判断、测量和识别。根据印刷生产线的要求，其特点是高速、非接触式、客观和。在现代工业向着高度自动化、智能化发展的今天，机器视觉技术在各行各业的应用越来越广泛。同样在印刷行业的各种全自动设备中也能见到它的影子。
机器视觉开始于上世纪80年代初，首先兴起于电子行业，90年代初进入印刷行业。
 
自动定位
       基于机器视觉的平面自动定位系统是通过两个摄像头获取目标位置信息，然后获取待对位对象的当前位置，通过计算获得两个位置间的相对距离，将计算结果反馈给控制系统，控制系统驱动电机自动地将待对位对象移到目标位置。目前，同过机器视觉技术达到的自动定位可以达到微米级精度。
其工作流程如下：
1、获取目标位置：首先要求目标位置（如图1）和待对位对象附带两个靶标（如图1蓝色所示）。摄像头获取目标位置靶标（如图2）。
 
 
 
 

取得右边靶标位置

图2目标靶标图像

取得左边靶标位置

图1 附带靶标的目标位置

 
 
 


 

2、获取待对位对象位置：通过摄像头获取待对位的对象的两个靶标。
 

取得左边靶标位置

取得右边靶标位置

图3待对位对象位置

图4 待对位对象靶标图像

       
 


 

3、计算相对距离：通过计算两组靶标的相对距离，从而控制驱动电机将待对位对象移到目标位置上。
 

图5待对位对象和目标位置相对位置

图6 对位后图像

 
 


 

在国外一些全自动印刷设备上，自动定位系统正逐渐被应用。如全自动打孔机，对于彩色印刷而言，PS版在印刷及滚筒上是否正确对位是决定印刷品质重要因素，而保证正确对位的一个关键是PS版上的孔打的位置与否。采用机器视觉定位系统的全自动打孔机只要将PS版放在工作台上，摄像头将自动搜索位置，并将其移到目标位置并完成打孔，其打孔精度可保证在10微米以内。在印刷电路板行业，曝光机、平面丝印机是*的设备，对于全自动曝光机，为了实现基板和底片的高精度的对位，有些生产厂家采用4个摄像头，从而可以避免由于操作者不同引起的质量差异。在全自动平面丝印机上，每块印制版的基准孔（印制版上的靶标）首先通过摄像头被检出、定位，然后实现高精度印刷。
 
印刷品缺陷检测
       基于机器视觉的印刷品缺陷检测技术是采用高速、高清晰度摄像头和自动可调专业光源来获取标准图像，根据印品的特征和客户的需求来设置检测区域和检测等级。然后在相同的采集条件下获取待检测图像，在图像处理装置中与标准样张进行比较，对于与标准样张存在差异的地方，根据其差异程度，按预先设定的等级进行分类，并作出相应的反馈。从而实现对刀丝、飞墨、针孔、异物等缺陷和颜色偏差的在线全幅检测。图7是基于PRS-LB130视觉检查系统的印刷品缺陷检测示意图。
 
 
 
 
 
 
 
 

图7 PRS-LB130视觉检查系统的印刷品缺陷检测示意图

 
基于机器视觉的印刷品缺陷检测技术从原理分析不难，但它对硬件、软件要求比较高。首先是摄像头，必须颜色再现性要好，能够真实获取样张的色彩，再则，曝光速度要足够快，这两项指标使得摄像头的成本就比较高。 其次，对于光源的要求，由于印刷速度不恒定，那么随着印刷速度的变化，光源的亮度应该实时可变，从而可以保证采集的图像质量。第三，图像处理算法应该具有较强的鲁棒性来克服在印刷过程中产生的一些随机因素导致图像采集不稳定，同时一些生产厂商开发特殊的图像处理引擎来满足高速印刷发展的要求。
目前基于机器视觉的印刷品缺陷检测技术已逐渐在一些高精度、高附加值的印刷行业的设备中得到应用。首先是票证印刷行业，由于它的印刷对象大都是有价证券，对印刷质量有特殊要求。其次是烟包印刷，烟草包装不同于其他产品的包装，有着其自身的特点，烟包印刷所需的技术工艺是仅次于钞票和有价证券的印刷，是目前要求精度zui高的包装产品之一。同时烟草包装也是附加值zui高的包装产品之一，因而其也是全自动印刷品质量检测设备应用zui广的领域。由于标签印刷其印刷幅面相对来说较小，因而其所需的全自动印刷品质量检测的硬件成本相对来说较少，因此欧洲和日本的设备制造商争相将印刷质量检测系统引入到标签印刷上。为获得稳定的印刷质量提供了有力保障。
 
自动套色控制
      基于机器视觉的自动套色控制系统采用高清晰彩色摄像头获取样张上的辅助色标，通过图像处理算法识别出各色标颜色，并计算他们的位置。如果各色的位置及其相对位置与预先设定的不一致，则说明套印出现偏差。例如假设色标线水平长10 mm , 宽1 mm , 每个相邻颜色的标志线在套印时应相互平行, 垂直（纵向） 相距20 mm （如图8）, 通过采集分析得出各色标间距，如果相邻两色色标间隔大于或小于20 mm ,则说明套印出现了偏差。然后将偏差信号反馈给系统作出相应修正。
 
 
 
 
 
 
 


 

图8 色标示意图

 
       基于机器视觉的自动套色控制系统克服了采用光电传感技术（如单色光源或LED 发光管等） 检测印刷光标的纵向套准控制系统横向偏差不能测量和控制, 而且在检测过程中存在信号盲区现象的弊端。因为印刷的质量不仅与纵向套准偏差有关, 其他一些因素（如: 横向偏差、油墨质量、墨屑、印刷与模切间的套准等） 也起着重要作用，同时不受走纸的波浪形状的影响。
自动套色控制系统是排列式凹印机*的配套装置，对提高印刷套印精度，降低废品率起着重要作用。印刷机一起动，CCD照相机就立即开始测定套印标记的实际位置与目标位置之间的差异。然后将测定结果转换成控制命令，用以调整套印标记之间在横纵两个方向的差异。在很短的时间内，就能实现自动调整就绪。同样，自动套色控制在冷/热固印刷机上同样有着广泛的应用。
 
字符和条码自动识别
       光学字符识别（OCR）已有30多年历史，其目的是要把图像作一个转换，使图像内的文字继续保存。其处理流程如下：首先采集含有字符的图像，然后经过预处理、字符特征提取、比对识别等过程。
       在目前的印刷字符在线自动识别当中，主要是识别数字和英文字母，如有价证券的编号和产品的生产日期等。因而字符自动识别系统在票证印刷和标签印刷设备上得到了应用，它们不仅识别印刷字符的正确与否，同时还要识别印刷质量。
       随着条码应用的普及，条码的在线识别和检测在包装、标签和票据印刷中正得到推广。
总结
印刷机械设备自发明以来，在长期发展的进程中，走过从手动到机械化的阶段，在近代，为进一步提高工作效率、减轻劳动强度，走的是逐步自动化的道路。如今，国外一些厂商在一些印刷设备上采用机器视觉技术，进一步提高印刷设备的自动化程度和可靠程度，在我国市场的占有率承增长趋势。面对这一现实情况，国内印刷设备生产厂商应该了解和熟悉机器视觉这一新兴技术，从而能够在印刷设备研发中占有一席之地。