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一种新型烟标印刷缺陷在线检测系统

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2020年6月23日
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一种新型烟标印刷缺陷在线检测系统
　　1 概述

　　近年来, 国内烟包印刷竞争日趋激烈, 精美烟包产品不断涌现, 烟包设计和印刷工艺越来越复杂, 所用材料也越来越讲究, 凹印、 胶印、 柔印、 丝印、 UV印刷、 UV上光、 全息烫印、 镭射铝箔纸等技术纷纷上阵, 多种印刷技术组合的烟盒随处可见。随着印刷工艺的复杂化和多样化, 对成品检验的要求也越来越高。各道工序出现缺陷产品( 如飞墨、 刀丝、 套印不正等) 后, 最终流入到最后检验工序, 若全部由人工完成, 工作量极大, 且依靠人的视力检测很难保持持久和稳定, 容易产生疲劳和漏检现象, 流入到烟厂或用户手中, 将造成质量事故。

　　根据印刷的重复性原理, 印刷缺陷在线检测系统经过高速摄像头连续拍摄印刷图案, 并将其与一个完好无缺的基准作比较, 当二者差异超出了设定的范围时, 检测系统即判定印刷缺陷产生, 保存缺陷图案并声光报警, 同时控制贴标机对有缺陷的纸张进行贴标。

　　最早用于印刷品质量检测的是将标准影像与被检测影像进行灰度对比的技术, 现在普遍采用的技术是以RGB三原色为基础进行对比。从实际使用上来说, 影响检测能力的因素如下。

　　1) 印刷材质的问题

　 印刷材质除了常见的白卡纸、 铜版纸外, 还存在很大比例的转移纸( 包括金银卡纸、 镭射纸) ; 纸上除了印刷外, 还有素面烫金、 全息定位烫金等印后工艺, 其强反射特性给普通照明条件下的检测带来难度; 而且压凸图案由于低色差特性也给检测带来困难。

　　2) 设备波动造成的纸张蛇形跑动问题

　在印刷过程中, 随着张力和速度的波动, 纸张在前进过程中会产生蛇形跑动现象, 表现在运动方向的不同程度的拉伸, 以及宽度方向的不同程度的偏移, 给图像的采集和比对造成困难。

　　3) 检测精度的问题

　 基于摄像的检测系统其检测依据是图像的色彩信息, 如果缺陷的尺寸或色差超出摄像的观测范围, 这种缺陷理论上检测不出, 或者称不可信检测, 如何使检测精度与企业的质量标准达成一致, 是检测设备商面临的主要问题。

　　4) 检测后的处理问题

　检测只是质量管理的手段, 检测的目的是为了指导生产, 及时杜绝连续废品的发生; 同时也应当为成品出厂提供判断依据。当前在这方面国内外多数在线检测系统均未提出较好的方案。

　　5) 在线检测设备的安装工位问题

　条件允许的情况下, 在线检测设备能够装在印刷机、 烫金机、 分切机等所有生产设备上, 但对于多数企业而言, 选装在最合适的工位上, 既能降低成本, 又能提高设备利用率。

　　6) 检测数据与企业生产质量管理系统的结合问题

　 如何将检测数据信息经过网络在企业内部建立数据库, 实现数据共享, 进而为生产管理、 质量控制提供正确的依据, 是检测系统数据管理的主要内容。

　　这些关键问题对印刷企业对检测设备的选型极为重要。本文研究了一种对高速印品进行在线缺陷检测的机器视觉检测系统。经过独特的光学系统, 检出较明显缺陷并做标记, 提示下一道工序和用户; 而且对连续缺陷提示机组人员及时处理, 避免更大的损失; 经过C/S网络化并行结构, 对图像数据进行分布式处理和集中统计管理。

　　2 系统描述

　　1) 系统组成

　　印刷品质量在线检测系统采用多个彩色线阵摄像头对大幅面印刷品进行同步采集, 图像数据经过FPGA/DSP采集卡进行辅助处理, 由对应处理单元进行图像比较、 缺陷提取和分类, 缺陷数据经过高速以太网传送到服务器进行统计和管理, 输出报警信号和缺陷位置信息, 并经过光电编码器与生产线保持同步。

　　2) 成像设计

　　检测系统的硬件核心器件是CCD相机, 它将影响到系统的检测方式、 检测能力以及后续图像处理的运算量和数据处理方式等。常见到的CCD相机按照成像方式来分有面阵和线阵两种类型。

　　面阵相机是对被摄物体一次曝光成像, 然后将整幅图像送到图像处理器进行处理。面阵相机的缺陷是当版周长越大, 拍摄所需的相机数量也越多, 使用和维护不太方便。

　　线阵相机每次曝光只对被摄物体的一行进行数据采集, 经过物体的连续运动, 相机连续曝光, 最后将多行数据组合到一起形成一整幅图像。线阵CCD相机由于其成像系统占用空间小, 光源设计简单等原因, 在表面检测中应用很广泛。

　　线阵CCD相机的线扫描操作与传统的扫描仪非常相似, 相机中的传感器在运动物体经过它时每次扫描一行图像, 然后经过一个图像采集卡将所有采集到的行合并成为一个完整的二维图像。

　　3) 照明设计

　　印刷品摄像对照明系统的要求是:①亮度足够; ②防止炫光进入摄像头; ③无频闪; ④光源波长分布均匀; ⑤照射幅面大。

　　根据上述要求, 有两种光源能够选用, 白光LED光源和三基色荧光光源。白光LED光源与白炽钨丝灯泡及荧光灯相比, 具有体积小、 发热量低、 耗电量小、 寿命长等优点, 但存在维护费用高的问题; 稀土三基色直管荧光灯是一种高效、 节能的新型光源, 显色性好, 是名副其实的日光型光源, 已被广泛应用于电视摄像照明, 虽然寿命不及LED光源, 但价格低廉, 维护方便, 本系统选用此类光源。

　　光源结构设计采用4根荧光灯分别以高角度和低角度入射到辊筒表面, 低角度光突出印刷品表面轮廓, 高角度光补偿整体亮度。为防止镜面反射光射入镜头, 对高角度光采用漫透射面过滤。

　　4) 处理器结构

　　在印刷生产时, 印品观测幅面较大650mm以上, 印刷精度要求很高( 0.1mm/pixel) , 单摄像头和单处理器无法完成庞大数据量的处理( 100MBbyte/s以上) , 因此采用多摄像头结构, 对不同区域进行同步并行处理, 处理结果经过高速以太网传送至服务器进行数据管理和统计。系统要解决的关键问题是同步问题。

　　同步问题有两类, 一是采集和处理的同步, 二是缺陷数据传输的同步。采集和处理的同步经过脉冲编码器实现, 各处理器由脉冲编码信号同时触发工作。同一版面的印品缺陷数据上传的同步经过脉冲编码器产生的固定时序来保证。

3 系统特点

　　1) 烫金和全息商标的检测技术

　　经过独特的镭射全息照明技术, 能实现对烫金和全息商标特征的准确提取, 而且能够同时检测印刷缺陷, 如图3所示。

　　2) 图像精确定位技术

　　自主研发出一种称为ONE的信号定位处理技术, 能自动跟踪印刷纸张的蛇形串动, 这种技术是检测系统稳定工作的基础。

　　3) 分区域检测技术

　　不同区域能够设置不同的检测精度, 还能够屏蔽某区域的检测。

　　4) 检测精度的自动调整技术

　　根据印刷机的波动状态, 能自动调整检测精度, 以到达最优的检测效果。

　　5) 缺陷趋势的预报技术

　　任意设定缺陷报警门限和贴标机动作门限, 预报缺陷发生的趋势, 及时标识重大缺陷。

　　6) 高速图像处理技术

　　采用自主研发的多线程处理算法, 在300m/min的印刷速度下长时间稳定工作。

　　7) 历史数据的管理技术

　　可打印、 统计、 显示、 查询历史缺陷数据; 保存时间可根据需要达到任意年限。

　　8) 多屏显示技术

　　除控制柜外, 在关键工位处选装显示器, 分别显示操作界面和缺陷数据和实时图像, 方便操作员随时查看质量状况和系统运行状况。

　　9) 友好的人机界面

　　操作员设置好参数后, 能自动探测开机、 停机、 换卷和设备波动状态, 从印刷开始到结束都无需人工干预, 不同缺陷能够设置不同的报警声音以提醒操作员注意。

　　4 使用效果

　　本研究采用两台横向分辨率为4K, 纵向分辨率为15K的彩色线阵CCD摄像头对820mm宽的印刷版面进行检测, 经过千兆以太网进行并行处理和分布式控制, 经过客户机/服务器方式进行集中数据查询和管理。

　　1) 算法效率

　　本系统中, 图像处理部分全部采用MMX/SSE优化指令集编写, 实现了单指令多数据的并行处理。当生产线的速度最大( 300m/min) 时, 检测系统采集完整一版图像的周期为211ms, 处理时间( 128ms) 已经足以满足实时性的要求, 最大能够满足500m/min的印刷速度条件。

　　2) 检测精度

　　本系统的检测精度取决于检测分辨率和检测等级。

　　CCD是离散采样器件, 根据奈奎斯特采样定理, 能检出最小缺陷尺寸在检测分辨率的2倍以上; 例如使用上述相机观测410mm的幅面, 印刷速度在200m/min时, 横向像元分辨率为0.1mm, 纵向分辨率为0.22mm, 能检出稳定检出的最小缺陷为0.2mm×0.44mm;

　　检测等级是本系统一个重要的功能。由于印品的每个位置检测要求的严格程度不同, 例如条码区最严格, 而粘胶区或裁剪区最宽松, 因此对所有区域采用相同等级是不现实的, 会造成很多不必要的报警。因此区域等级的设置实际上对不同的区域采用不同的阈值, 这些阈值在系统检测开始之前按照质量管理的要求预先设置。

　　3) 检出缺陷类型

　　图4演示了4种典型的印刷缺陷和缺陷检出图例, 实际图片均为彩色图片。印刷缺陷中, 飞墨占了80%以上, 而最连续发生的缺陷是刀丝类缺陷, 此类缺陷由于尺寸小, 痕迹轻微, 有时肉眼都不易检出, 在本例中, 经过对邻域象素的分析检出了0.25mm宽的刀丝。

　　5 小结

　　印品质量在线检测技术与系统一直为欧美和日本所垄断。本系统采用业界最先进的硬件设备( 包括摄像头、 采集卡和处理器) 、 具有自主知识产权的软件( 登记号: SR12259) 和创造专利( 10061396.7和 10061395.2) , 能够有效地对高速印刷生产线上印刷品中出现的刀丝、 飞墨、 串墨、 漏白、 脏版、 换卷、 墨点、 套印偏差等印刷缺陷进行检测与报警, 并在大理美登印务有限公司安装使用, 运行稳定可靠。

　　另外, 印刷缺陷在线检测技术并非万能, 也存在技术瓶颈, 例如纵向像元分辨率远大于套印系统检测精度, 因此本系统对低于0.2mm的套印跑动不敏感, 结合静止画面装置则能达到较好的检测效果。另外对低对比的色差不敏感, 需配合色差计进行色彩抽查。