第四节 计算机测控系统的结构原理

一、联机密度检测原理

　　1．概述。自18世纪发明平印术后，在最初一二百年中，印刷工人对印刷质量的检验实际上是非常直接的。每一印张经过检查后才印一张。这样，印刷过程中万一发生偏差，在印下一张时就可立即得到校正。后来，印刷机的速度加快，在对印张进行肉眼检测时，印刷机还在继续旋转。因此，要在印几十张纸以后才能纠正过来。

　　现代印刷已经有了精确的检验手段——密度计。印刷结果的变化不再只是用肉眼估计，而是用数字来表达。因而，在理论上讲，印刷工人有可能进行更精确的调节。但是，现代印刷机速度之快，使得等到一个偏差纠正过来，几百张纸已经印过去了。此外，这样的纠正只是根据对一张印张所测得的数值，但大家知道，两张连着印张的密度可能差别很大。因此，很可能作为纠正所依据的那张密度值同瞬间印出的其余印张的平均密度值有很大差别。印刷工人实际所需要的是能向他连续提供印张密度值的一套装置。此外，这套装置能减少印刷结果偶然偏差的影响，如果只取连续几张的平均密度值，其中印刷结果的偏差，有的可能只是偶然的。有了这样一套质量检验装置，印刷工人就能在印刷密度有超出规定的允许限度的危险时立即采取措施。这套装置就是IGT机上密度计，可进行联机质量检测。

　　2．结构简介。用IGT机上密度计，密度是在运转着的胶印机工联机测量的。每一印张在从最后一个印刷机组输向收纸堆的过程中各种密度都被记录下来。机上密度计由下列部分组成（图5－17）：带测量头的测量杆装在最后一个印刷机组和收纸部分之间。测量杆放在单张给纸多色胶印机的最后一个印刷机组的压印滚筒对面。



图5－17

1－带测量头的测量杆 2－控制单元 3－光电子脉冲发生器

4－空气压缩机 5－集中光源 6－微型计算机7－监控器 8－打印机

　　密度计在专用测量信号条上测量，测量杆的各个测量头正好与信号条的各测量表面相对应。测量信号条可放在印张的任何位置：叼口、拖梢或中间某个地方。光源发出的光通过测量头投射到信号条上；反射光射到测量头中的光学元件上。这个光学元件发出一个电信号给控制单元，控制单元又把信号传递给微型计算机，把该信号转化成密度并能以各种不同方式处理所测得的各种密度。这些过程的结果在监控器上显示出来。其中几个数字是：10到20印张的黄、品红、青和黑的平均密度；所测得的各个密度同确定的标准密度相比的偏差；显示密度增减趋向的数字。

　　如果需要，监控器上的数据可由打印机打印在纸上，对程序、标准值和指示数据等的改变可用操作台输入指令。

　　3.测量。测量信号条由四个色的实地和70％网点色块组成。测量部位的起码大小是在印刷方向6mm。信号条上各个部位都留有余地以备需要时可以再加测量头。测量是按照众所周知的反射测量原理进行的：光以45°角投射到要测量的表面，反射光确定为0°。光从两个相对的点投射到要测量的表面上。选用两条光束是为了减小印刷材料表面可能有的缺陷的影响。此外，印张掖悄在输纸过程中可能发生卷曲。如果在测量瞬间发生卷曲或光只来自一边，对光反射的影响就会失去控制。这种现象用从两个方向来的光可以得到部分补偿。

　　4．光电元件。传感器是一只硅光电元件，感蓝光性强。另一方面，这些元件对红外光也很敏感，但红外光被放在光路中的红外光滤色片挡住了。此光电元件是由电流激发的，因而电流与输入光强度成正比。在这种情况下，作为电流源的接口优于作为电压源的接口。这样，光电元件的反应更快（阶跃响应），受温度变化的影响较小。通过放大电路输出放大的电压信号，以此作为测量杆的输出信号。这个电压与被测量表面反射的光强度成正比。

　　5．集中光源。各测量头都接受来自一个集中光源的光。光从这个光源通过玻璃纤维导光管传到各测量头，光源采用卤素灯——一只美国通用电气公司生产的多镜面灯。石英灯泡和多镜面反射器结合。这种反射器的特点是可让红外光部分透过，而把其余的光聚焦成光束，光束的传递从这里开始。此多镜面灯的色温非常稳定，为3250K。色温在该灯使用寿命期间不会改变，这样更换新灯的色温会和旧灯一样。在灯的前面还装有一只吸收红外光的滤色片作为热滤色片。玻璃纤维导光管是斯科特公司生产的。一根导光管的直径是1mm，而玻璃纤维的直径是53μm。光谱有效电导相对稳定。因为玻璃纤维反射大部分的光，所以，光的大部分不会被导光管吸收。玻璃纤维导光管在要测量的印张面上要尽可能短。

　　6．压缩空气。压缩空气有两个作用。第一是保持印张和测量孔之间的距离不变。特别是在单张纸印刷机上，印张很易卷曲。通过测量头把压缩空气垂直地吹到纸上使纸平服。测量孔的四周磨成圆角使得气流能不受阻碍地吹出。

　　压缩空气的第二个作用是使测量头保持干净，纸屑、油墨和防粘脏粉都可能通过测量孔进入测量头并污染玻璃纤维的末端和光路。压缩空气吹过从测量头到测量孔的暗室，以及吹过一单独的气室直到导光管的各细微末端。在测量头中，压缩空气提供30～50KPa的气压。压缩空气的温度比环境温度约高10℃。当然，压缩空气本身必须是无尘的。为此目的，气管中放一组三只过滤器。第一只是粗过滤器，除去可能有的达3μm的油滴和水滴。第二只是小于μm的过滤器，吸掉几乎所有大于0.01μm的尘埃和把残留的油百万分比降到0．01。第三只是一只活性炭过滤器，把空气中大于0．01μm的微粒除净到99．999％，把残留的油百万分比降到0．005。空气经过这样的过滤就可以通过测量头了。

　　7．控制。图5－18为控制单元的示意图。为了不至于过分复杂化，只画了一个有四个测量头的操作单元。光通过各测量头连续射到印张上，印张再把光反射回来。每只测量头中的光电管发出一个细微电流给前置放大器2。



图5-18

　　从前置放大器中输出放大的电压信号。接着，这个信号送到取样保持放大器3，直到发出“保持”指示。于是，放大器把那个瞬间信号保持一会儿。当测量信号条正好摆到测量头下就发出“保持”信号。在保持指令期间，所有取样保持输出通过一只模拟开关7以极迅速的顺序连接到对数变换器11上。

　　对数变换器把电流强度变换成密度信号。通过阻抗变换器12把这些密度信号送到计算机13的模拟／数字变换器中。那么取样保持放大器怎样知道测量信号条正好摆在测量头的下方呢？为此目的，可以把一只光电子脉冲发生器4用机械办法接到单张纸胶印机的压印滚筒轴上。

　　从压印滚筒的圆周上某一不动的点来看，纸张每移动1mm，就发生一个脉冲。这些脉冲由电子计数6并同确定的值比较5。当脉冲数达到与确定的值一致时，计数器就发出一个信号，告诉整个系统，测量信号条现在位于正在通过的区域（粗同步）。测量杆中的同步头开始活跃并密切注视同步表面的通过，同步表面被记录在测量杯中。一俟这些表面处于同步头下面，同步头就发出保持指令（细同步）。

　　除距离脉冲外，脉冲发生器4通过多路调制器9也产生一个与纸张边缘相应的起始脉冲8。这既是计数器的起始信号，也是计算机的起始信号。

　　通过多路调制器的控制10，把表示各密度信号顺序14的另一个信号送给计算机。取样保持放大器平行地（同时）进行测量，但它们的信号却是系列地（一个接一个）送给计算机的。这样，计算机从控制单元收到三个信号：一个起始脉冲，一个表示各测量头的顺序数字脉冲和一个模拟密度信号。模拟密度信号还必须由模／数变换器转化成数字信号后才能被计算机处理。

　　这时所发生的程序是这样的：起始脉冲告诉计算机，在一定数目的脉冲之后一系列新的密度值将到达。每当数字信号的水平很高时，计算机就起动模／数变换器，并读出相应的测出值，这样，就能依次读取一张信号条上的所有的值。

　　8．处理。从模／数变换器来的信号必须由计算机变换成密度值。这个密度值应与用工业密度计指示的值一致。为此目的，机上密度计在使用前要用工业密度计校正。机上密度计的信号和工业密度计之间的关系储存在计算机的存储器中。这个关系不是线性的。此外，各个测量头的表现各不相同，每个测量头有一个单独的曲线，必须储存在计算机中。校正的步骤如下：每个色要用手动密度计测量许多密度逐步增高的表面，需注意的是这种密度计上不能用佩光滤色镜或窄带滤色镜。这些表面也要用机上密度计的每个测量失测过。在计算机的存储器中，每个测头的密度，和手动密度计一样，按照测量头相应的信号储存。

　　这样，计算机有许多点表示从机上密度计来的信号和从手动密度计来的密度值之间的关系。为简化起见，假设两个相邻点之间的曲线是线性的。这条线可用方程式表示：y＝ax＋b。常数a和b由计算机算出并储存。因此，曲线是由许多直线近似组成的。这个求近似值的方法在实践中能使密度偏差小于0．025。每个测量头的这些数据储存在计算机的只读存储器中，因此不能简单改变（图5－19）。



图5－19

　　如果机上密度计仍然指示正确数值，说明它控制正常。如果测量头污染了或有其它原因，在测出的值和用手动密度计测出的值之间就会出现偏差。在新的指令前或在新的指令期间，要进行校正。校正是在白纸上进行的。在集中光源前有一只滤色镜轮，上面装有密度逐步升高的4只滤色镜。相应指令发出后，就自动地用4只不同滤色镜通过所有的测量头对白纸进行测量。也就是说，用4种不同强度的光对白纸进行测量。如果出现偏差，计算机就算出一校正系数，用这个校正系数就能校正储存在只读存储器中的密度值。

　　9．任选功能。上面讲到的各种可能功能都是机上密度计的标准程序内容。如果需要，还可加上各种辅助装置。下面列举几例。

　　例如，允许误差控制还可加一块状态指示面板，面板上每个测量头都有5个发光二极管，从上往下，一个红，一个桔黄，一个绿，一个桔黄和一个红。当相应的测量头值在首批允许误差范围内时，绿灯亮。回到前面那个例子，在那种情况下，当整个表面密度在0．91和0．97之间时，测黄色测量头的绿灯则亮。当黄色的整个表面密度达到两个允许误差极限之间的一个值时，如果该值太低（也就是说，在0．91和0．88之间），下面的桔黄灯亮；如果该值太高在0．97和1．00之间，上面的桔黄灯亮；如果密度降到甚至低于允许误差极限0．88，下面的红灯亮；如果密度超过允许误差极限1．00，上面的红灯亮。所以，有了这块面板后，印刷工人一看就知道印张是否仍在允许误差范围内。

　　第二个供选用的功能是压印数记录。每印张都记录，而且区分达到允许密度前的印张（废页）和密度正确的印张。这样就能得到精确的合格印张数。

　　第三个供选用的功能是远距离通讯。可以把机上密度计测得的值联机传送给其它电子处理系统，如计算机。该功能对有集中质量管理部门的大印刷厂是很重要的。印刷机上有关印刷的信息的传送使质量管理部门能立即看到所达到的质量水平。

　　10．显示。所测得的密度可由机上密度计处理并在监控器上以各种方式显示出来。机上密度计的标准程序已经包含许多功能。此外还有其它各种任选功能，能够把每台机上密度计调节得适应各印刷厂的需要。

　　各测量头是分组开关的。一组最多有16个测量头和1个同步头。另一方面、一台机上密度计最多可以有8组，也就是说，总共可以有128个测量头。

　　这种分组结构可以把测量信号条分成几条较小的信号条。如果需要，可以把小信号条放在印张的不同部位，不一定非要排成一行，对每一印张用4组测量头进行测量。如果密度计的测量头不止4组的话，下一张就用另外4组。在轮转印刷中，由于高速印刷，每印张用2组，下一印张用另外2组，依次循环。对组的顺序的选择是完全自由的，因此，单张纸印刷机每一印张的最大测量数目是64，轮转印刷是32。

　　一般来说，这套装置产生的是平均值。由于高速印刷，如果各个单独的数值都要在监控器上显示出来的话，就会是一串连续不断变化的无法阅读的数字。可以在1至9000个测得的值的平均值中选择。这些平均值可以不同方式显示。

　　例如，包括2个组的一页的平均密度可以在监控器上显示。这种情况下，每页有每个色的4个测量头。对每页和每色来说，每个测量头的平均密度在监控器上显示。除这些平均密度外，也可以这种形式显示“趋势”。所谓“趋势”是每个测量头自前次测量后密度增减的平均值。同样，可以选择显示实际密度同确定的密度或目标密度之差。这种差别也按每色和每个测量头显示。在这种情况下，应确定两个允许误差极限，例如，黄色的第一允许误差极限为0．94±0．03D。那么，一俟平均密度达到低于0．91或高于0．97的数值，这个偏差就以闪烁的数字在监控器上显示出来。第H个允许误差极限是第一个的2倍，在这个例子中就是0．88到1．00D。如果黄色平均密度低于0．88或高于1．00，就会听到蜂音。

　　第二种显示方式是对每个色整个宽度显示。例如，顺印张的宽度放4页，每页每色覆上6个测量头，这就会显示4页每色6个测量头。同样，可以取出测得的密度值同确定的密度值之间的平均偏差或“趋势”。这套装置也可计算并显示K值。这是每一色和每一页的平均K值。网点增大值的计算是IGT型机上密度计的另一个功能。对每一色和每一页，这套装置按照马瑞－戴维斯法求网点增大的平均值，并把这些数值在监控器上显示出来。

　　最后是打印机。可以事先编好程序使每隔5000印张就打印一份那一瞬间的密度值。当然，感兴趣的是要在指令准备好时有一份关于印刷的总状况，所以，可以打印出每一页（2组）的平均密度、平均密度偏差和标准偏差。

二、图像缺陷检查装置

　　安装于单张纸胶印机上，用在线方式自动地进行印刷品检查的“印刷质量检查装置”是在印刷品印刷结束后，全数且全面地自动进行印刷品质量检查的装置。其检查性能不低于用肉眼在50～60cm距离进行检查的效果。它可以检查出从油污、背面蹭脏那样大的印刷缺陷到空白点那样微小的印刷缺陷以及套准偏移等质量缺陷。

　　从开始构想检查装置时起，人们就强烈希望，不仅能将其安装于单张纸胶印机上，而且也能安装于卷筒纸印刷机上使用。但实际上对卷筒纸印刷机而言，印刷物成帖即以折叠的方式输出为绝大部分，因而在后工序上的检查极其困难。假如能把印刷质量检查装置安装于卷筒纸印刷机上，高速且全数进行大批量印刷物检查，能大大减轻操作者的作业强度。

　　1．查出缺陷的原理。印刷质量检查装置查出缺陷的基本原理，可用图5－20的原理图说明。

　　①安装于印刷机内的“行照相机”摄人印刷物1行份的浓淡图像，把它变换为与浓淡程度相应的电信号。

　　②把1行份的浓淡信号分割为约500个，依次记忆于现在值存储器。印刷物每移动一定距离就摄入1行份的浓淡图像，从而把整个印刷物分割为方眼状的检查单位，记忆于“现在值存储器”。

　　③如开始印刷正品，则把“现在值存储器”内容，全部移至“基准值存储器”。

　　④其后由“比较判定电路”依次比较现在值存储器和基准值存储器的同一地址（印刷物图样的同一位置）的内容。如产生缺陷，则缺陷位置的现在值数据与基准值数据就会不同。计算两者的差即可判别有无缺陷。



图5－20

1－现在值存储器 2－基准值存储器3－比较判定电路 4－缺陷显示

　　⑤缺陷一被判定，灯泡、蜂鸣器、CRT显示器就做报警显示，同时使油墨喷射标志器工作，并使自动排出缺陷印刷物的排出机构工作。

　　2．机器的构成。印刷质量检查装置安置于卷筒纸印刷机时，在四色印刷结束并通过干燥器后、进入折页机前，需要用行照相机摄取印刷物两面的图样。图5－21表明安装了检查装置时的机器构成。

　　①行照相机。行照相机如图5－20所示，取印刷物左右方向1行份的图像，在能看见印刷物两面的两根导柱上设置2台行照相机。

　　行照相机的受光零件采用CCD元件（Charge Coupled Device）。CCD元件是固体摄像元件的一种，它具有残像少、畸变小、小型体轻、高分辨力、寿命长、耐冲击、耐振动等特征。由于行照相机使用512个像素的CCD元件，因此如用1台照相机可摄取印刷物的图样宽度方向约为2mm。行照相机的CCD元件可用最高20MHz的时钟脉冲，故印刷机的速度可对应至10m／s以上。



图5－21

1－行照相机 2－光源 3－同步装置4－照相机控制器 5－操作台 6－指示灯7－蜂鸣器 8－喷射标志器

　　②光源。与行照相机一样，在印刷物两面也设置2个光源。

　　根据行照相机的受光灵敏度、透镜的透射率、纸面的反射率等，计算所需的光源光通量较高时在印刷纸面上需要数万勒克斯的照度。因此本检查装置使用亮度高且最接近自然光发光特性的氛灯。氖灯安装于检查装置框架的外侧，通过光导纤维把光传导至印刷纸面。

　　③同步设置。在轮转印刷机旋转的同时，使用安装于导柱轴的旋转编码器的信号作为检测印刷品上下面的同步信号。检查导柱每转一周，旋转编码器产生1000个脉冲信号，行照相机取入1行份的图像。根据这种同步方法，一在纸面上取入约2．3mm宽的图像。即使印刷速度改变，印刷纸的同步位置也不偏移。

　　④操作台。使检查装置动作所需的一系列操作，都可在操作台上进行，其上设置CRT显示器和操作面板。用行照相机取进的印刷物的图像，用单色浓淡图表示，如发生缺陷，在图面上缺陷发生位置，做十字标记（“＋”重复显示），同时显示缺陷发生张数及程度。除此之外，在CRT画面上可显示操作程序单，边看CRT边可很容易地进行印刷纸面上印刷标记位置的输入、检查范围的输入以及检查容许范围的变更等。在操作面板上设置着向检查装置作各种输入、检查开始、停止的按钮及与它们相关税的状态显示灯泡。

　　⑤控制电路。控制电路也分别用两套，对操作台按钮、显示灯、CRT显示器进行控制，或对缺陷进行比较、判定演算以及缺陷发生时的输出显示等。

　　由控制电路进行检查的一系列处理，分别由16位微机的软件及由专用电路的硬件承担，从而实现高速处理。特别是判定缺陷有无的电路，由于表或里每一面图像的检查单位约有26万个，在轮转印刷机以最高速运转时，每一面需要200万次／秒的演算处理，因而使用32位并联处理的特殊高速演算电路。图5－22是32位并联处理的说明图。



图5－22

1－CCD行照相机 2－AGC电路 3－A／D转换器 4－速度修正 5－寄存器 6－运算电路
7－现在值存储器 8－基准值存储器 9－比较判定 10－定时控制器 11－同步装置
12－CPU13－显示控制器 14－监视器 15－其它外部输入输出

　　由行照相机输入的的图像信号，通过AGC（Auto Gain Control）电路，修正因印刷速度、照相机接受光通量不同引起的标准变化。其后用A／D转换器变换为8位数字信号。这些计算进行之后，数字信号通过FIFO（First In First Out）寄存器向4系统的专用演算电路分配。这4个系统的专用演算电路各自独立地进行比较判定，从而实现印刷机高速状态下的检查。这种并联处理由表面及里面各自的控制电路进行。检查装置对表里两面进行32位×2＝64位的并联处理。

[时间：2001-11-05  作者：刘世昌  来源：《印刷品质量质检测与控制》·第五章　印刷图像质量测控技术]