陳錦華，何邦貴，段正紅，金琨，張呂良，夏家良，王琪

提高鐳射光柱卡紙色標光檢測信號識別精度研究

陳錦華1，何邦貴1，段正紅2，金琨2，張呂良2，夏家良3，王琪3

（1.昆明理工大學 機電工程學院，昆明 650500；2.大理美登印務(wù)有限公司，云南 大理 671000； 3.云南九九彩印有限公司，昆明 650000）

針對凹版印刷以鐳射光柱紙作為承印物，鐳射光柱對色標檢測傳感器產(chǎn)生干擾，致使鐳射光柱紙不能使用傳統(tǒng)套印工藝進行印刷，提出一種可直接在鐳射光柱區(qū)域直接印刷套準色標的新工藝與技術(shù)方案。對色標傳檢測感器檢測原理進行分析，分析鐳射光柱紙的特點以及對色標傳感器造成的干擾。根據(jù)鐳射光柱光譜反射率曲線來進行濾光鏡片的選取，同時也加入衰減鏡片以及消光膜進行組合實驗測量電壓，實驗使用松德凹印機組進行。以白卡紙?zhí)子‰妷鹤鳛閰⒖迹x取不同鏡片組合進行生產(chǎn)打樣。鏡片組合可以濾除鐳射光柱，色標傳感器能準確檢測色標光信號，上機打樣滿足高精度多色套印，且不需要復雜的鏤空、遮蓋工藝，節(jié)省了一組色序，并節(jié)省了2%的承印物原材料。對色標檢測傳感器檢測原理的分析以及對鐳射光柱紙的光譜反射率曲線的測量，實現(xiàn)了使用濾光鏡片組合對鐳射光柱的濾除，證明了套準標記可直接印刷在鐳射光柱區(qū)域的可行性。同時，提高了承印物的利用率，減低了油墨使用量。

鐳射光柱紙；色標檢測傳感器；套印色標；濾光鏡片

電子無主軸傳動技術(shù)在凹印套印控制系統(tǒng)中具有廣泛應(yīng)用，該技術(shù)具有響應(yīng)迅速快、套印精度高、套準時間短、占地面積小[1-2]等優(yōu)點。為了提高印刷效率，在無軸傳動的基礎(chǔ)上，不停機收放卷技術(shù)也隨之出現(xiàn)，彌補了因手動換卷造成而出現(xiàn)的大量時間浪費，提高產(chǎn)能[3]，可根據(jù)印后工藝加工要求還可以加入燙金、模切、紫外線油墨印刷工藝以及二維碼在線噴印工藝等功能[4]。其中，套印精度高和時間短主要得益于凹印機組的套印控制系統(tǒng)[5]，每個套印控制系統(tǒng)單獨控制一個色組，在印刷完前一色序后，后一色序套準標記先通過色標檢測傳感器，檢測到的信號送入套印系統(tǒng)，套印系統(tǒng)處理后發(fā)出補償信號，控制印輥縱向電機保證印刷線速度與上一色序一致，橫向電機接收到補償信號后，帶動絲桿調(diào)整印輥的軸向位置，最終滿足生產(chǎn)要求。蔣恩松等[6]提到套印誤差主要由色變檢測傳感器發(fā)出調(diào)制光，再根據(jù)反射光強弱來判斷。王良等[7]提到色標檢測傳感器廣泛應(yīng)用于印刷、食品、造紙以及紡織業(yè)中，可對印刷在某種背景色中的色標進行檢測。葉子解等[8]提到檢測套印色標與色標檢測傳感器發(fā)出光的波長、入射角度以及功率有光，承印物本身以及套印色標反射光強不同來分別判斷。色標檢測傳感器是凹印套印的基礎(chǔ)，套印色標能否被精確識別直接影響印品成品率[9]。在傳統(tǒng)卷煙包裝印刷中，承印物大多數(shù)為白卡紙，色標檢測傳感器能精確識別印刷在白色背景上的套準色標。目前，隨著環(huán)保意識的提高以及防偽性能的要求，鐳射光柱卡紙成為了大多數(shù)卷煙包裝的選擇，但由于鐳射光柱對色標檢測傳感器的影響使得套印色標無法被精確檢測，最終無法套印導致廢品率上升。王宏偉等[10]提到使用帶有銀邊為15～20 mm的鐳射光柱紙進行凹印套印，但銀邊占整個印刷品的2.00%～2.78%，增加了原材料浪費。在鐳射光柱紙研究中，黃敏等[11]使用3D激光共聚焦顯微鏡放大3 000倍，可知鐳射光柱紙彩虹效果是由于其衍射光柵周期性結(jié)構(gòu)所導致。Nadal等[12]提到鐳射光柱紙表面鍍有一層珠光涂層材料，該層形成的衍射光柵結(jié)構(gòu)導致鐳射光柱產(chǎn)生。陳錦華等[13]提出利用模切位置進行套印色標的印刷，并以基準色塊作為第一色，對鐳射光柱進行覆蓋，套印色標需要經(jīng)過遮蓋、鏤空來體現(xiàn)，增加工藝難度，且需要單獨一組色序作為基準色塊，對于色序組數(shù)較少的凹印機組難以實現(xiàn)。

結(jié)合上述研究現(xiàn)狀和成果可知，不僅對凹印套印系統(tǒng)和色標檢測傳感器進行了大量的研究，也對鐳射光柱紙表面彩虹效果進行研究，但對使用濾色鏡片進行鐳射光柱的濾除沒有可以參考的文獻以及方法。在目前研究成的基礎(chǔ)上，通過對鐳射光柱紙光譜測量，根據(jù)光譜分布區(qū)間來選擇合適的濾光鏡片，然后配合不同的衰減鏡片以及消光膜。把套準標記位置移動至鐳射光柱區(qū)域，通過實驗選擇出合適的鏡片組合對鐳射光柱進行濾除，避免色標檢測傳感器產(chǎn)生干擾，提高承印物利用率，降低原材料消耗。

1 凹印套印檢測原理分析

凹印在煙標印刷中占主要地位，套準色標形狀以楔形套印色標為主，規(guī)格一般是一頭寬為1 mm、另外一頭寬為4 mm、長為10 mm、間距為20 mm。由于在橫向位置寬度不一樣，不僅能用在縱向進行套印，也能在橫向進行套印。色標檢測傳感器有2個光電眼檢測原理，如圖1所示，套印色標反射，由透鏡聚集的光源，經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后輸出脈沖信號，兩光路原理一致，兩光路鏡頭相距約為20 mm。偏差檢測時：以前一色序的套印色標為基準，當后一色序的套印色標經(jīng)過時，兩路光電檢測系統(tǒng)同時產(chǎn)生兩色標脈沖信號[14]。1、2距離小于20 mm時，前一色序滯后于后一色序；1、2距離大于20 mm時，前一色序超前于后一色序；1、2距等于20 mm時，前一色與后一色序滿足凹印套印要求。

圖1 雙光電眼檢測原理

色標檢測傳感器信號輸出如圖2所示，色標檢測光電傳感器以第1色的套印色標1作為基準。其產(chǎn)生的脈沖信號為主脈沖，檢測第2色時，該套印色標所產(chǎn)生的脈沖信號為副脈沖2，主副脈沖之間的時間差?1?2。當縱向套印出現(xiàn)誤差時，印刷品圖文縱向會發(fā)生重疊，?值發(fā)生變化與預(yù)先設(shè)置的值不一致，如果2超前或者滯后，則表明存在套印誤差，時間差?越大，套印誤差越大。當橫向套印出現(xiàn)誤差時，橫向發(fā)生變化，橫向誤差通過檢測套印色標中的1和2對應(yīng)輸出脈沖寬度來計算承印物位置，當1等于2時，套印準確。當1不等于2時，印刷品圖文橫向會發(fā)生重疊[15-16]。

圖2 凹印套印色標波形示意圖

色標檢測傳感器在檢測鐳射光柱紙時，信號輸出如圖3所示，色標檢測光電傳感器以第一色的套印色標1作為基準，在檢測2時，會受到鐳射光柱紙的影響產(chǎn)生雜波，使得在凹印套印過程中出現(xiàn)誤判?難以恒定，難以滿足套印要求，產(chǎn)生大量廢品。

圖3 鐳射光柱紙?zhí)诇市盘柌ㄐ问疽鈭D

2 鐳射光柱紙光譜測量與鏡片選擇

2.1 光譜測量

鐳射光柱是由每毫米中有幾千條干涉條紋的激光全息所產(chǎn)生，衍射能力非常強，條紋周期約為1 μm，光柵方程見式（1）。

式中：為光柵周期；和分別為光線的入射角和衍射角，如圖4所示；為衍射級數(shù)；為波長[17]。鐳射光柱紙由于光柵衍射原因，在不同角度進行觀察會呈現(xiàn)出彩虹光帶效果，如圖5所示，這樣不遵循一般光反射的特性。在凹印機組進行印刷時，色標檢測傳感接收到鐳射光柱紙衍射光信號，使得套印信號混亂且無法準確識別套印色標，進而導致凹印套印系統(tǒng)難以發(fā)出補償信號，直接在鐳射光柱區(qū)域印刷套印色標就變得難以實現(xiàn)。

使用一張未印刷大小為755 mm×755 mm規(guī)格的鐳射光柱紙進行測量，沿方向，以150 mm為間隔進行測量，一共測量5個點，沿方向，以70 mm為間隔進行測量，一共測量9個點，光柱鐳射紙放大30倍的觀測圖，如圖6所示。

圖4 反射光柵光路

圖5 鐳射光柱紙

圖6 鐳射光柱紙光柵條紋

在印刷時，鐳射光柱紙的運動方向是沿方向，并垂直于鐳射光柱方向相進行印刷，且色標檢測傳感器垂直照射于承印物之上。選用Xrite SpectroEye分光光度計對鐳射光柱進行光譜信息測量，如圖7所示，滿足印刷條件，故分光光度計應(yīng)在0°接收衍射光。從儀器采集到的光譜反射圖可知，接收波長為380～730 nm、380～430 nm時衍射光反射率下降，430～580 nm的衍射光反射率最低約為20%，580 nm后開始上升，最高可達到130%左右。

圖7 分光光度計

衍射光主波長探測到的光譜從560 nm開始上升，在波長為650～700 nm時達到峰值，在采集儀器顯示的數(shù)據(jù)中，部分數(shù)據(jù)光譜能量超過100%，這是由于設(shè)備接受到的能量由反射光譜和衍射光譜能量組成，如圖8所示。雖然光譜能量會隨采樣位置的變化而有所不同，但總體差異較小。

圖8 光譜能量信息

2.2 濾光鏡片選擇

從上述可知，濾光鏡片選用截止濾光鏡片，可以讓指定的某一段范圍中的光束透過，對不在這一范圍內(nèi)的光束產(chǎn)生抑制。抑制短波光束的濾光片稱為長波通濾光片，相反，則稱為短波通濾光片[18]。使用表1中實驗材料，短波通濾光鏡片的中心波長分別為500、550、600 nm，中性密度濾光片的衰減率分別為30%、40%、50%和60%，如圖9所示，進行組合，其中一組使用消光膜，另外一組不使用消光膜。首先，使用0%的消光膜與3種濾光片以及不同參數(shù)的衰減鏡片進行組合使用，然后是使用25%的消光膜與3種濾光片以及不同參數(shù)的衰減鏡片進行組合使用。

表1 500 nm濾光鏡片有消光膜電壓測量

Tab.1 Voltage measurement of 500 nm filter lenses with extinction film V

圖9 不同鏡片

3 實驗與分析

3.1 電壓測量

首先，對松德凹印機組上的色標傳感器尺寸進行測量，設(shè)計打印鏡架安裝鏡片。一個完整的濾光設(shè)備由架子、衰減片、濾光鏡片和消光膜共4個部分組成，如圖10所示。凹印機組光色標檢測傳感器的信號輸出必須要查閱其說明手冊，在其“COLORCON UNIT BOX”部分找到信號輸出的接線端子，位于“JUNCTION BOX”盒子中，盒子的工作電壓為12 V，盒子內(nèi)有T1、T2、12 V+等3個接線端子，把示波器接到T1與12 V+等2個端子上進行信號讀取，進行電壓信號的讀取。

圖10 鏡片安裝示意圖

3種濾光鏡片與消光膜組合，一組帶有消光膜，一組不帶消光膜，共6組。將已有的6個組分別與4種中性衰減鏡片進行組合，安裝在凹印機色標檢測光電傳感器上進行實驗。使用中心波長為500、550和600 nm的濾光鏡片分別與4種衰減鏡片進行組合實驗。

先對有消光膜組進行實驗，表1中選用500 nm濾光鏡片，不使用衰減鏡片，紅色、棕色和黑色油墨電壓值較高，電壓值為3.0～3.5 V；其次是白色油墨，電壓值為2.0～2.5 V，黃色油墨電壓值最小，為1.5～2.0 V。使用衰減率分別為30%、40%、50%、60%的衰減鏡片，5種顏色的電壓均在減小。使用550 nm的濾光鏡片后（表2），在未使用衰減鏡片時，紅色、棕色和黑色油墨電壓值較高，電壓值為6.0～7.0 V；白色油墨的電壓值為5.0～6.0 V，黃色油墨電壓值為4.0～5.0 V，電壓值明顯高于表1中的電壓值，但加裝衰減鏡片之后，電壓降低程度大于表2中的電壓。使用600 nm的濾光鏡片后（表3），不使用衰減鏡片的電壓值在3組實驗中最高，加裝衰減鏡片后電壓值下降幅度最大。

表2 550 nm濾光鏡片有消光膜電壓測量

Tab.2 Voltage measurement of 550 nm filter lenses with extinction film V

表3 600 nm濾光鏡片有消光膜電壓測量

Tab.3 Voltage measurement of 600 nm filter lenses with extinction film V

對不帶消光膜的鏡片組進行實驗，實驗順序與上述實驗相同。3種濾色片與4種衰減片進行組合，得到的結(jié)果見表4—6。首先，對500 nm濾光鏡片進行實驗，不帶消光膜的電壓數(shù)據(jù)要明顯高于帶有消光膜的實驗組，同樣紅色、棕色和黑色油墨的電壓值較高，白色的電壓值其次，黃色的電壓值最低。然后，分別使用550 nm與600 nm濾光鏡片進行實驗，同樣在使用衰減鏡片后，各個顏色油墨的電壓值迅速降低。3組不帶消光膜的電壓值均高于3組帶消光膜的電壓值。

表4 500 nm濾光鏡片無消光膜電壓測量

Tab.4 Voltage measurement of 500 nm filter lenses without extinction film V

表5 550 nm濾光鏡片無消光膜電壓測量

Tab.5 Voltage measurement of 550 nm filter lenses without extinction film

表6 600 nm濾光鏡片無消光膜電壓測量

Tab.6 Voltage measurement of 600 nm filter lenses without extinction film

由上述實驗可知，5種不同顏色的油墨，其中黃色油墨在5種顏色中電壓值最小，因此保證黃色能夠被準確識別非常重要。使用白卡紙進行套印時，電壓值為1～4 V能保證套印色標能夠被準確識別。因此，根據(jù)白卡紙的套準電壓來挑選出黃色油墨電壓為1～4 V的實驗組，并在凹印上進行后續(xù)的生產(chǎn)實驗。

3.2 上機實驗

在使用白卡紙進行凹版印刷時，色標傳感器檢測到色標，且能正常識別的電壓區(qū)間為1～4 V。從3.1節(jié)實驗中找出滿足該電壓需求的鏡片配合方案，分別如下：

1）在帶有消光膜的前提下，使用500 nm濾光鏡片，所有油墨色組不需要衰減鏡片；使用550 nm濾光鏡片，所有油墨色組均需要安裝30%的衰減鏡片；使用600 nm濾光鏡片，白色油墨色組需要安裝30%的衰減鏡片，黃色和紅色油墨色組需要安裝30%的衰減鏡片，棕色和黑色油墨色組需要安裝40%的衰減鏡片。

2）在不帶有消光膜的前提下，使用500 nm濾光鏡片，白色油墨色組需要配合30%的衰減鏡片使用，黃色油墨色組不需要衰減鏡片，紅色油墨需要配合40%的衰減鏡片使用，棕色和黑色油墨不需要配合衰減鏡片使用；使用550 nm濾光鏡片，所有油墨色組均需要配合30%的衰減鏡片使用；使用600 nm濾光鏡片與使用550 nm濾光鏡片的情況相同。

主要設(shè)備及材料：凹印機采用松德（SAY820C8）凹印機組；紙張采用225 g/m2×735 mm的無銀邊鐳射光柱紙。

使用在鐳射光柱區(qū)域進行套印色標印刷的印版，按照上述鏡片配合進行上機實驗。首先觀察松德凹印機組上位機中顯示的套準信號，鐳射光柱是否還會對色標檢測傳感器產(chǎn)生影響而出現(xiàn)雜亂的脈沖波形信號；再查看印品套印精度是否滿足該產(chǎn)品的生產(chǎn)需要。通過加裝濾光鏡片、衰減鏡片以及消光膜，可過濾鐳射光柱，杜絕其對色標檢測傳感器的影響，套印色標能被準確識別，滿足高精度多色套印影響。

為進一步驗證光柱鐳射紙取消銀邊工藝的效果，使用無銀邊鐳射光柱紙進行20個月的上機實驗，并統(tǒng)計出各類去除銀邊光柱鐳射紙使用情況，見表8。

表7 去除銀邊光柱鐳射紙使用情況

Tab.7 Use of silver-edge removed laser paper

在使用濾色鏡片工藝下，也實現(xiàn)了不需要銀邊進行生產(chǎn)，不僅減少了整個紙張的2.00%的浪費，且減少了一個序油墨的使用，未使用新工藝前每卷紙使用0.3 kg油墨，使用新工藝實現(xiàn)第1色序油墨的全部節(jié)省，每16卷紙節(jié)約人工0.5 h。同時，去除銀邊后，承印物兩側(cè)都能進行套印色標印刷，故不需要區(qū)分銀邊的位置，增加了鐳射光柱紙對凹印機的通用性?？偣补?jié)省紙張約14 420 kg、節(jié)省人工24.5 h、節(jié)省油墨235.5 kg。實驗成品見圖11。

圖11 印刷套準色標

4 結(jié)語

相較前文中提到使用印刷基準色塊作為第1色序，對紙張鐳射光柱進行光電信號掩蓋，使用濾光鏡片輔助印刷工藝，能完全節(jié)省1個色序印刷單元組，也不需要復雜的色序組之間的相互鏤空、遮蓋工藝來提供套印色標。同時，節(jié)約每批次印刷工序的第1色序調(diào)墨、安裝刮墨刀、安裝供墨車及輔助裝置的操作工勞務(wù)時間。不考慮油墨對鐳射光的遮擋效果，以及凹印機組的色組數(shù)不足造導致無法滿足生產(chǎn)色組數(shù)的問題。通過20個月的上機實驗，實現(xiàn)了在凹印印刷紙張鐳射光柱區(qū)域進行套印標記印刷，降低了承印物卷筒紙的消耗約14 420 kg，徹底節(jié)省油墨約235.5 kg，節(jié)省了1個色序的調(diào)墨和安裝印版的時間，且新工藝也可在其他凹印印刷品牌類似印品中進行推廣使用。

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Improvement of Identification Accuracy of Color Label Light Detection Signal in Laser Column Paperboard

CHEN Jin-hua1, HE Bang-gui1, DUAN Zheng-hong2, JIN Kun2, ZHANG Lyu-liang2, XIA Jia-liang3, WANG Qi3

(1. Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500, China; 2. Dali Meideng Printing Co., Ltd., Yunnan Dali 671000, China; 3.Yunnan Jiujiu Color Printing Co., Ltd., Kunming 650000, China)

In the gravure printing with laser column paper as the printing material, the laser column interferes with the color label detection sensor, causing the laser column paper unable to be printed by the traditional overprinting process. Therefore, the work aims to propose a new process and technology solution to print the registration color label directly in the laser column area. The detection principle of the color label sensor was analyzed, and the characteristics of the laser column paper and the interference caused to the color label sensor were analyzed. The filter lenses were selected based on the spectral reflectance graph of the laser column, and the attenuating lenses and extinction films were also combined for the experimental measurement of voltage, which was carried out by the Songde gravure printing machine set. Different combinations of lenses were selected for production proofing with the ivory board overprint voltage as a reference. The combined lenses could filter out the laser column, the color label sensor could accurately detect the color light signal, and the onboard proofing met the high precision multi-color overprinting. In addition, complicated hollowing and masking process were not required, which saved a set of color sequence and 2% of printing raw materials. The analysis on the detection principle of the color label detection sensor and the measurement of the spectral reflectance curve of the laser column paper enable the filtering of the laser column by a combination of filter lenses and demonstrate the feasibility of printing the registration label directly in the laser column area. At the same time, the utilization of printing materials is improved and the amount of ink used is reduced.

laser column paper; color label detection sensor; set color label; filter lens

TS835

A

1001-3563(2023)09-0275-07

10.19554/j.cnki.1001-3563.2023.09.033

2022?08?21

云南省科技計劃項目（2019DC005）；云南九九彩印有限公司合作項目（649320200029）；大理美登印務(wù)有限公司合作項目（2022K0004A）

陳錦華（1993—），男，碩士生，主攻機械創(chuàng)新設(shè)計與制造。

何邦貴（1963—），男，教授，主要研究方向為機械創(chuàng)新設(shè)計與制造、包裝印刷新材料等。

責任編輯：曾鈺嬋