Для печати упаковки традиционно применяются рулонные машины: флексографские, высокой печати, офсетные, трафаретные. В отличие от машин полистной печати, контролировать качество во время приладки и печати тиража трудно, ведь материал при печати «с рулона на рулон» постоянно в движении, и простой визуальный контроль (тем более с помощью лупы) физически невозможен, даже если на выходе установлен модуль высечки или резки на листы. Хотя в последнем случае материал разделяется, и каждое изделие удаётся проконтролировать, время реакции часто недопустимо велико. Длина полотна, находящегося в машине от зоны печати до приёмного стапеля, может составлять десятки метров; скорость печати даже на приладке — десятки метров в минуту; стоимость некоторых материалов — до 1 долл. за погонный метр. Поэтому цена брака, запечатанного за время, пока печатник проверит оттиск, изменит настройки и увидит результат, может оказаться больше его месячной зарплаты.
При рулонной печати задача контроля стоит так: надо видеть оттиск во время движения полотна на рабочей скорости и, по возможности, сразу на выходе из последней печатной секции.
Контроль при печати с рулона на рулон
Самый простой способ, не требующий никаких приспособлений, — приладка на пониженной скорости. На скоростях 10-20 м/мин вполне можно рассмотреть приводочные метки и качество оттиска. Если не требуется точность приводки выше, чем 0,5-1 мм (например, при печати колбасной оболочки в один-два цвета), зачастую этим и ограничиваются. Но для всех видов печати характерно, что и приводка, и краскоперенос зависят от скорости: хорошая приладка на 10 м/мин не гарантирует, что при разгоне до 100 м/мин не получится брак.
Для контроля на высокой скорости применяются различные приспособления, делающие изображение неподвижным.
Механическое — вращающаяся призма, составленная из нескольких зеркал. При определённой скорости вращения призмы отражение полотна будет почти неподвижным. Работает на скоростях сотен метров в минуту, но не позволяет рассмотреть оттиск в деталях. Поэтому находит применение, в основном, в машинах газетной ротации или высококачественной печати как дополнение к современной системе видеоконтроля .
Стробоскоп — более распространённое средство. Поскольку человеческий глаз имеет большую инерционность, можно получить иллюзию неподвижного изображения, одномоментно освещая последовательные оттиски короткими вспышками. Как правило, стробоскоп выполняется в виде портативного прибора (иногда с автономным питанием) и не имеет синхронизации с машиной. Неподвижности картинки добиваются с помощью плавного регулятора частоты вспышек. Неудобство проявляется на малых скоростях: при частоте импульсов меньше 10 Гц глаз воспринимает их как отдельные вспышки, что сильно утомляет. А даже при маленькой длине оттиска (скажем, 30 см) и высокой скорости полотна (90 м/мин) частота вспышек должна быть не более 5 Гц. Тем не менее, стробоскопы — полезный инструмент. Переносной (рис. 1) удобен в качестве дополнения к более мощным системам контроля, поскольку с его помощью можно наблюдать за процессом печати в любом месте, даже между печатными секциями.
Системы видеоконтроля, ставшие в последние годы самыми массовыми. Состоят из видеокамеры, устройства обработки изображения и монитора. Условия для их широкого внедрения сложились в 90-х годах, когда с развитием электронных технологий цены на цветные видеокамеры, устройства обработки и мониторы опустились до приемлемого уровня. Очевидные преимущества: малогабаритный блок видеокамеры можно разместить там, где нужно; монитор поставить, где удобно; оперативно задать требуемое увеличение.
Построение и принцип действия
На рис. 2 показана функциональная схема типичной системы видеоконтроля в составе флексографской печатной машины. На основании сигналов от датчика синхронизации, блок управления формирует вспышки стробоскопа; изображение при каждой вспышке регистрируется цветной видеокамерой и передаётся в блок обработки сигнала, а оттуда на монитор. Блок управления выполняет роль интерфейса с печатником: с клавиатуры устанавливается увеличение, выбирается зона оттиска, задаются дополнительные параметры.
Благодаря большому увеличению, легко отслеживаются нарушения приводки в десятые доли миллиметра (рис. 3). Запоминание изображения между кадрами снимает проблему малых скоростей. Богатые возможности программной обработки помогают реализовать замысловатые вспомогательные функции. Но каждый узел имеет технические ограничения и особенности.
Осветитель
В подавляющем большинстве систем для подсветки изображения используется импульсная лампа небольшой мощности, с энергией вспышки 1—3 Дж. Исключительно короткая вспышка обеспечивает эффект «неподвижности» изображения, хотя время экспозиции каждого кадра видеокамеры — не более 20 мс. Но вспышка имеет конечную продолжительность — 10-50 мкс, причём, с выраженной фазой «затухания» (рис. 4). Поэтому на больших скоростях всё-таки возникает эффект «размазанного» изображения — точно так же, как при фотографировании быстро движущихся объектов.
Длительность вспышки тем короче, чем меньше её энергия. Поэтому для получения чётких изображений на максимальной скорости необходимо снижать мощность лампы, что требует применения видеокамер с более высокой чувствительностью. Это влечёт за собой ещё одну проблему, о которой часто забывают: высокочувствительная камера требует установки в месте, исключающем засветку от посторонних источников света. Если печатная машина смонтирована так, что на материал в зоне контроля попадает прямой свет от осветительных ламп (или, ещё хуже, солнечный свет из окна), могут возникать сильнейшие искажения цвета на мониторе.
Импульсным осветителям присущи два недостатка: нестабильность энергии вспышки, вызывающая мерцание изображения, и линейчатый спектр излучения, проявляющийся в сильных искажениях цветопередачи, не поддающихся коррекции. Избежать недостатков можно, используя подсветку неимпульсным источником с непрерывным спектром, например, лампой накаливания. Чувствительность и быстродействие современных видеокамер настолько высоки, что достаточно лампы вполне разумной мощности. Но системы с постоянным осветителем всё-таки пока существенно дороже импульсных.
С распространением специальных видов печати находят широкое применение иные варианты осветителей, например, для работы на просвет и УФ-импульсные для контроля положения лака и флюоресцирующих красок.
Оптический блок
Состоит из объектива и видеокамеры. Ведущие производители электронных компонентов освоили массовое производство недорогих и компактных интегрированных модулей. Управление фокусировкой и диафрагмой дистанционное, с помощью команд, подаваемых на микродвигатели.
Видеокамеры, как правило, построены на основе одной ПЗС-матрицы (в дорогих системах — на трёх) и формируют выходной аналоговый сигнал (в простейших системах — PAL*, в дорогих — RGB). Аналоговые сигналы подвержены помехам при передаче по длинным кабелям. Поскольку расстояние от камеры до блока обработки порой десятки метров, в некоторых системах для повышения помехозащищённости сигнал преобразуется в цифровую форму непосредственно в блоке видеокамеры.
Позиционирование
В «поле зрения» камеры, даже не при самом большом увеличении, попадает только часть оттиска. Важно, насколько удобно и точно действуют соответствующие функции управления.
Позиционирование поперёк полотна выполняется перемещением блока видеокамеры по штанге. На узкорулонных машинах он зачастую находится «под рукой» (рис. 2), что позволяет обойтись без дистанционного управления. Камера сдвигается вручную с помощью винтового штока или на полозьях. На больших машинах блок не столь доступен (рис. 6), и для его перемещения нужен электропривод с зубчатой рейкой или зубчатым ремнём (рис. 5). Поскольку печатник сразу видит результат на экране и может скорректировать ошибку, к точности позиционирования не предъявляется высоких требований. Но очень важно отсутствие люфтов в направляющих — даже небольшой перекос камеры нарушает фокусировку.
Позиционирование области просмотра вдоль полотна выполняется программно, за счёт изменения задержки относительно начала оттиска. Чтобы область просмотра не смещалась при изменении скорости, задержка должна быть постоянной не по времени, а в процентном отношении к длине оттиска. Для этого нужен набор опорных меток вдоль полотна. Простейший вариант — использование в их качестве зубьев шестерни формного цилиндра. В непосредственной близости от любой удобной шестерни, связанной с приводом цилиндров, устанавливается датчик Холла, выдающий импульс при прохождении каждого зуба. Далее в систему вводится количество зубьев формного цилиндра N, чтобы на каждый N-й импульс вырабатывался строб включения вспышки. Смещением строба по сетке импульсов получается сдвиг области просмотра относительно оттиска. Настройка дискретна, с шагом, равным шагу шестерни. Такой точности вполне достаточно.
Иногда привязка к шестерням невозможна. Например, если видеоконтроль устанавливается не на печатную машину, а на перемотчик. Шестерни либо отсутствуют, либо длина окружности цилиндра с шестернёй не совпадает с длиной оттиска. Тогда для формирования сетки опорных импульсов необходимо установить на один из ведущих валов энкодер (технически грамотное русское название — «угловой формирователь импульсов»).
Кроме сетки, связанной с движением полотна, нужны стартовые импульсы, привязанные к началу изображения каждого оттиска. Их получают с помощью оптического (ИК) датчика, работающего на просвет. Естественно, стартовые импульсы корректно формируются только при контроле изображения, имеющего хотя бы один контрастный элемент с чёткой границей. Лучше всего система работает на материалах типа самоклеящейся бумаги после высечки с удалением облоя (рис. 7).
Поскольку длина оттиска не обязана всегда быть кратной шагу энкодера, положение оттиска под камерой в момент вспышки может немного меняться от кадра к кадру (рис. 8). Но количество импульсов на один оборот энкодера — обычно несколько тысяч, поэтому небольшое подрагивание изображения не мешает контролю оттисков даже при максимальном увеличении.
Управление
Даже «спартанский» набор функций управления требует как минимум десятка кнопок: перемещение вдоль и поперёк полотна, увеличение/уменьшение, фокусировка, ввод числа зубьев шестерни. На простейших системах управление идёт с помощью плёночной или кнопочной клавиатуры, порой размещаемой на самом блоке видеокамеры (рис. 2). Более распространённые варианты — на системном блоке или в виде отдельного выносного пульта, крепимого в удобном месте (рис. 9). В дорогих системах контроля иногда применяется инфракрасный пульт дистанционного управления (как в телевизоре). Это, конечно, удобно, но есть опасность, что его потеряют или попросту украдут.
Некоторые производители наращивают дополнительные функции, потенциально выглядящие полезными. Например, интересно запоминание «образцового» оттиска и вывод на экран в соседних окнах эталона и текущего изображения, что позволяет следить за однородностью печати тиража. Удобно сканирование — постепенное автоматическое перемещение зоны обзора вдоль или поперёк полотна, позволяющее печатнику вовремя заметить появление локальных дефектов печати. Всё более популярна автоприводка цветов оттиска под управлением системы видеоконтроля. Спорно, насколько это оправданно: для нормальной работы требуется контролировать разные участки оттиска, а не только спецметки для автоприводки, на которые нацеливается камера.
Изобилие дополнительных функций приводит к тому, что для управления приходится использовать мощные устройства ввода — например, отдельный монитор с сенсорным экраном. Остаётся лишь ответить на вопрос: где взять печатника, который будет применять это богатство?..
Системный блок
Большинство производителей строит системные блоки на базе стандартных компьютерных платформ. Это относится и к «железу», и к ПО. Высокая производительность современных процессоров позволяет качественно и быстро обработать видеосигнал; развитые средства программирования и проверенные операционные системы (ОС) — соз-дать богатый набор функций с удобным управлением; доступность комплектующих упрощает ремонт.
Но есть и ложки дёгтя. За высокую производительность приходится платить высоким энергопотреблением процессора; электричества не жалко, но для охлаждения нужно ставить вентиляторы и обеспечивать воздухообмен. На рис. 10 — системный блок, проработавший в нормальных типографских условиях всего три года… Во-вторых, стандартные компьютерные комплектующие устаревают за год-два, и выход из строя процессора или специальной интерфейсной платы может повлечь замену всего блока вместе с софтом. В-третьих, любая серьёзная ОС имеет множество «глюков», о чём свидетельствуют их еженедельные обновления и сервисные пакеты.
Неудивительно, что некоторые производители идут более сложным путём, создавая блоки управления на базе специализированных микросхем с низкоуровневым программированием. Набор функций и технические характеристики получаются, конечно, скромнее, но зато устройство — практически вечное.
Монитор
Все производители используют в качестве устройства отображения стандартные компьютерные мониторы с аналоговым входом. Технические требования к монитору невысоки, поскольку разрешение — не выше 640x480 точек. Хотя поставщики и предлагают в составе систем конкретные марки, в конечном счёте, дело пользователя — заказать японский бренд или дешёвое тайваньское изделие. На результат это не влияет.
Системы инспекции полотна
Контроль качества печати иногда выполняют не на печатной машине, а, например, во время перемотки или продольной резки рулона. При некоторых видах работ (дорогостоящие материалы, ценные бумаги, акцизные марки, иные ответственные заказы) делают двойную проверку: во время печати и готовой продукции. Для этого созданы специальные машины — системы инспекции полотна (web inspection system).
Отличие от систем видеоконтроля в том, что производится не выборочная съёмка, а полное сканирование полотна и автоматическое сопоставление каждого оттиска с эталоном. Естественно, вычислительные мощности блока обработки сигнала на несколько порядков выше, чем в системе видеоконтроля. В некоторых случаях для быстродействия устанавливается сеть из нескольких блоков.
Поскольку анализ изображения производит не оператор, а машина, высокая разрешающая способность важнее, чем цветовые характеристики. В системах инспекции чаще используются ч/б, а не цветные камеры.
Оператор может задать пороговое отклонение от эталона в соответствии с заданным уровнем качества, чтобы система сообщала либо о каждой марашке диаметром в десятые доли миллиметра, либо только о больших пятнах грязи и провалах плотности краски. Возможен автоматический контроль читаемости штрих-кода на каждой этикетке. При обнаружении брака машина останавливает полотно так, что дефектный участок оказывается перед оператором на монтажном столе. Можно вырезать бракованный фрагмент, склеить полотно и продолжить контроль.
В технологических процессах со сквозной автоматизацией (от печати до использования этикеток) находят применение системы инспекции, не останавливающие полотно при выявлении брака, а наносящие на дефектное изделие специальную метку. Метка считывается следующим устройством (например, линией наклейки этикеток), и бракованная этикетка просто пропускается.
Резюме
Системы контроля печати постоянно совершенствуются. Развитие электронных технологий и элементной базы их удешевляет и делает доступными всё новые функции. Не исключено, что через несколько лет системы полного автоматического контроля оттисков будут входить в стандартную комплектацию печатных машин, а обратная связь по управлению приводками и натиском станет такой же привычной, как сегодня их дистанционное регулирование.
Дмитрий Ширенов (info@tipograf.ru), исполнительный директор «Варио-Сервис», Анатолий Агафонов (info@tipograf.ru), начальник отдела флексографского оборудования компании.
* Камеры с PAL используются только в простом оборудовании. Средний и дорогой сегмент рынка всегда работает с RGB-выходом, причём, на наиболее дорогих используют трёхматричные ПЗС-камеры. Часть устройств послепечатной инспекции работает с ч/б камерами (у них до 10 раз выше разрешающая способность) — автоматический контроль читаемости штрих-кода или взаимного расположения меток
* В статье использованы фотографии устройств ряда производителей. Это не означает, что авторы считают их устройства лучшими. Выбор продиктован наглядностью иллюстраций и доступностью информации.
