一种电子轴凹印机稳速印刷过程中的套色控制方法及系统与流程

本发明涉及一种电子轴凹印机低速印刷过程中的套色控制方法及系统，属于印刷控制领域。

背景技术

在电子轴凹印机印刷过程中，需印制的复杂图案被分解为若干简单图案分别刻制在印刷版辊上，进行印刷时，承印材料通过进料部分依序通过各印刷单元，各印刷单元将相应的简单图案印制在承印材料上，最后得到复杂的印制图案。在印刷过程中存在各单元间相应印刷图案的准确定位问题，也就是套色误差的问题。套色的准确性对产品质量的影响至关重要，因此，当印刷过程中存在印刷图案间相对位置出现偏差时，需采用控制方法减小或者消除这种位置偏差，即套色误差。鉴于套色精度对产品质量的影响，快速减小或者消除套色误差的控制方法变得尤为重要。

套色控制是一个十分复杂的技术问题，对于不同的印刷方式，套色控制的方法也不径相同。传统的套色控制方法是基于系统数学模型的前馈解耦模糊控制，但受限于高阶方程的离散化处理，因此不能对系统进行完全解耦控制。所以这种控制方式在完全解除系统内各色组间耦合方面并不能达到完全解耦的控制效果。

技术实现要素：

为了解决现有套色控制技术不能对系统进行完全解耦控制的技术问题，本发明提供一种电子轴凹印机稳速印刷过程中的套色控制方法及系统，提高了现有技术中稳速印刷过程中的响应速度慢和套色精度不高的技术问题；消除在稳速印刷时，前序印刷单元中的扰动对后续印刷单元误差的耦合影响，提高了系统的响应速度和套色精度。

本发明套色控制方法所采用的技术方案如下：一种电子轴凹印机稳速印刷过程中的套色控制方法，包括以下步骤：

s1、将印刷材料经电子轴凹印机的放卷进料部分送进第1色组；所述印刷材料经第1色组印刷、烘干后，依次送进其余色组进行印刷和烘干；

s2、第2色组的误差检测系统判断第2色组和第1色组是否存在套色误差，若存在，则第2色组的控制单元计算出第2色组和第1色组的套色误差值，采用解耦方法，根据所述套色误差值计算得到第2色组印刷版辊角速度变化量，并向电子轴凹印机的伺服电机发送控制指令；所述伺服电机根据所述控制指令调整第2色组印刷版辊的角速度，直至消除第2色组与第1色组之间的套色误差；

s3、各后续色组的误差检测系统判断该色组与第1色组之间是否存在套色误差，若存在，则依上述第2色组的套色误差消除方法，消除该色组与第1色组之间的套色误差。

在优选的技术方案中，步骤s2中，套色误差与印刷版辊角速度变化量的数学模型为：

其中ei(s)表示色组i的印刷结果与色组1的印刷结果之间的套色误差，即绝对误差；wi(s)为第i色组印刷版辊角速度变化量，即第i色组的控制量；gi(s)表示各色组的控制量与该色组误差的传递函数；hij(s)表示第j色组的控制量对第i色组的影响关系；t^*为相邻色组之间不存在套色误差的情况下，相邻色组间的张力；w^*为相邻色组之间不存在套色误差的情况下，各版辊的相同转动角速度；k表示印刷材料的张力系数，为常量；li为第i色组与第i+1色组之间的穿料长度；r为各个印刷版辊的半径；ai、bi为变量，与印刷系统的实际运行参数有关；c为常数，由印刷系统的物理参数决定。

在优选的技术方案中，步骤s2中，解耦方法为完全解耦控制方法；采用完全解耦模糊控制方法进行解耦控制时，完全解耦补偿量的表达式为：

gfij(s)表示用以解除第j色组对第i色组所产生影响的完全解耦模糊控制器的传递函数，δwjpd(s)表示第j色组的控制单元的模糊控制量；w^*为相邻色组之间不存在套色误差的情况下，各版辊的相同转动角速度；li为第i色组与第i+1色组之间的穿料长度；r为各个印刷版辊的半径；ai为变量，与印刷系统的实际运行参数有关。

本发明套色控制系统所采用的技术方案如下：一种电子轴凹印机稳速印刷过程中的套色控制系统，电子轴凹印机包括4个以上色组，电子轴凹印机的每个色组均安装有套色控制系统；所述套色控制系统包括传感装置和控制器，其中传感装置用于检测套色误差，并将套色误差发送给控制器；控制器用于存储套色误差和控制量的数学模型，并根据所接收到的套色误差，计算出控制量，并以控制指令的方式发送到电子轴凹印机的伺服电机，以调节色组印刷版辊角速度；其中，所述控制量为色组印刷版辊角速度变化量。

与现有技术相比，本发明取得的有益效果包括：

本发明的电子轴凹印机稳速印刷过程中的套色控制方法在模糊控制的基础上，引入完全解耦，对于各相邻色组间的穿料长度不同情况依然适用，不仅实际实施简单、响应速度更快，且在初始误差很大的情况下，可以立刻有效地解除当前色组控制量对后续色组的耦合作用，从而快速地消除整个系统的色差，提高套色精度，非常适合在电子轴凹印机稳速印刷过程中广泛使用。

附图说明

图1为本发明套色控制方法的流程图；

图2为电子轴凹印机相邻两个色组的简化结构图；

图3为完全解耦模糊控制方法的系统框图；

图4为本实施例中，第2色组的误差响应曲线；

图5为本实施例中，第3、4、5色组的误差响应曲线；

图6为本实施例中，第6、7色组的误差响应曲线；

图7为本实施例解耦方法与现有前馈解耦(解耦深度为3)方法的第4、5色组的误差曲线对比图；

图8为本实施例解耦方法与现有前馈解耦(解耦深度为3)方法的第6、7色组的误差曲线对比图；

图9为本实施例解耦方法在印刷机上实验给定2、3、4色扰动后的2、3、4色组误差曲线图；

图10为本实施例解耦方法在印刷机上实验给定2、3、4色扰动后的第5、6色组的误差曲线图；

图11为本实施例解耦方法在印刷机上实验给定2、3、4色扰动后的第7、8色组的误差曲线图；

图12为本实施例解耦方法在印刷机上实验给定2、3、4色扰动后的第9色组的误差曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的保护范围。

凹印机的控制系统由张力控制系统和套色控制系统两大部分组成。张力控制的目的是维持印刷设备收放卷部分的张力平衡，以避免出现印刷材料褶皱和被拉断的情形，并且为印刷单元的套色控制打下基础；套色控制则是为了消除由于各种扰动因素造成的套色误差，提高套色精度和产品质量。从控制目标上看，这两个控制系统是不一样的，但是实质上，它们解决的核心问题都是张力控制的问题。在收放卷部分，安装有检测张力的压力传感器，张力控制是通过传感器检测到的张力值来反馈调节收放卷电机的速度从而维持张力的平衡。在印刷色组之间，安装有色差检测装置，套色控制是通过色差来反馈调节印刷版辊的速度，进而调整色组间的张力，最终来消除套色误差。

本发明的电子轴凹印机主要由放卷进料部分、印刷单元和出料收卷3大部分组成。放卷进料部分负责将印刷材料从缠绕材料的圆形滚轴以恒定的线速度送进印刷单元，该部分有专门的张力控制系统保障印刷张力的稳定。印刷单元将单色图案依次承印在印刷材料上，每个色组之间安装有烘干器，材料在完成当前色的印刷后进入下一印刷单元之前，必须先烘干，以防止刚刚印上的图案花掉；为了提高套色精度，每个色组都安装有套色控制系统。出料收卷部分将印好的材料连续平稳地收集到收卷轴上。印刷前，一幅完整的彩色图案被分解为若干幅单色底片，然后刻画在圆形滚筒上制成印刷版辊。印刷时，放卷进料部分将印刷材料牵引至印刷单元，材料依次经过各个色组，进行单色印刷、热风干燥，材料在印好最后一个颜色后进入出料收卷部分，收卷电机将材料卷至收卷轴，一幅彩色图案的印刷就完成了。

如图1所示，为本发明一种电子轴凹印机在稳速运行过程中的套色控制方法的流程图，包括以下步骤：

s1、将印刷材料经电子轴凹印机的放卷进料部分送进第1色组(也称为色组1)；所述印刷材料经第1色组印刷、烘干后，依次送进其余色组进行印刷和烘干。其中，印刷材料被送进第1色组的线速度为恒定值。

s2、印刷材料依序经过电子轴凹印机的各色组的控制单元进行该控制单元的色组印刷，第2色组(也称为色组2)的误差检测系统判断色组2和色组1是否存在套色误差，若存在，则色组2的控制单元计算出色组2和色组1的套色误差值，并在确定的套色精度下，采用完全解耦模糊控制方法，根据所述套色误差值计算得到色组2印刷版辊角速度变化量，并以控制指令的方式发送到电子轴凹印机的伺服电机；所述伺服电机根据所述控制指令调整色组2印刷版辊的角速度，直至消除色组2与色组1之间的套色误差。

s3、各后续色组的误差检测系统判断该色组与第1色组之间是否存在套色误差，若存在，则依上述第2色组的套色误差消除方法，消除该色组与第1色组之间的套色误差。

本实施例中，电子轴凹印机包括4个以上色组，每个色组均安装有套色控制系统。套色控制系统包括传感装置和控制器，其中传感装置为光电眼，用于检测套色误差，并将套色误差发送给控制器；控制器用于存储套色误差和控制量的数学模型，并根据所接收到的套色误差，计算出控制量，并以控制指令的方式发送到电子轴凹印机的伺服电机，以调节印刷版辊的角速度；其中，控制量为色组印刷版辊角速度变化量。控制器采用完全解耦方法进行控制。

印刷材料经过第一个色组时，不仅印上了印制图案，还在图案的边缘部分印上了一个特定形状的标记，如果套色准确，该标记实际出现在第i色组(也称为色组i)中的位置与其理论上应当出现的位置应该相同；如果出现位置不同，根据每次标记捕获到的编码器偏差计算误差，从而得到色组i的误差。因此，套色控制的目标就是通过调节印刷版辊的转动方向和角度使每次标记捕获到的编码器计算误差为0。

同时，基于印刷套色系统具有强耦合性、不确定性和多输入多输出性等特点，本发明的套色控制方法采用迭代递推法以获得控制量与套色误差的数学模型，即印刷版辊角速度变化量与套色误差之间关系的数学模型，并通过所述数学模型来调节印刷版辊的转动方向和角度以改变低速印刷过程中的套色误差。以下详述所述数学模型的推导过程：

在印刷过程中，彩色图案被分解成多个单色图案，分别在不同的色组上单独印刷，当承印材料沿着印刷方向依次走完各个色组，一幅完整的画面就印刷完成了。图2为电子轴凹印机相邻两个色组的简化结构图，其中ti(t)和li分别表示t时刻第i色组与第i+1色组之间的材料张力和穿料长度，wi(t)指t时刻第i色组印刷版辊的转动角速度，r表示印刷版辊半径。在平衡状态下，即在相邻色组之间不存在套色误差的情况下，相邻色组间的张力记作t^*，各版辊的转动角速度均相同，记为w^*，则任意时刻的材料张力和角速度可以写成式(1)的形式。

其中δti(t)表示t时刻第i色组与第i+1色组之间的张力扰动，δwi(t)表示t时刻第i色组印刷版辊角速度的变化量，即所述套色系统控制器输出的控制量。各相邻色组间的穿料长度可以相等也可以不等，各个色组的印刷版辊半径相同。

印刷材料在外力作用下将产生变形。在弹性范围内，当外力撤销后，材料可恢复到近似拉伸前的状态。套色控制正是利用了印刷材料在弹性范围内的可伸缩性。式(2)表示了材料在张力作用下，横截面积的变形情况。

其中a0和a(ti)分别表示材料在自然状态和拉伸状态下的横截面积，k表示印刷材料的张力系数，为常量。

根据式(2)和单位时间内进入两个色组间的材料与流出的材料质量守恒，可以建立套色系统的非线性模型，然后对非线性模型进行线性化，得到了电子轴凹印机套色控制系统的线性机理模型如式(3)所示：

其中ei表示第i色组的套色误差。

实际生产中的电子轴凹印机，出于成本的考虑以及机械实现上的困难,不可能在各相邻机组之间安装高精度张力传感器，也就无法获得印刷过程中的张力信息。从控制的角度看，张力仅仅作为模型描述的一个中间变量，下面的部分采用迭代递推法获得控制量与套色误差之间的数学关系。

这里迭代法的使用基于式(4)的假设：

由于第1色组的印刷标记是参考标准，无需进行控制，而进料到第1色组之间有专门的张力控制系统来维持张力t0(t)恒定不变，且控制系统未对第1色组的印刷版滚角速度进行控制，因而假设是成立的。

对式(4)进行拉普拉斯变换，并且设定各个印刷版辊的半径相同，记作r，那么得到凹印机套色控制系统在频域范围内的动态模型如式(5)所示：

t^*为相邻色组之间不存在套色误差的情况下，相邻色组间的张力；w^*为相邻色组之间不存在套色误差的情况下，各版辊的相同转动角速度；k表示印刷材料的张力系数，为常量；li为第i色组与第i+1色组之间的穿料长度；r为各个印刷版辊的半径；ai、bi为变量，与印刷系统的实际运行参数有关，c为常数，由印刷系统的物理参数决定。

基于假设式(4)消去动态模型式(5)中的张力变量，可以得到控制量与套色误差的直接的数学关系。

第2色组的情况，令式(5)中i等于1，得到式(6)：

式(6)中第二个等式即为第2色组的控制量与套色误差之间的数学关系。对于第3色组，将(6)式代入(5)式，令(5)式中i取2，得到(7)式：

依此类推，采用相同的方法可以得到第i色组的套色控制系统的数学模型，如(8)式所示：

其中ei(s)表示色组i的印刷结果与色组1的印刷结果之间的套色误差，即绝对误差；wi(s)为第i色组印刷版辊角速度变化量，即第i色组的控制量；gi(s)表示各色组的控制量与该色组误差的传递函数；hij(s)表示第j色组的控制量对第i色组的影响关系。

本发明主要涉及一种在稳速印刷过程中的套色控制方法，印刷机在稳速运行阶段有两个与套色相关的重要特征，一是机器运行在稳定速度阶段，而非加减速阶段；二是机器开机后即进入稳速运行状态(稳定速度)，而后经过加速之后再进入高速运行状态(稳定速度)，因此稳速运行阶段的初始误差幅值较大，可以到达3mm甚至更大。由于误差的消除是一个动态过程，消除大误差的时间相对消除小误差的要长，因此在稳速运行阶段我们需要解决的问题是如何快速地消除误差，从而减少废料的产生。

基于套色系统是一个强耦合的系统，调整当前色组的误差将对后续色组的纠偏过程造成不良影响，从而延长后续色组的调节时间。因此，为了提高响应速度、缩短调节时间，本发明在传统模糊控制的基础上，引入完全解耦，最大限度和最高效率地抑制前色扰动对后续色组的影响，以保证完全解耦方法的有效性。完全解耦模糊控制算法实施简单，适应穿料长度各不相等的情况，响应速度快，在稳速印刷过程的套色性能较好。

以下推导过程基于模型的式(10)推导完全解耦控制，抵消前色组的控制量对后续色组的影响，从而协助模糊控制器在单个回路上快速消除各个色组的套色误差。如图3所示，为完全解耦模糊控制方法的系统框图。

对于某个特定色组来说，前面色组的控制量可看作该色组的可测扰动，完全解耦控制器提前作用，最大限度地抑制扰动对该色组的影响。

在(10)式中的将δwi(s)替换为δfij(s)，i大于3时，令ei(s)＝0；

即：

由控制量关系可知：

将上式代入，依次迭代可得：

其中δf^pij(s)表示j色扰动量(模糊控制量)对i色的解耦补偿量，而非j色控制量对i色的耦合补偿量。相应的，当各相邻色组穿料长度相等时，即li＝lj对于任意的i与j都成立时，上式可变换为：

当采用完全解耦模糊控制方法进行解耦时，完全解耦补偿量的表达式为：

gfij(s)表示用以解除第j色组对第i色组所产生影响的完全解耦控制器的传递函数，δwjpd(s)表示第j色组的控制单元的模糊控制量。

在工业应用中，印刷版辊每转一周采集一次误差数据，采样周期的大小为：

控制器的周期也是以转为单位的，因此需要对(13)式和(14)式进行离散化，然后应用到实际的套色控制系统中。

图4-6示意了本实施例中，第2-7色组的误差响应曲线。本实施例中的完全解耦方法与现有前馈解耦方法在第4-7色的误差曲线对比，如图7、8所示。本实施例中的完全解耦方法在印刷机上实验给定第2、3、4色扰动后的第2-9色的误差曲线，如图9-12所示。

本发明的电子轴凹印机稳速印刷过程中的套色控制方法在重新建立绝对误差模型的基础上，引入完全解耦，不仅实施简单、响应速度快，而且在初始误差很大的情况下，可以有效地完全解除当前色组控制量对后续色组的耦合作用，从而快速地消除整个系统的色差，提高套色精度，非常适合在电子轴凹印机稳速印刷过程中广泛使用。

如上所述，便可较好地实现本发明。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之类。