Охота за дефектами

Системы автоматической инспекции оттисков с годами становятся сложнее. Сперва они применялись крайне ограничено и отрицательно сказывались на производительности, затем разработчики кардинально изменили ситуацию, внедрив сложные алгоритмы контроля. Сейчас рынок вступил в фазу консолидации. Отдельные специализированные решения уступили место системным, отвечающим разноплановым требованиям этикеточных производств. В первой части статьи речь пойдёт о современных технологиях, технических ограничениях камер и компонентов освещения. Во второй — о работе с инспекционными системами в конкретном техпроцессе.

Почему 100%?

Не стоит рассчитывать на стабильное выявление 100% инспекционной системой всех без исключения дефектов. Подобно другим сигнальным контрольным системам, она руководствуется пороговыми значениями — качество работы зависит от заданных настроек чувствительности. Термин «100% инспекция» отражает необходимость непрерывного слежения за полотном по всей ширине на протяжении всего производственного цикла.

Инспекционная система не выявляет брак, на который не рассчитана (слишком мелкие дефекты для камеры или низкие настройки чувствительности), т. е. требуются систематическая оценка результатов контроля (об этом ниже) и анализ обнаруженного брака.

Без дополнительных измерений нельзя с уверенностью утверждать, что:

• при проверке были пропущены отдельные этикетки;
• пороговые значения соответствуют спецификациям качества;
• алгоритм контроля оценивает пороговые значения по-разному, что выливается в неодинаковую оценку дефектов.

Этикеточное производство заинтересовано в обнаружении всех стандартных дефектов, самые критичные см. в табл. 1. Как же добиться надёжности проверки?

Всё зависит от камеры

Производители инспекционных систем советуют выбирать камеру исходя из применения. Разброс по характеристикам и ценам весьма широк, поэтому рассмотрим основные отличия (рис. 1).

Изначально практически все инспекционные системы комплектовали зональными (матричными) камерами, сейчас предпочитают линейные сканирующие. Одна из причин — значительно большее разрешение последних: до 6000 lpi и выше, что при обработке квадрата соответствует 36 Мпикс. Ниже мы поговорим о том, насколько актуально столь высокое разрешение. Для стандартных зональных камер разрешение достигает 4 Мпикс. Как свидетельствует название, линейные сканируют изображение построчно, потому не ограничены длиной изображения вдоль полотна. Размер проверяемого участка у зональных жёстко фиксирован по обеим координатам, накладывая серьёзные ограничения, особенно вдоль движения полотна. Да и равномерно освещать большой участок сложнее, чем тонкую линию, — устройства зонального освещения требуют места, а зона проверки, как правило, накрыта защитным колпаком.

Следующий критерий выбора — цветность. Два главных недостатка цветных камер — разрешение и чёткость изображения. Но ч/б камера различает только уровни яркости, потому результаты проверки неоднозначны. Как видим, выбор камеры требует тщательного анализа производственных потребностей.

Таблица 2. Матрица принятия решений при выборе цветной или ч/б камеры

Ч/б камеры предпочтительнее там, где важна корректность и полнота воспроизведения мелких текстовых и графических элементов (промышленные и фармацевтические этикетки).

Когда критично качество печати, для инспекции выбирают цветные камеры (косметическая этикетка, пищевая упаковка), широкий ассортимент которых различается корректностью передачи цветов. Типовой вариант — камеры с одной ПЗС-матрицей (чипом), более дешёвые, но с проблемами в передаче цветов: оранжевые оттенки зачастую отображаются как красные, а небольшие отклонения по цвету не учитываются. Недавно на рынке появились камеры с тремя чипами и оптическим цветоделением — намного дороже, но отлично передают оттенки.

Очередной важный фактор — максимальная скорость инспекции, зависящая от типа камеры. У линейных определяется макс. частотой линейного сканирования: для ч/б систем — 20–50 кГц, для цветных с одним чипом — менее 10 кГц, для цветных с тремя чипами — 20 кГц. Разрешение всегда зависит от количества пикселей в камере и рабочей ширины полотна (поля обзора). Размер пикселя (площадь полотна на пиксель) рассчитать несложно: разделите ширину полотна на число пикселей. Если камера 4000 пикселей работает с полотном 400 мм, показатель составит 0,1 мм. Если все пиксели по направлению движения полотна одинаковы по высоте (квадратные), макс. скорость инспекции при линейной частоте 25 кГц и данной ширине полотна равна:

Vmax = линейная частота (Гц) × высота пикселя (мм)/1000 × 60 
        = 25 000 × 0,1/1000 × 60
        = 150 м/мин

Получаем предел камеры по производительности, который можно нарастить, лишь увеличив высоту пикселя по отношению к ширине, с соответствующим удлинением изображения и сокращением разрешения по направлению движения полотна.

Важность освещения

Современные этикеточные производства работают с широким ассортиментом материалов и технологий отдел-ки. Этикетка — уже не просто печать в 1-2 краски, а комбинация методик и материалов (горячее тиснение фольгой, тиснёные плёнки, прозрачные лайнеры, носители с силиконовым покрытием и пр.). Для правильного подбора камеры и способа освещения учитывается специфика техпроцесса.

Решающим здесь является вид освещения, который делает изображение чётким и равномерным или затемняет изображения для избежания псевдоошибок.

Важна не только интенсивность, но спектр и угол освещения. Интенсивность света согласовывают с чувствительностью камеры. Самые высокие требования к ней — у линейных камер высокого разрешения. Для критичных по цвету заказов предпочтительнее белый спектр излучения, как в легированных газоразрядных и светодиодных лампах (ещё одно их преимущество — большой срок службы).

Не стоит забывать об угле и направлении освещения. Для надёжного результата критично равномерное освещение всего изображения на протяжении инспекционной процедуры. Особое внимание источникам освещения специальных поверхностей (металлизированная фольга, голограммы, элементы конгрева и др.).

Направленный или рассеянный свет

Перечисленным условиям отвечают два базовых решения. В первом случае используется источник направленного света (падает на полотно под определённым углом). При угле монтажа камеры, отличающемся от угла падения света, отражающие металлические поверхности выглядят тёмными, но однородными. Такое освещение подходит для проверки дефектов и наличия металлизированной фольги. При совмещении оси камеры с осью отражения направленного светового луча попадаем в зону максимальной яркости/полного внутреннего отражения. Оптимизировав угол камеры, можно проверять сплошные участки фольги и силиконовых покрытий. Контролируемое направление световых лучей — не единственное преимущество данного похода; главное — отсутствие проблем с нагревом полотна в точке падения луча благодаря волоконной оптике.

Помимо систем направленного освещения, есть работающие по принципу «верхнего света», когда полотно освещается поступающим из многочисленных точек рассеянным светом. Отсутствие теней делает его оптимальным для объёмных текстур (конгрев). Освещение критично для различной печатной продукции, поэтому перед началом любого проекта запечатываемый материал следует тщательно тестировать.

Размер выявляемых дефектов

На выбор инспекционной системы влияет её разрешающая способность, т. е. наименьший размер стабильно выявляемых дефектов. В статье не рассматриваются большие по площади цветовые отклонения — лишь дефекты при недостаточном/избыточном краскопереносе или от посторонних частиц. При инспекции однородной поверхности или фона наименьший обнаруживаемый брак обычно соответствует пикселю камеры. Ситуация меняется, если по размеру дефект приближается или равен меняющимся элементам на запечатываемом полотне (например, буквам). Слегка утолщённая буква, небольшие отклонения по приводке, искажения при колебаниях натяжения гибких плёнок не должны фиксироваться системой, провоцируя сигнал тревоги. Хотя современные инспекционные системы компенсируют эти моменты алгоритмами адаптивного контроля, надёжность инспекции напрямую определяется качеством печати. Мельчайший распознаваемый брак — всегда комбинация определённого числа пикселей, классифицированных как дефектные. Точное их количество зависит от качества печати (обычно по 2-3 в каждом направлении). При высоких запросах важна функция оценки минимальных дефектов, гарантирующая стабильное выявление превышающего чётко определённый размер брака.

Роль разрешения камеры показана на рис. 3, где буква «e» отображена с разрешением 6000 и 2000 пикселей. При выпавшей горизонтальной линии она превращается в «с», и в этом примере инспекционная система с разрешением 2000 пикселей работает на пределе возможностей.

Оценка качества инспекции

Не нужно забывать, что у фармацевтической и защищённой печати особые требования. Другой важный момент — все инспекционные действия могут быть в любое время вторично проанализированы с помощью генерируемых отчётов и благодаря системе сохранения информации.

Обратимся к оценке качества инспекции. К сожалению, этикеточное производство часто не осознаёт проблем с качеством и связанных с этим потенциальных сложностей. Система инспекции оттисков базируется на т. н. позитивной логике — если дефект не обнаружен, значит, материал в порядке и будет отгружен заказчику. А если оператор решит повысить производительность за счёт сокращения пороговых значений, изначально определяемых длительными тестами? Когда инспекционная система позволяет в процессе работы регулировать пороговые значения, от подобных действий она не застрахована. В итоге печатник теряет уверенность в качестве отгружаемой продукции. Существуют более строгие системы, изменения в которые вносятся лишь до начала инспекционного процесса, а сами граничные значения подтверждаются (оцениваются) тестированием. Строго говоря, они не являются автоматически адекватными, поскольку могут меняться системные параметры (например, освещение).

Есть два способа контролировать переменные элементы: через определённые промежутки времени выполнять тестовую печать, подготовив для этого рулон материала, или воспользоваться приведённым ниже советом, который реализуется в рамках отдельной функции в большинстве инспекционных систем.

На печатную форму умышленно добавляется дефект — в незадействованную печатную зону. И он всегда будет обнаружен на оттиске при условии корректно заданных установок контроля качества. Инспекция внутри заданной зоны может активироваться для однократной оценки, потом снова отключаться.

На рис. 4 концепция представлена на примере этикеток. Для оценки используется дополнительная и недостающая линии (толщина должна соответствовать используемому шрифту).

Вторая часть статьи будет посвящена 100% инспекции печатных оттисков на этикеточных производствах. Дополнительно будут рассмотрены приложения для допечатного, печатного и послепечатного этапов технологического процесса.

Об авторах: Роберт Хайхеле, менеджер по инспекционным системам; Штефан Кребс, руководитель подразделения инспекционных систем компании Erhardt+Leimer.