CN113156832B - 一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法与系统，主要涉及印刷技术领域。本发明包括以下步骤：获取墨路结构图像；图像预处理获得墨辊布局二值图；图像分析获得墨路结构参数；计算稳态性能参数；得到墨量响应曲线并分析墨路动态参数；生成分析报告。本发明能快速、直接得到墨路系统的结构参数、稳态性能参数；对各滚压点建立仿真模型及连接关系后，将自动组合生成整个墨路仿真系统，分析仿真运行结果可得到墨路动态性能参数。本发明提供的方法与系统实用有效、方便快捷、获得的墨路典型性能参数较全面，能为优化设计墨路系统结构提供有效参考；所得性能参数也可直接用于胶印机墨量控制器调参，以提高胶印机印刷质量、减少印刷废张。

Description

一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法与系统
技术领域
本发明涉及一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法与系统，尤其涉及一种基于图像处理及模块化自动仿真的胶印机墨路系统性能参数快速分析方法及系统，属 于印刷技术领域。
背景技术
高速胶印机作为现代印刷包装的主要设备，其墨路系统实现将油墨从墨斗经墨斗辊、传墨辊、匀墨辊、着墨辊，转移至印版滚筒的印版、橡皮滚筒表面的橡皮布，最 终转印到压印滚筒表面的印张上。性能良好的墨路系统，将使得墨量调节迅速、稳定， 能提高印刷质量、减少印刷废张；反之，性能较差的墨路系统，将使得墨量精确快速 调节变得困难，不利于保证印刷质量，并且产生大量印刷废张。
对墨路系统的要求是在墨路系统结构尽量简单的前提下，能快速匀展油墨、精确控制墨量。因此，设计合适的墨路系统结构是关键，其中主要的问题是墨路系统中各 种墨辊数量、尺寸的确定、及各墨辊的排列布局。由此，在胶印机机械设计阶段，需 要评估墨路系统的性能，确定墨路系统结构及布局的优劣，辅助优化设计墨路。
另一方面，胶印机印刷运转时，印张表面接收的墨量受墨路系统特性及墨量调节的综合作用。墨路系统的特性是墨量调节的基础，需要根据墨路特性参数，优化墨路 控制器参数，实现快速、稳定、抗扰强的墨量调节。表征油墨打匀程度的匀墨系数、 表征着墨辊给印版涂覆墨层性能的着墨率、着墨率、表征印张表面墨量变化随墨量调 节的反应性能的滞后时间、过程增益、稳定时间等，这些都是典型的墨路系统的特性 参数。影响这些特性参数的因素很多，比如墨辊数量、墨辊布局、墨路长短、墨辊的 半径、滚筒空档的大小等。这些因素综合作用，导致分析墨路系统的特性复杂而繁琐。 因此，寻求快速便捷的胶印机墨路系统特性参数分析方法，用于高效整定墨量控制器 参数，对提高印刷质量、提高生产效率、较少印刷废张有显著的实际意义。
目前分析墨路系统的性能参数一般采用两种方法：模拟仿真法和样机测试法。前者分析油墨在墨辊上分配、传递的机理的基础上，建立描述滚压点之间油墨分配和传 输过程的数学模型，从而得到整体系统的仿真模型，继而通过仿真数据分析输墨性能； 而后者是在样机输墨系统上进行测试实验，采用一定的激励输入(比如墨路系统的供 墨量)，测量系统的响应输出(比如转印到纸张上的墨层厚度)，进而通过系统辨识 方法分析与估测滞后时间、稳定时间、系统增益等动态特性参数。这两种方法原理简 单、易于理解，但有如下缺陷：
(1)模拟仿真法需结合墨路系统结构分析、推导数学模型，墨路系统结构不同则需要调整模型的表达形式，不易泛化；并且，需要墨路系统中各个墨辊的半径、相对 位置等参数，这些是设备的设计数据，不易获取，在实际印刷机上进行测量繁琐且不 方便。
(2)样机测试法需要利用胶印机实物作为样机进行测试，实验条件不易具备，尤其在机械设计阶段或者墨路控制器设计时，只有墨路系统结构设计图，未有实际样机。 另外，样机测试法一般获得的是油墨转移方程模型，仍需进一步分析计算，获得相关 的稳态和动态特性参数。
(3)模拟仿真法需测量和收集数据、分析建模及搭建仿真系统，样机测试法需要多次实验测试分析，两种方法都耗时略长，不适用于设计阶段快速评估墨路系统特性， 或者控制器设计时快速分析墨路系统的动态参数等应用场合。两种方法一般也无法快 速全面得到所有典型的稳态和动态性能参数。
发明内容
针对现有技术中的不足，本发明提供一种基于图像处理与模块化自动仿真的胶印机墨路系统性能参数分析方法和系统。本发明所述方法步骤简单，设计合理新颖，实 现方便快捷，能够快速全面地获得墨路系统典型的稳态和动态性能参数，很好地确定 墨路系统性能的优势与不足，为优化设计墨路系统的结构提供必要参考，所得到的性 能参数可直接用于胶印机墨量控制器调参以提高印刷质量、减少印刷废张。该方法和 系统开发的软件可在智能手机上使用，方便实用，能有效提高墨路系统优化设计效率、 改进胶印机墨量控制品质。
为解决上述技术问题，通过以下技术方案来实现：
一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法及系统，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：获取胶印机输墨系统结构示意图的图像文件。将胶印机技术资料中的输墨系统结构示意图以数字相机或手机拍照，或者以扫描仪进行扫描，获得墨路系统结 构图像文件。输墨系统结构示意图也可是计算机绘制的电子图形文件，先将该电子图 形文件在计算机上显示，保持正确的长宽比，再进行屏幕截图，保存成墨路系统结构 图像文件。拍照、扫描或截图获取图像文件时，设置分辨率大于96dpi，色彩模式为 24位彩色或灰度模式，文件格式为常用的图像文件格式(如jpg，tiff，png格式等)。 所得的墨路系统结构图像文件存储到计算机中。
步骤二：在所述计算机上调用墨路系统图像预处理模块，将步骤一所得到的墨路系统结构图像进行预处理，得到胶印机墨路系统的墨辊布局二值图。图像预处理的目 的是使图像边缘清晰，便于后续的图像分析。对图像进行预处理的具体过程为：
步骤201：将图像转换为灰度图像，手动提取出墨辊区域(包括滚筒)，即在图 像上擦除非墨路部分、擦除图像上的脏点，只保留墨辊部分。图像的擦除可在常用的 图像编辑软件中进行，也可编程实现鼠标选择图像区域，利用白色背景进行填充。
步骤202：对201提取的墨辊区域灰度图像进行灰度变换，调节灰度图像的亮度，增大反差，以使图像轮廓清晰。通过灰度变换改变图像直方图分布，使图像暗调和亮 调部分集中到直方图的两端，具体操作中可选择使得图像中1％的数据饱和至最低和 最高亮度，这可以增加输出图像的对比度值。
步骤203：对步骤202所得灰度图像进行形态学开运算，以改善图像上墨辊轮廓 边缘的连接状况、修复图像边缘的微小断点，使边缘更加平滑；开运算中结构元素可 选择为″disk”，结构元素大小设为2～4个像素。
步骤204：在步骤203的基础上，进行双边滤波。双边滤波是最常用的边缘保护 滤波方法，以达到减少噪声的同时保持边缘细节的目的。其中，双边滤波使用的核函 数为高斯分布函数，滤波半径约为5～15，全局方差约为3～6，局部方差约为0.1～0.2。
步骤205：将步骤204所得图像进行二值化，对该二值图像进行形态学开运算， 进一步改善墨路系统轮廓图像的细节，使得图像边缘连续、平滑。和原图比较，如有 轮廓缺失，用黑色添补，如有多余色块，用白色擦除，以得到轮廓清晰的墨辊布局二 值化图像。此处对二值图像的开运算中结构元素仍选择为″disk”，结构元素大小设为 2～4个像素。
步骤三：所述计算机调用墨路结构分析模块对墨辊布局二值图进行分析处理，得到定量描述墨辊(包括所有滚筒)的中心位置、半径、滚压点位置、滚压点相位角的 多个墨路系统结构参数。其中，对墨辊布局二值图进行分析处理的具体步骤为：
步骤301：对步骤二所得墨辊布局二值图像，利用霍夫变换算法检测图像中的圆形，调整算法中半径范围、边界阈值、敏感度的参数设置，找到所有圆形区域的圆心 坐标、半径；
步骤302：以步骤301所得圆心和半径，在原图上叠印显示出检测得到的圆，检 查是否有墨辊轮廓对应的圆未被检测出来，若有，返回步骤301，继续调整半径范围、 边界阈值、敏感度的设置值，直至所有的墨辊轮廓圆都被检测出来，以这些轮廓圆的 圆心和半径作为最终墨路系统中对应位置的墨辊的中心位置坐标、半径；轮廓圆的数 量即是墨辊(包括滚筒)的数量。
步骤303：根据所得墨辊的中心位置坐标及其半径，自动寻找墨辊滚压点，得到 墨辊滚压点位置坐标，寻找方法为记两墨辊的中心坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)，半 径分别为r1、r2，则两墨辊的中心距
Figure BDA0002740805200000031
判断中心距与半径 和的关系，若
Figure BDA0002740805200000032
(ε1可取0.，90～0.95，ε2可取1.05～1.15)，则确定该两墨 辊之间存在滚压点，且坐标为(xp，yp)，其中
Figure BDA0002740805200000041
ε1与ε2的选取应使得所有的滚压点 能够被检测出来。在原图上叠印显示滚压点，检查是否有遗漏或误判的滚压点，若有， 重新设置ε1与ε2的数值，直至所有滚压点都被正确寻找到。对于墨斗辊与墨刀片的滚压 点，由于无法通过检测的圆形来自动获得，其坐标是在图像上手动点选获得。
步骤304：在二值图像中标记出墨斗辊、传墨辊、匀墨辊、着墨辊、印版滚筒、 橡皮滚筒、压印滚筒，从1开始，依次编号，直到N(N为墨辊数量，由步骤302中 获得)，墨斗辊编号1，传墨辊编号2，......，依次标记；同时给每根墨辊标注转向(顺 时针或逆时针)，墨斗辊标注为逆时针，传墨辊标注为顺时针，与传墨辊滚压的匀墨辊 标注为逆时针，......；由于墨辊之间是相互纯滚动滚压，相互滚压的两个墨辊是反向的， 依此原则标注墨辊转向；
步骤305：根据墨辊的中心位置坐标、半径、滚压点坐标，计算每根墨辊上滚压 点的相位角角。记编号i的墨辊中心坐标为(xi，yi)，半径为ri，与其余某墨辊有滚压点 Pm，坐标为(xm，ym)，以(xi，yi)为极坐标原点，以逆时针方向为极坐标极角正方向，则 可计算得到滚压点Pm的极坐标为(rm，θm)，其中rm、θm分别为极径、极角，并且：
Figure BDA0002740805200000042
Figure BDA0002740805200000043
据此，以(-1)cθm作为滚压点Pm在墨辊i上的相位角，其中c为墨辊i的转向值 (逆时针记为0，顺时针为1)。由此计算得到每根墨辊上的所有滚压点的相位角。
步骤四：所述计算机调用墨路稳态参数分析模块对步骤二中的墨辊布局二值图与步骤三中得到的多个墨路系统结构参数进行墨路稳态参数分析，确定出描述墨路系统 打墨线数、匀墨系数、着墨系数、储墨系数的墨路系统稳态性能参数；其中，墨路稳 态参数分析的具体步骤为：
步骤401：根据步骤三所得墨辊滚压点位置，统计滚压点的个数M，得到墨路系 统打墨线数数值nd＝M-2-nz，其中与印版滚筒滚压的着墨辊的数量为nz；
步骤402：根据步骤三所得所有墨辊的半径和数量，计算得到匀墨系数
Figure BDA0002740805200000044
Figure BDA0002740805200000045
其中编号从3至k对应所有的匀墨辊(编号1对应墨斗辊，编号2对应传墨 辊)，ri为第i根墨辊的半径，A为印版滚筒表面有效长度。记与印版滚筒滚压的着墨 辊的数量为nz，则k＝N-nz-3。
步骤403：根据步骤三所得墨辊的半径和数量，计算得到着墨系数
Figure BDA0002740805200000051
其中编号从k+1至N-3，对应墨辊为着墨辊，ri为第i根墨辊的半径，A为印版滚筒表 面有效长度。
步骤404：根据402与403计算得到储墨系数ηc＝ηy+ηz。
步骤五：所述计算机调用墨路动态参数分析模块对步骤二中的墨辊布局二值图与步骤三中得到的多个墨路系统结构参数进行墨路动态参数分析，利用滚压点模块化自 动仿真法，确定系统增益、稳定时间、滞后时间等墨路系统动态性能参数。其中，滚 压点模块化自动仿真法的具体步骤为：
步骤501：根据步骤305所得每根墨辊上的所有滚压点的相位角，获得任一墨辊i上按滚压点相位角从大到小排列的相位角序列{θp，θp-1，…，θ1}，及对应的滚压点编 号序列
Figure BDA0002740805200000052
其中p为墨辊i上滚压点的数量。考虑相位的周 期性，将该相位角序列延拓增加一个元素为{θp，θp-1，…，θ1，θp}，延拓后对应的滚 压点编号序列为
Figure BDA0002740805200000053
这些序列表示出了每个滚压点的 前一个滚压点编号(即沿逆墨辊转向的方向上相邻的滚压点)，如滚压点
Figure BDA0002740805200000054
的前一 个滚压点为
Figure BDA0002740805200000055
滚压点
Figure BDA0002740805200000056
的前一个滚压点为
Figure BDA0002740805200000057
由此确定两个滚压点之间墨 辊需滚压的距离，如滚压点
Figure BDA0002740805200000058
至滚压点为
Figure BDA0002740805200000059
的滚压距离为(θp-θp-1)ri，其中ri为墨辊i的半径。因此构造得到墨辊i对应的滚压距离序列{(θp-θp-1)ri，(θp-1- θp-2)ri，…，(θ1-θp-1+2π)ri}。针对所有墨辊计算，得到N个滚压距离序列；
步骤502：对于墨辊i(i从1到N)，将该墨辊上的滚压点依次进行编号，从1到 mi，mi为第i根墨辊上的所有滚压点数目；记M为总的滚压点数目，给每个滚压点编 号，称为滚压点的总编号，从1到M；可将滚压点表示为
Figure BDA00027408052000000510
其中m为滚压点总编 号，1≤m≤M，p是指该滚压点是墨辊i上的第p个滚压点，q是指该滚压点是墨辊 j上的第q个滚压点，每个滚压点都是两根墨辊的交点，滚压点
Figure BDA00027408052000000511
既在墨辊i上又在 墨辊j上。所有滚压点按所述方式表示。对滚压点
Figure BDA00027408052000000512
根据步骤501结果，确定其 在第i个墨辊上的前一个滚压点
Figure BDA00027408052000000513
在第j个墨辊上的前一个滚压点
Figure BDA00027408052000000514
(*不影响分析，可忽略)，以及该两点分别到滚压点
Figure BDA00027408052000000515
的滚压距离(θp-θp-1)ri、 (θq-θq-1)rj。由此构造
Figure BDA00027408052000000516
滚压关系向量{m，i，j，(θp-θp-1)ri，(θq-θq-1)rj}， 所有M个滚压点的滚压关系向量组成维数为M×5的滚压关系矩阵。
步骤503：建立滚压点墨层厚度转移模型，搭建通用的滚压点仿真模块。记滚压 点
Figure BDA00027408052000000517
滚压后的墨辊表面墨层厚度为δm(t)，该滚压点在第i个墨辊上的前一个滚压点
Figure BDA00027408052000000518
在第j个墨辊上的前一个滚压点
Figure BDA00027408052000000519
滚压后的墨辊表面墨层厚度分别 为
Figure BDA00027408052000000520
根据滚压油墨平均分离原理，则滚压点墨层厚度转移模型为：
Figure BDA0002740805200000061
其中t为当前时刻，
Figure BDA0002740805200000069
表示时滞运算，根据步骤503可知时滞参数
Figure BDA0002740805200000062
Figure BDA0002740805200000063
v为墨辊表面线速度。由于墨辊之间滚压近似为纯滚动， 所以速度v即为印刷速度。为简化计算，令v的值为1，具体应用中根据实际印刷速 度换算实际时间。简化后，Tm1＝(θp-θp-1)ri、Tm2＝(θq-θq-1)rj。由此，根据该 滚压点墨层厚度转移模型方程，搭建通用的滚压点仿真模块，模块输入变量为
Figure BDA0002740805200000064
Figure BDA0002740805200000065
min1，min2为输入端通道编号；在这两个输入通道中设置滞后时间作为模块 参数，分别为Tm1、Tm2，模块的输出变量为δm(t)，m为输出端编号。
步骤504：所述计算机调用墨路动态特性分析模块，根据502所得滚压关系矩阵，在matlab/simulink软件平台中，自动生成M个滚压点仿真模块，并根据滚压关系矩阵 自动进行模块相互连接，设置各模块输入参数。比如，对于滚压关系矩阵的第m行为 {m，i，j，(θp-θp-1)ri，(θq-θq-1)rj}，则将第i个模块的输出端、第j个模块的输 出端分别连接至第m个模块的输入端第一通道和输入端第二通道，并设置第一通道和 第二通道的滞后时间参数分别为(θp-θp-1)ri、(θq-θq-1)rj。整个仿真系统以墨斗辊 与传墨辊的滚压点(即第一个滚压点)仿真模块中的第一个通道作为输入，并设置输 入值为100；以压印滚筒与印张滚压点仿真模块的输出作为整个系统的第一个输出。 同时，以压印滚筒与橡皮滚筒的滚压点(记为Pz0)、着墨辊与印版滚筒的滚压点(沿 印版滚筒旋转方向依次记为Pz1，Pz2，…，
Figure BDA00027408052000000610
)对应的仿真模块的输出作为整个系统 的其余的输出。连接及设置完成后，设置仿真时间并运行仿真，由此，在仿真系统的 第一个输出上获得印张墨量响应曲线，该曲线表示了滚压到压印滚筒表面的纸张上的 墨层厚度变化。
步骤505：对步骤504所得印张墨量响应曲线以时间间隔Δt进行采样，得到数值序列{(i，y(i)}，i＝0，1，2…，L。。Δt的选取应使得40≤L＜50。设置稳态的判断依据 为连续4～8个采样点的数值增量值小于采样点数值的1％，且获得的曲线在稳态阶段 的采样点数约为10～15。若印张墨量响应曲线若未达到稳态，返回步骤504，重新设 置稍长的仿真时间并运行仿真，直至曲线达到稳态。由此，根据达到稳态的印张墨量 响应曲线确定墨路系统的动态特性参数，即系统增益K、滞后时间常数τ、惯性时间常 数T：
Figure BDA0002740805200000066
τ＝min(i*Δt)，T＝min(i**Δt)-τ，其中w取值范围 4～6，i*是使得y(i*)最接近ε*K的值，ε取2％～5％；i**是使得y(i**)最接近63.2％*K 的值。
步骤506：计算着墨率。根据步骤S504，得到滚压点Pz0，Pz1，Pz2，…，
Figure BDA0002740805200000067
的 仿真模块输出的墨量响应曲线；采用S505方法，得到这些墨量响应曲线对应的系统增 益，分别记为Kz0，Kz1，Kz2，…，
Figure BDA0002740805200000068
由此可得墨路系统的第i根着墨辊的着墨率
Figure BDA0002740805200000071
i＝1，2，…，nz。该步骤利用动态仿真结果计算出了稳态参数 (每根着墨辊的着墨率)。
步骤六：所述计算机调用生成报告模块，列出墨路系统结构参数、稳态性能参数、动态性能参数数值，生成墨路系统性能参数报告。
相对于传统的仿真分析法和样机测试法，本发明利用视觉图像处理技术，直接通过墨路系统的结构示意图分析得到墨路系统的结构特征参数，避免了在实际系统上进 行繁琐的数据测量与计算，减少了工作量，缩短了分析时间；同时，利用本发明的方 法，能方便地根据图像处理提取的滚压关系矩阵，自动生成、连接滚压点仿真模块， 搭建墨路分析仿真系统，避免了复杂的油墨转移机理分析及重复推导；结合分析得到 的墨路结构数据及模块化自动仿真结果，快速准确得到的印张墨量响应曲线，准确地 确定系统的动态特性参数；本发明提供的系统，方便、快速、准确得到墨路系统的基 本结构参数、稳态性能参数、动态性能参数；
本发明提供的系统和方法，在墨路系统设计时，可用于作性能评估工具，以优化设计墨路结构与墨辊布局；也可用于分析生产实际中胶印机的墨路系统的动态性能参 数，用于建立墨路系统动态模型，确定最优的墨量控制器参数，实现高质量的墨量控 制，提高印刷质量、降低印刷废张。
附图说明
图1是本发明中胶印机墨路系统性能参数分析的工作过程流程图。
图2是发明中墨路系统图像预处理流程图。
图3是本发明中墨路结构参数分析流程图。
图4是本发明中墨路动态参数分析流程图。
图5是本发明中墨路系统滚压点仿真模块的原理图。
图6是本发明中用于示例的胶印机墨路系统结构图。
图7是本发明中用于示例的编号和标注之后的胶印机墨路系统结构图。
图8是本发明中用于示例的印张墨量响应曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的工作过程和原理作进一步阐释和说明。本发明，一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法及系统，其工作过程的流程图如图1所示，具体 步骤如下：
(1)参见图1中步骤S1：按照本发明所述方法获得墨路系统结构图像，所得图 像文件存储到计算机中。如图6是本发明中用于示例的胶印机墨路系统结构的示意图。 该图示意了一个由墨斗辊、传墨辊、匀墨辊、着墨辊、及印版、橡皮、压印三种滚筒 组成的完整的墨路系统结构。
(2)参见图1中步骤S2：按照本发明所述方法在所述计算机上调用墨路系统图 像预处理模块，将步骤S1所得到的墨路系统结构图像进行预处理，得到胶印机墨路系 统的墨辊布局二值图。图像预处理的目的是使图像边缘清晰，便于后续的图像分析。 如图7是图6经步骤S2处理后进行相关标注之后的效果。
对图像进行预处理的具体过程为：
(2.1)参见图2中步骤S201：将图像转换为灰度图像，手动提取出墨辊区域， 即在图像上擦除非墨辊部分、擦除图像上的脏点，只保留墨辊区域。图像的擦除可在 常用的图像编辑软件中进行，也可编程实现鼠标选择图像区域，利用白色背景进行填 充。
(2.2)参见图2中步骤S202：对201提取的墨辊区域灰度图像进行灰度变换， 调节灰度图像的亮度，增大反差，以使图像轮廓清晰。通过灰度变换改变图像直方图 分布，使图像暗调和亮调部分集中到直方图的两端，具体操作中可选择使得图像中 1％的数据饱和至最低和最高亮度，这可以增加输出图像的对比度值。
(2.3)参见图2中步骤S203：对步骤202所得灰度图像进行形态学开运算，以 改善图像上墨辊区域边缘的连接状况、修复图像边缘的微小断点，使墨辊区域图像边 缘更加平滑。开运算中结构元素可选择为″disk”，结构元素大小设为2～4个像素。
(2.4)参见图2中步骤S204：在步骤203的基础上，进行双边滤波，以达到减 少噪声的同时保持边缘细节的目的。其中，双边滤波使用的核函数为高斯分布函数， 滤波半径约为5～15，全局方差约为3～6，局部方差约为0.1～0.2。采用双边滤波是因 为该方法最常用的边缘保护滤波方法，效果良好。
(2.5)参见图2中步骤S205：将步骤204所得图像进行二值化，对该二值图像 进行形态学开运算，进一步改善墨路系统轮廓图像的细节，使得图像边缘连续、平滑， 得到墨路系统轮廓的二值化图像。此处对二值图像的开运算中结构元素仍选择为 ″disk”，结构元素大小设为2～4个像素。
(3)参见图1中步骤S3：所述计算机调用墨路结构分析模块对墨辊布局二值图 进行分析处理，得到定量描述墨辊中心位置、墨辊半径、墨辊滚压点位置、墨辊滚压 点相位角的多个墨路系统结构参数，参加表1、表2、表3。其中，墨辊中心位置和墨 辊半径是基本的结构参数，其余结构参数可依据这两项参数推算出来。对墨辊布局二 值图进行分析处理的具体步骤为：
(3.1)参见图2中步骤S301：对步骤二所得墨辊二值图像，利用霍夫变换算法 检测图像中的圆形，调整算法中半径范围、边界阈值、敏感度的参数设置，找到所有 圆形区域的圆心坐标、半径。
(3.2)参见图2中步骤S302：以步骤301所得圆心和半径，在原图上叠印显示 出检测得到的圆，检查是否有墨辊轮廓对应的圆未被检测出来，若有，返回步骤S301， 继续调整半径范围、边界阈值、敏感度的设置值，直至所有的墨辊轮廓圆都被检测出 来，以这些轮廓圆的圆心和半径作为最终墨路系统中对应位置的墨辊的中心位置坐标、 半径。对如图6的墨路系统，半径范围、边界阈值、敏感度分别设置为10～80、 0.85～0.90、0.25～0.30，即可找到所有的墨辊的轮廓圆，获得圆心位置、半径，见表 1。
(3.3)参见图2中步骤S303：按照本发明所述方法，根据所得墨辊的中心位置 坐标及其半径，自动寻找墨辊滚压点，得到墨辊滚压点位置坐标。对如图6的墨路系 统，自动寻找到的滚压点见表2，编号从1到24。编号为0表示的是墨斗辊与墨刀片 的滚压点，其坐标值是在图像上利用鼠标点选获得的。
(3.4)参见图2中步骤S304：按照本发明所述方法在二值图像中标记出所有墨 辊(包括滚筒)的编号，标记在每个墨辊的圆心处，为O1，O2，…；同时给每根墨辊 标注转向为顺时针或逆时针；对如图6所示墨路系统，墨辊编号和转向标注后的效果 如图7所示。
(3.5)参见图2中步骤5305：按照本发明所述方法计算每根墨辊上滚压点的位 置角。该相位角的计算是依据墨辊圆心、半径、滚压点的坐标，考虑了墨辊转向，逆 时针时相位角为正值，顺时针时为负值。对如图6的墨路系统，表3为计算得到的每 根墨辊上的所有滚压点的相位角，相位角单位为弧度。
(4)参见图1中步骤S4：按照本发明所述方法进行墨路稳态参数分析，获得打 墨线数、匀墨系数、着墨系数、储墨系数四项稳态性能参数。对如图6的墨路系统， 所得数值见表5。具体步骤为：
5401：根据步骤S3所得墨辊滚压点位置，统计滚压点的个数，得到墨路系统打 墨线数数值nd＝18。打墨线数不考虑墨斗辊与墨刀片滚压点、滚筒之间的滚压点。
S402：根据步骤S3所得所有墨辊的半径，计算得到匀墨系数
Figure BDA0002740805200000091
其中，由于印版滚筒滚压的着墨辊的数量nz＝4，N＝21，则k＝N-nz-3＝14； 印版滚筒考虑为无缝滚筒形式，表面有效长度周长即为滚筒整个周长，此时A＝2πr19， 其中r19为印版滚筒的半径。
S403：根据步骤S3所得墨辊的半径，计算得到着墨系数
Figure BDA0002740805200000101
其 中N＝21，k＝14，ri(i＝15,16，17,18)为对应着墨辊的半径，A＝2πr19，r19为印 版滚筒的半径。
S404：根据402与403计算得到储墨系数ηc＝ηy+ηz＝2.32。
(5)参见图3中步骤S5：按照本发明所述方法进行墨路动态参数分析，利用滚 压点模块化仿真法，确定出描述墨路系统滞后时间、稳定时间、系统增益的墨路系统 动态性能参数。对如图6的墨路系统，所得数值见表5。其中，滚压点模块化仿真法 的具体步骤为：
(5.1)参见图3中步骤S501：按照本发明所述方法，根据步骤305所得每根墨 辊上的所有滚压点的相位角，可得任一墨辊i上滚压点的按从大到小排列的相位角序列 {θp，θp-1，…，θ1}，及对应的滚压点编号序列
Figure BDA0002740805200000102
因此可 得对应的滚压距离序列为{(θp-θp-1)ri，(θp-1-θp-2)ri，…，(θ1-θp-1+2π)ri}。 对如图6的墨路系统，共得21组滚压距离序列。
(5.2)参见图3中步骤S502：按照本发明所述方法，根据步骤501结果，构造 得到滚压关系矩阵，对如图6的墨路系统，所得滚压关系矩阵数值按行列出见表4， 24个滚压点的滚压关系向量组成维数为24×5的滚压关系矩阵；滚压关系矩阵不必考 虑表2中编号为0的滚压点；对于第24个滚压点，由于纸张从该滚压点通过，对应的 滚压距离为0。
(5.3)参见图3中步骤S503：按照本发明所述方法，建立滚压点墨层厚度转移 模型，搭建通用的滚压点仿真模块。对滚压点
Figure BDA0002740805200000103
墨层厚度转移模型为：
Figure BDA0002740805200000104
仿真模块的输入变量为
Figure BDA0002740805200000105
min1，min2为输入端通道编号，在这两 个输入通道中设置滞后时间作为模块参数，分别为Tm1、Tm2，模块的输出变量为δm(t)， m为输出端编号。时滞参数Tm1＝(θp-θp-1)ri、Tm2＝(θq-θq-1)rj；min1，min2为 输入通道编号。如图5所示为滚压点仿真模块的原理图。
(5.4)参见图3中步骤S504：按照本发明所述方法，对如图6的墨路系统，所 述计算机调用墨路动态特性分析模块，根据S503所得滚压关系矩阵，生成24个滚压 点仿真模块，并自动进行模块相互连接，设置各模块输入参数。比如，对于滚压关系 矩阵的第10行为{10，9，7，58.98，30.89}，将第9个模块的输出端、第7个模块的 输出端分别连接至第10个模块的第一输入通道端和第二通道输入端，并设置第一通道 和第二通道的滞后时间参数分别为58.98、30.89。整个仿真系统以墨斗辊与传墨辊的 滚压点(即第1个滚压点)仿真模块中的第一个通道作为输入，并设置输入值为100； 以压印滚筒与印张滚压点(即第24个滚压点)仿真模块的输出作为整个系统的第一个 输出。同时，以压印滚筒与橡皮滚筒的滚压点(即第23个滚压点，记为Pz0)、着墨 辊与印版滚筒的压印点(即沿印版滚筒旋转方向即第19,20,21,22个滚压点，依次记为 Pz1，Pz2，Pz3，Pz4)对应的仿真模块的输出作为整个系统的其余的输出。连接及设置 完成后，设置仿真时间并运行仿真，在系统的第一个输出上可获得滚压到压印滚筒表 面的纸张上的墨量响应曲线，如图8所示。
(5.5)参见图3中步骤S505：按照本发明所述方法，对如图6的墨路系统，设 置仿真时间为40000个时间单位并运行仿真，步骤504所得的印张墨量响应曲线达到 平稳。按照本发明所述方法得到墨路系统的动态特性参数s：系统增益K＝0.1151、 滞后时间常数T＝6412、惯性时间常数τ＝2228。其中T和τ对应的以秒为单位的时 间需要根据时间印刷速度进行换算。为对比所得的动态特性参数，记辨识得到一阶加 纯滞后传递函数的模型为
Figure BDA0002740805200000111
仿真该模型在幅值为100 的阶跃信号输入下的输出响应，参见图8中虚线部分的响应曲线。可以看出，该曲线 和墨路响应曲线匹配较好，说明所得动态特性参数能较好描述墨路系统动态特性。
(5.6)参见图3中步骤S506：按照本发明所述方法，对如图6的墨路系统，计 算得到四根着墨辊的着墨率
Figure BDA0002740805200000112
结果见表5。可得
Figure BDA0002740805200000113
且
Figure BDA0002740805200000114
满足总着墨量为100％，符合墨辊着墨前重后轻、着墨对称性原则，侧面了验证了计 算结果的正确性。
(6)参见图3中步骤S6：所述计算机调用生成报告模块，列出墨路系统结构参 数、稳态性能参数、动态性能参数数值，生成墨路系统性能参数报告。对如图6的墨 路系统，表5给出所得的稳态性能参数、动态性能参数数值。
本发明中，获取的图像要完整包括输墨系统部分，即包括墨斗辊、传墨辊、匀墨辊、着墨辊，也要包括印版滚筒、橡皮滚筒、压印滚筒部分。对于这三种滚筒均考虑 为无缝滚筒形式，滚筒空档角均为0、三个滚筒半径相同，滚筒表面全部为工作表面 (滚筒表面周长即工作表面有效周长)。
本发明说明书附图1中，步骤1获取图像后，从步骤2开始至步骤5是基于获取 的图像进行分析处理及相关计算，采用编写程序实现。通过获取的图像、进行简单的 交互操作，程序将运算并显示结果，最终得到所需的墨路系统性能参数。
本发明说明书附图8中，墨路系统墨层响应曲线坐标轴的横轴是标度化印张速度为单位1之后的时间。在胶印机的转速为β张/小时情况下，，则时间轴的第i个刻度 (i＝0，1，2，…)表示的实际时间为
Figure BDA0002740805200000115
秒，其中rI为步骤S2所获得压印滚筒半 径。由此，也可换算得到墨路系统动态特性参数中的滞后时间常数、惯性时间常数 分别为
Figure BDA0002740805200000121
时间单位为秒。
本发明涉及的仿真模块的设计可以后台调用matlab/simulink软件实现，也可调用其他仿真软件或编写程序实现，模块的连接和仿真过程自动进行，无需人工操作， 方便可靠。所得仿真结果以曲线形式显示，同时提供了曲线对应的带时间标度的数据 点序列。
本发明中涉及的计算通过编写程序进行实现，过程不复杂，用到的参数较少，能方便快捷得到的墨路系统稳态特性和动态特性参数；其中动态特性参数(K，T，τ)可直 接用于建立墨路系统一阶加纯滞后模型
Figure BDA0002740805200000122
得到该模型后可用于整定墨 量PID控制器，实现快速、稳定地调节墨量，提高印刷质量。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域普通技术人员对本发明的技术方案所做的其他修改或者等同替换，只要不脱离本发明技术 方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
表1墨辊圆心及半径
墨辊编号 圆心位置x坐标 圆心位置y坐标 半径
1 128.69 56.16 26.50
2 176.44 57.41 19.46
3 235.14 58.25 37.26
4 289.16 84.90 19.16
5 304.02 54.00 12.79
6 281.72 141.35 36.23
7 352.70 157.93 14.69
8 321.97 181.67 20.00
9 281.12 221.19 36.13
10 237.56 181.39 20.92
11 199.18 156.92 21.35
12 106.54 205.40 35.87
13 88.50 150.72 19.40
14 158.83 180.32 20.06
15 276.08 279.50 19.71
16 231.93 254.99 19.63
17 149.55 247.42 19.61
18 92.87 260.64 19.28
19 168.62 427.34 160.31
20 390.61 661.61 160.75
21 283.89 968.35 160.48
表2滚压点坐标
滚压点编号 滚压点x坐标 滚压点y坐标
0 117.05 78.14
1 156.22 56.88
2 196.58 57.70
3 270.82 75.85
4 298.07 66.38
5 286.59 104.43
6 307.65 167.33
7 253.72 166.74
8 339.69 167.98
9 307.41 195.76
10 253.53 195.99
11 277.86 258.92
12 249.25 243.09
13 218.57 169.28
14 178.38 168.99
15 94.83 169.92
16 140.08 189.32
17 134.34 232.56
18 97.65 241.33
19 264.32 295.68
20 225.02 273.79
21 151.63 267.03
22 101.00 278.54
23 279.46 544.32
24 337.21 815.11
表3滚压点的相位角
Figure BDA0002740805200000131
Figure BDA0002740805200000141
表4滚压关系矩阵
Figure BDA0002740805200000142
Figure BDA0002740805200000151
表5稳态性能参数及动态性能参数
Figure BDA0002740805200000152

Claims (2)

1.一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：以拍照、扫描或截图方式，获取墨路系统结构图像；
S2：图像预处理，获得墨辊布局二值图，具体为：
步骤201：将图像转换为灰度图像，手动提取出墨辊区域，即在图像上擦除非墨路部分、擦除图像上的脏点，只保留墨辊部分；图像的擦除可在常用的图像编辑软件中进行，也可编程实现鼠标选择图像区域，利用白色背景进行填充；
步骤202：对201提取的墨辊区域灰度图像进行灰度变换，调节灰度图像的亮度，增大反差，以使图像轮廓清晰；通过灰度变换改变图像直方图分布，使图像暗调和亮调部分集中到直方图的两端；
步骤203：对步骤202所得灰度图像进行形态学开运算，以改善图像上墨辊轮廓边缘的连接状况、修复图像边缘的微小断点，使边缘更加平滑；
步骤204：在步骤203的基础上，进行双边滤波；
步骤205：将步骤204所得图像进行二值化，对该二值图像进行形态学开运算，进一步改善墨路系统轮廓图像的细节，使得图像边缘连续、平滑；和原图比较，如有轮廓缺失，用黑色添补，如有多余色块，用白色擦除，以得到轮廓清晰的墨辊布局二值化图像；
S3：图像分析，获得墨路结构参数数据，具体为：
步骤301：对步骤二所得墨辊布局二值图像，利用霍夫变换算法检测图像中的圆形，调整算法中半径范围、边界阈值、敏感度的参数设置，找到所有圆形区域的圆心坐标、半径；
步骤302：以步骤301所得圆心和半径，在原图上叠印显示出检测得到的圆，检查是否有墨辊轮廓对应的圆未被检测出来，若有，返回步骤301，继续调整半径范围、边界阈值、敏感度的设置值，直至所有的墨辊轮廓圆都被检测出来，以这些轮廓圆的圆心和半径作为最终墨路系统中对应位置的墨辊的中心位置坐标、半径；轮廓圆的数量即是墨辊的数量；
步骤303：根据所得墨辊的中心位置坐标及其半径，自动寻找墨辊滚压点，得到墨辊滚压点位置坐标，寻找方法为记两墨辊的中心坐标分别为(x1，y1)、(x2，y2)，半径分别为r1、r2，则两墨辊的中心距
Figure FDA0003784891370000011
判断中心距与半径和的关系，若
Figure FDA0003784891370000012
ε1可取0.90～0.95，ε2可取1.05～1.15，则确定该两墨辊之间存在滚压点，滚压点坐标为(xp，yp)，其中
Figure FDA0003784891370000013
在原图上叠印显示滚压点，检查是否有遗漏或误判的滚压点，若有，重新设置ε1与ε2的数值，直至所有滚压点都被正确寻找到；对于墨斗辊与墨刀片的滚压点，其坐标是在图像上手动点选获得；
步骤304：在二值图像中标记出墨斗辊、传墨辊、匀墨辊、着墨辊、印版滚筒、橡皮滚筒、压印滚筒，从1开始，依次编号为墨斗辊编号1，传墨辊编号2，直到传墨辊编号N；其中N为墨辊数量，由步骤302中获得，依次标记；同时给每根墨辊标注转向；由于墨辊之间是相互纯滚动滚压，相互滚压的两个墨辊是反向的，依此原则标注墨辊转向；
步骤305：根据墨辊的中心位置坐标、半径、滚压点坐标，计算每根墨辊上滚压点的相位角角；记编号i的墨辊中心坐标为(xi，yi)，半径为ri，与其余某墨辊有滚压点Pm，坐标为(xm，ym)，以(xi，yi)为极坐标原点，以逆时针方向为极坐标极角正方向，则可计算得到滚压点Pm的极坐标为(rm，θm)，并且：
Figure FDA0003784891370000021
Figure FDA0003784891370000022
其中rm、θm分别为极径、极角；
据此，以(-1)cθm作为滚压点Pm在墨辊i上的相位角，其中c为墨辊i的转向值，逆时针记为0，顺时针为1；由此计算得到每根墨辊上的所有滚压点的相位角；
S4：根据墨路结构参数分析与计算，获得墨路稳态性能参数；
S5：根据获得的滚压关系矩阵，自动生成及构建模块化自动仿真系统，自动运行仿真得到墨量响应曲线、计算得到墨路动态参数；
S6：根据墨路系统结构参数、稳态性能参数、动态性能参数，生成分析报告。
2.根据权利要求1所述的一种胶印机墨路系统性能参数快速分析方法，其特征在于，所述S5具体为：
步骤501：根据步骤305所得每根墨辊上的所有滚压点的相位角，获得任一墨辊i上按滚压点相位角从大到小排列的相位角序列{θp，θp-1，…，θ1}，及对应的滚压点编号序列
Figure FDA0003784891370000023
其中p为墨辊i上滚压点的数量；考虑相位的周期性，将该相位角序列延拓增加一个元素为{θp，θp-1，…，θ1，θp}，延拓后对应的滚压点编号序列为
Figure FDA0003784891370000024
这些序列表示出了每个滚压点的前一个滚压点编号；确定两个滚压点之间墨辊需滚压的距离，得到N个滚压距离序列；
步骤502：对于墨辊i，将该墨辊上的滚压点依次进行编号，从1到mi，mi为第i根墨辊上的所有滚压点数目；记M为总的滚压点数目，给每个滚压点编号，称为滚压点的总编号，从1到M；可将滚压点表示为
Figure FDA0003784891370000031
其中m为滚压点总编号，1≤m≤M，p是指该滚压点是墨辊i上的第p个滚压点，q是指该滚压点是墨辊j上的第q个滚压点，每个滚压点都是两根墨辊的交点，滚压点
Figure FDA0003784891370000032
既在墨辊i上又在墨辊j上，所有滚压点按所述方式表示；对滚压点
Figure FDA0003784891370000033
根据步骤501结果，确定其在第i个墨辊上的前一个滚压点
Figure FDA0003784891370000034
在第j个墨辊上的前一个滚压点
Figure FDA0003784891370000035
以及该两点分别到滚压点
Figure FDA0003784891370000036
的滚压距离(θp-θp-1)ri、(θq-θq-1)rj，由此构造
Figure FDA0003784891370000037
滚压关系向量{m，i，j，(θp-θp-1)ri，(θq-θq-1)rj}，所有M个滚压点的滚压关系向量组成维数为M×5的滚压关系矩阵；
步骤503：建立滚压点墨层厚度转移模型，搭建通用的滚压点仿真模块；记滚压点
Figure FDA0003784891370000038
滚压后的墨辊表面墨层厚度为δm(t)，该滚压点在第i个墨辊上的前一个滚压点
Figure FDA0003784891370000039
在第j个墨辊上的前一个滚压点
Figure FDA00037848913700000310
滚压后的墨辊表面墨层厚度分别为
Figure FDA00037848913700000311
根据滚压油墨平均分离原理，则滚压点墨层厚度转移模型为：
Figure FDA00037848913700000312
其中t为当前时刻，
Figure FDA00037848913700000313
表示时滞运算，根据步骤503可知时滞参数
Figure FDA00037848913700000314
v为墨辊表面线速度；
由于墨辊之间滚压近似为纯滚动，所以速度v即为印刷速度；为简化计算，令v的值为1，具体应用中根据实际印刷速度换算实际时间；简化后，
Tm1＝(θp-θp-1)ri、Tm2＝(θq-θq-1)rj；
由此，根据该滚压点墨层厚度转移模型方程，搭建通用的滚压点仿真模块，模块输入变量为
Figure FDA00037848913700000315
min1，min2为输入端通道编号；在这两个输入通道中设置滞后时间作为模块参数，分别为Tm1、Tm2，模块的输出变量为δm(t)，m为输出端编号；
步骤504：所述计算机调用墨路动态特性分析模块，根据502所得滚压关系矩阵，在matlab/simulink软件平台中，自动生成M个滚压点仿真模块，并根据滚压关系矩阵自动进行模块相互连接，设置各模块输入参数；对于滚压关系矩阵的第m行为{m，i，j，(θp-θp-1)ri，(θq-θq-1)rj}，则将第i个模块的输出端、第j个模块的输出端分别连接至第m个模块的输入端第一通道和输入端第二通道，并设置第一通道和第二通道的滞后时间参数分别为(θp-θp-1)ri、(θq-θq-1)rj，整个仿真系统以墨斗辊与传墨辊的滚压点仿真模块中的第一个通道作为输入，并设置输入值为100；以压印滚筒与印张滚压点仿真模块的输出作为整个系统的第一个输出；同时，以压印滚筒与橡皮滚筒的滚压点记为Pz0、着墨辊与印版滚筒的滚压点沿印版滚筒旋转方向依次记为
Figure FDA0003784891370000041
对应的仿真模块的输出作为整个系统的其余的输出；连接及设置完成后，设置仿真时间并运行仿真，由此，在仿真系统的第一个输出上获得印张墨量响应曲线，该曲线表示了滚压到压印滚筒表面的纸张上的墨层厚度变化；
步骤505：对步骤504所得印张墨量响应曲线以时间间隔Δt进行采样，得到数值序列{i，y(i)}，i＝0，1，2…，L；Δt的选取应使得40≤L＜50；设置稳态的判断依据为连续4～8个采样点的数值增量值小于采样点数值的1％，且获得的曲线在稳态阶段的采样点数为10～15；若印张墨量响应曲线若未达到稳态，返回步骤504，重新设置稍长的仿真时间并运行仿真，直至曲线达到稳态；由此，根据达到稳态的印张墨量响应曲线确定墨路系统的动态特性参数，即系统增益K、滞后时间常数τ、惯性时间常数T：
Figure FDA0003784891370000042
τ＝i*Δt，T＝i**Δt-τ，
其中w取值范围4～6，i*是使得y(i*)最接近ε*K的值，ε取2％～5％；i**是使得y(i**)最接近63.2％*K的值；
步骤S506：计算着墨率；根据步骤504，得到滚压点Pz0，Pz1，Pz2，…，
Figure FDA0003784891370000045
的仿真模块输出的墨量响应曲线；采用S505方法，得到这些墨量响应曲线对应的系统增益，分别记为
Figure FDA0003784891370000044
由此可得墨路系统的第i根着墨辊的着墨率
Figure FDA0003784891370000043
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