Разработка методик и средств фотометрического контроля технологических процессов и настройки полиграфического оборудования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.13, кандидат технических наук Троицкий, Александр Сергеевич

• Троицкий, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Троицкий, Александр Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДСТВ НАСТРОЙКИ ПОЛИГРАФИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

1.1 Анализ роли средств фотометрического контроля в технологическом процессе.

1.2 Фотометрические величины и единицы их измерения.

1.3 Схемы существующих фотометров.

1.4 Методы и средства метрологического обеспечения.

1.5 Постановка задачи.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ И ОПТИЧЕСКОЙ

СХЕМЫ СПЕКТРОФОТОМЕТРА.

2.1 Общие положения принципов построения спектральных приборов.

2.2 Теория вогнутых дифракционных решёток, расчёт полихроматора.

2.3 Обоснование используемой геометрии освещения и оптической схемы прибора.

2.4 Расчёт оптической схемы прибора.

2.5 Энергетический расчёт.

ГЛАВА 3. АВТОМАТИЗАЦИЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРА «ТКА-СПЕКТР» И

ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО ХАРАКТЕРИСТИК.

3.1 Составление структурной схемы автоматизации.!.

3.2 Автоматизация управления ПЗС с помощью РЬЭ.

3.3 Разработка алгоритма работы прибора.

3.4 Исследование характеристик «ТКА-Спектр».

3.4.1 Исследование уровня полезного сигнала на выходе с ПЗС линейки.

3.4.2 Исследование характеристик оптоволоконного тракта.

3.4.3 Исследование метрологических характеристик.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДИК, АЛГОРИТМОВ И КОНСТРУКЦИИ

ДЛЯ СЕРИИ ПРИБОРОВ КОНТРОЛЯ И НАСТРОЙКИ ПОЛИГРАФИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.'.

4.1 Методика создания источника излучения на основе светодиодов и стеклянных светофильтров.

4.2 Методика измерения цвета на основе сверхярких светодиодов.

4.3 Разработка и реализация методики калибровки измерителя пульсации.

4.4 Обоснование использования диодной линейки вместо ПЗС.

4.5 Разработка конструкции полихроматора.

4.6 Обоснование использования микроконвертора АОиСЪЪХ вместо процессора.

4.7 Разработка алгоритма управления работой диодной линейки и его реализация.

ГЛАВА 5. РЕАЛИЗАЦИЯ РАЗРАБОТАННЫХ МЕТОДИК В ПРИБОРАХ ТКА-ВД/01-06 КОНТРОЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И НА

• СТРОЙКИ ПОЛИГРАФИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ.

5.1 Проведение апробации разработанных конструкций и алгоритмов при создании спектрофотометров ТКА-ВД/01 и /02 настройки и контроля цветовых характеристик производственных мониторов.

5.2 Выполнение апробации разработанной методики калибровки и алгоритмов при создании спектрофотометров ТКА-ВД/03 и /04 контроля облучённости УФ излучения в лакировальных секциях печатных машин.

5.3 Разработка автоматизированных спектрофотометров ТКА-ВД/05 и /06 для контроля оптических характеристик полиграфических материалов и настройки оборудования.

5.4 Апробация установки для калибровки прибора «ТКА-Пульс».

Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методик и средств фотометрического контроля технологических процессов и настройки полиграфического оборудования»

Последние десятилетия характеризуются бурным развитием полиграфической промышленности во всём мире. В первую очередь это связано с развитием компьютерной техники и средств автоматизации. При эксплуатации полиграфического оборудования существует множество факторов, влияющих на качество конечного продукта: это методы и средства контроля технологических процессов, методики настройки и диагностики оборудования, соблюдение технологического цикла, квалификация персонала. Таким образом, разработка новых средств и методов настройки оборудования, контроля технологических процессов, повышающих потребительские качества продукции, является важной научно-технической задачей.

Кроме серьёзных изменений произошедших во всей структуре полиграфического производства произошли серьёзные изменения и в технике, используемой для проведения фотометрических измерений. Так на данный момент существует огромный выбор различных типов приёмников и источников излучения, разработано большое количество новых оптических материалов, новых подходов к созданию измерительных приборов широкого применения. Это даёт возможность разрабатывать приборы, отличающиеся от традиционно известных более высокой точностью, малым энергопотреблением, высокой степенью автоматизации и как следствие более надёжными и удобными в эксплуатации.

В конце прошлого столетия существовало два пути решения перечисленных проблем: ориентироваться на импорт измерительной техники, либо налаживать собственное производство.

На первом этапе народное хозяйство РФ пошло по пути импорта техники, в общем, и измерительной в частности. Тем более что в мире существовало несколько десятков приборостроительных фирм, работающих по принципу: «Тысячу приборов для тысячи задач», способных поставлять простые, недорогие, надёжные и удобные в использовании приборы для различного рода измерений, в том числе фотометрических.

Для ряда отраслей, и в одну из первых очередей для полиграфии, этот путь оказался очень перспективным, так как появилась возможность закупать самое новое оборудование. Тем не менее, второй возможный путь решения накопившихся проблем - оснащение полиграфической промышленности отечественной продукцией оставался более привлекательным, и в первую очередь это касалось оптикоэлектронной измерительной техники.

Самым главным аргументом в пользу разработки и создания отечественных средств измерения, в частности, фотометров технологического назначения, является общий высокий уровень отечественной оптической промышленности и оптической науки. Для полиграфии особенно значима разработка приборов технологического назначения для контроля белизны, цвета и оптической плотности материалов и покрытий, используемых в технологических процессах.

Актуальность работы. В последнее время сформировался целый ряд научно-технических проблем, связанных с появлением значительного ассортимента различных сортов импортных бумаг, красок и лаков, увеличением скоростей работы печатных машин. В связи с этим предъявляются более жёсткие требования к контролю качества продукции, следовательно, и к используемой измерительной технике. Необходимо отметить, что значительное количество полиграфической продукции должно проходить контроль качества оптическими методами с применением фотометрических приборов. В настоящее время отечественная промышленность не осуществляет серийный выпуск автоматизированных фотометров технологического назначения. Фотометры, выпускающиеся ранее, морально устарели, а их выпуск прекращён. Поэтому, разработка и исследование оптических приборов и установок настройки полиграфического оборудования, включающих в свой контур ЭВМ, актуальна и требует развития как технических, так, и алгоритмических, и программных средств.

Целью работы является создание приборов для настройки и контроля допечат-ных и печатных технологических процессов в полиграфическом оборудовании.

Основными задачами исследования являются: 1. Анализ существующего полиграфического оборудования и технологических процессов на допечатной и печатной стадиях для определения рациональных мест размещения и требований к конструкции и метрологическим характеристикам фотометров.

2. Разработка технической и метрологической базы спектральных, оптнкоэлек-тронных фотометров и схем их автоматизации.

3. Разработка, изготовление макета фотометра и исследование его метрологических характеристик с целыо определения правильности выбранной концепции и улучшения характеристик, создаваемых фотометров.

4. Разработка методики проектирования эталонного источника света для фотометров со спектральным распределением, близким к Я - образной форме, на основе сверхярких светоднодов и стеклянных светофильтров.

5. Разработка методики измерения цвета на основе использования светоднодов с малой полушириной спектрального излучения.

6. Разработка методики калибровки измерителя пульсаций и её реализация.

7. Разработка универсальной конструкции оптико-электронного блока созданного фотометра на основе проведённой научно-исследовательской работы и создание рекомендаций по разработке приборов серии «ТКА-ВД».

8. Разработка и изготовление фотометров серии «ТКА-ВД», создание алгоритмов их работы и метрологического обеспечения.

Методы исследований. В работе использовались методы фотометрии и радиометрии оптического излучения. В основу созданного оборудования положены принципы светотехнических измерений, основные положения теории цвета. Использованы методы интегрального исчисления и математической статистики. Экспериментальные измерения для получения сравнительных характеристик выполнены с помощью следующей спектральной, оптико-электронной аппаратуры: СФ-10, МДР4, МДР-23, ЛМ-3, Пульсар, X-Rite 938, Gretag Macbeth "Spectra Eye" и др.

Научная новизна работы.

1. Обоснованы принципы построения фотометров для управления технологическими процессами и настройки оборудования полиграфической отрасли на допе-чатной и печатной стадиях.

2. Создана модель построения фотометров серии «ТКА-ВД» для нужд поли6 графии, разработаны рекомендации по созданию фотометров технологического назначения серии «ТКА-ВД».

3. Разработана методика создания эталонного источника со спектральным распределением, близким к Я-образной форме, на основе сверхярких светодиодов и стеклянных светофильтров.

4. Разработана методика измерения цвета на основе использования сверхярких светодиодов с малой полушириной спектрального излучения.

5. Разработана методика калибровки измерителя пульсаций и осуществлена его реализация.

6. Созданы схемы автоматизации разработанных фотометров на базе программируемых логических устройств (далее РЬБ), прибора с зарядовой связью (далее ПЗС - линейка), диодных линеек, микропроцессоров и микроконвертеров.

7. Разработаны оригинальные алгоритмы, заложенные в основу работы фотометров серии «ТКА-ВД», и методики калибровки.

Практическая значимость и реализация результатов работы. Разработанная система методик и приборов позволит реализовать:

1. Настройку печатных машин по результатам измерения цвета и оптической плотности тестовых шкал.

2. Настройку мониторов автоматизированного полиграфического оборудования для обеспечения правильной цвето- и тонопередачи.

3. Настройку оборудования, управляющего отбеливанием бумаги, по результатам измерения белизны.

4. Контроль цветовых характеристик источников оптического излучения.

5. Контроль ультрафиолетовой составляющей (УФ) в сушильных устройствах лакировальных секций.

6. Исследование процессов старения материалов за счёт периодического измерения их цветовых характеристик.

7. Полученные результаты использованы для разработки специализированных спектрофотометров технологического назначения серии «ТКА-ВД».

8. Результаты проведённых работ используются в учебных курсах "Метрология, стандартизация и сертификация", "Светотехнические измерения в полиграфии", читаемых в СЗИП для специальности.

9. Разработанные средства внедрены на полиграфическом предприятии ООО "Форзатц", на ООО "НТП-ТКА", получен сертификат об утверждении типа средств измерений на прибор «ТКА-Пульс».

Апробация работы. Основные результаты работы и научные положения, выносимые на защиту, докладывались и обсуждались на следующих конференциях и семинарах:

- 5 Международная светотехническая конференция. СПб. 2-5 сентября 2003г.

- 4-я международная конференция «Консервация памятников культуры в единстве и многообразии». СПб. 21-24 октября 2003.

- 14 Научно-техническая конференция «Фотометрия и её метрологическое обеспечение» М: ВНИИОФИ 2004г.

- Конференция «Оптика и образование-2004» СПб. 21-22 октября 2004.

- 6-я международная светотехническая конференция. Калининград, Светлогорск. 19-21 сентября 2006 г.

Публикации. Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 10 печатных работах, из них: 2 статьи, опубликованы в журналах, входящих в "Перечень." ВАК РФ, 3 статьи, опубликованы в научных сборниках, 5 публикаций в материалах и тезисах конференций.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка и двух приложений. Основная часть работы изложена на 124 страницах машинописного текста, содержит 71 рисунок, 9 таблиц и 67 наименований библиографического списка.

Заключение диссертации по теме «Машины, агрегаты и процессы (по отраслям)», Троицкий, Александр Сергеевич

Выводы.

1.В результате проведённого анализа литературных источников установлены оптические показатели: белизна, оптическая плотность, координаты цвета, контроль которых повышает качество полиграфической продукции и улучшает работу полиграфического оборудования.

2. Разработана концепция построения базовой модели спектрофотометра контроля качества технологических процессов и настройки оборудования на допе-чатной и печатной стадиях полиграфического производства.

3. Предложены технические решения и схемы автоматизации спектрофотометров «ТКА-ВД».

4. Предложена и экспериментально подтверждена методика создания источника света со спектральным распределением близким к П - образной форме. Реализация разработанного источника света позволило упростить и повысить точность работы спектрофотометра, используемого для настройки работы многокрасочных печатных машин и контроля белизны полиграфических материалов.

5. Предложена и экспериментально подтверждена альтернативная методика измерения цвета полиграфических материалов на основе светодиодов с "узким" спектром излучения. Реализация предложенной методики в приборе позволит существенно упростить прибор, исключив из его структуры полихроматор.

6. Разработаны методики калибровки и настройки приборов серии «ТКА-ВД».

7. Созданы автоматизированные, метрологически обеспеченные приборы серии «ТКА-ВД» контроля технологических процессов и настройки полиграфического оборудования: настройки производственных мониторов на допечатной стадии полиграфического производства, контроля УФ излучения в сушильных секциях лакировальных устройств печатных машин, контроля и настройки белизны и цвета полиграфических материалов и печатных машин.

8. Разработана и реализована методика калибровки измерителя пульсации освещённости производственных помещений. Использование измерителя пульсации позволяет предотвратить возможность возникновения стробоскопического эффекта при обслуживании полиграфического оборудования и как следствие уменьшить вероятность травмирования обслуживающего персонала.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Троицкий, Александр Сергеевич, 2006 год

1. Козлов М.Г., Томский К.А., Троицкий A.C. Фотометры контроля качества полиграфической продукции // Измерительная техника. 2004. - №12. - С.35-38.

2. Кузнецов Ю.В. Основы подготовки иллюстрации к печати. Растрирование. Учебное пособие. Москва. Издательство МГУП «МИР книги» 1998.

3. Самарин Ю.Н., Н.П.Сапошников, Синяк М.А. Допечатное оборудование. Москва. Издательство МГУП. 2000.

4. Зирнзак Л.Ф., Леймонт Л.Л., Самарин Ю.Н., В.И. Штоляров. Листовые офсетные печатные машины. Москва. Издательство МГУП. 1998.

5. Денисюк А.И., Кузьмин В.Н., Николаев С.Е., Сафронов C.B., Томский К.А., Троицкий A.C. Денситометр для измерения оптической плотности киноматериалов. // Ж. Измерительная техника 2006. - №7. - С.39-41.

6. Томский К.А. Изготовление для библиотек России переносных оптико-электронных приборов для контроля за сохранностью документов в процессе хранения. НИОКР. Рег.№ 13990.-2003 и Рег.№ 13991.-2003.

7. Контроль физических факторов производственной среды, опасных для человека: энциклопедия «Экометрия» из серии справочных изданий по экономическим и медицинским измерениям. М.: ИПК Издательство стандартов. 2002.

8. Физические факторы эколого-гигиеническая оценка и контроль. Том 1 (Руководство). М. "Медицина", 1999.

9. Ю.СНиП 23.05-96. "Естественное и искусственное освещение".

10. МУ 2.2.4.706-98/МУ ОТ РМ 01-98. Оценка освещения рабочих мест.

11. ГОСТ 26148-84 Фотометрия, термины и определения с. 3,5,12,13,14.

12. Тарбеев Ю.В., Асташенков А.И., Александров Ю.И., Горобей В.Н., Иванов B.C., Колтик Е.Д., Конопелько Л.А., Сафаров Г.П., Синельников А.Е., Чаленко

13. Н.С., Шифрин В.Я. и т.д. Российская Метрологическая Энциклопедия. Издательство Лики России: 2001г. ISBN 5-87417-134-7.14. ГОСТ 13088-67

14. Джад Д. и Вышецки Г. Цвет в науке и технике. Издательство «Мир» Москва 1978г.

15. ГОСТ 9160-91. Материалы фотографические на прозрачной подложке. Метод общесенситометрического испытания многослойных цветофотографических материалов.

16. Ишанин Г.Г., Панков Э.Д., Челибанов В.П. Приёмники излучения. СПб, Папирус, 2003.

17. Griesser R. Stand der instrumenteilen Weissbewertung unter besonderer Berücksichtigung. Textilverdlung, 1983, B. 18, N 5, S. 157-162.

18. Гуревич M.M. Цвет и его измерение. М.-Л.: АН СССР, 1951, 268 с.

19. CIE 1964 (1986) Supplementary Standard Colorimetric Observer and CIE Standart-Illuminant D65.

20. A.H. Зайдель, Г.В. Островская, Ю.И. Островский. Техника и практика спектроскопии. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. Москва 1972.

21. И.В. Пейсахсон. Оптика спектральных приборов. Ленинград «Машиностроение» Ленинградское отделение. 1975.

22. Ишанин Г.Г. Панков Э.Д. Андреев А.Л. Польщиков Г.В. Источники и приёмники излучения. Санкт-Петербург «Политехника». 1991.

23. ГОСТ 8.205 90 Государственная поверочная схема для средств измерений координат цвета и координат цветности.

24. Passeran G. Spectrographe a champ plan pourun domaine spectral etenau utilisant un121reseau holographique concave. Пат. Франции 2334947, B.O.P.J, 1977, №27.

25. Гуревич M.M. Введение в фотометрию. Л.: Энергия, 1968, 244 с.28.ISO/TC 6/WG 3: N 38929.ISO/TC 6/WG 3: N 340

26. Стандарт 8874 80 «Метод определения прозрачности и непрозрачности бумаги»

27. Nils Pauler. AB LORENTZEN & WETTRE32.ISO 11475

28. ГОСТ 30116 94 (ИСО 2469 - 77) Межгосударственный стандарт. Бумага, картон и целлюлоза. Измерение коэффициента диффузного отражения.

29. ISO 2470 77 «Бумага и картон, Измерение коэффициента диффузного отражения в голубом свете»

30. В.В. Лебедева. Экспериментальная оптика. Издательство Московского университета 1994.

31. Зб.Эпштейн М.И. Измерения оптического излучения в электронике. М., «Энергия», 1975.37.0сновы оптической радиометрии под ред. проф. А.Ф. Котюка.- М.: Физматгиз, 2003, С.153-156.

32. ГОСТ 721-76. Стандартные источники излучения.39.www.veint.ru40.www.altera.com

33. Луизов A.B. Цвет и свет. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1989.-256 с.

34. Гуревич М.М. Фотометрия (теория, методы и приборы). 2-е изд., перераб. и доп. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. -272с.

35. Козлов М.Г., Томский К.А. Светотехнические измерения. СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2004. - 320 с. ISBN 5-8122-0305-9.

36. Каталог цветного стекла. Изд. "Машиностроение", М.: 1967, 26 стр.

37. Саттаров Д.К. Волоконная оптика. Л., «Машиностроение». 1973,280 стр.

38. ГОСТ 17616 82 С. 33. Приложение 3.51.http: // www.tka.spb.ru52.ГОСТ 12.1.014-84

39. Кузьмин В.Н., Николаев С.Е., Сафронов C.B., Томский К.А., Троицкий A.C. Измерение коэффициента пульсации освещённости. Тезисы докладов 14 научно-технической конференции «Фотометрия и её метрологическое обеспечение». М.: ВНИИОФИ 2004. с.55.

40. Кузьмин В.Н., Томский К.А., Троицкий A.C. Измерения пульсаций источников излучения. // Ж. Светотехника. 2004. №1 - с.32-33.

41. Дмитрий Юрковский. Твёрдотельные датчики изображения. // Электронные компоненты. 2003. - №2. Стр. 64.

42. Погарев Г.В. Юстировка оптических приборов. JL, «Машиностроение», 1968.57.www.analog.com

43. Фрунзе A.B. Микроконтроллеры? Это же просто! В 3-х т. М.: ИД СКИМЕН, 2003.59.www.keil.com

44. Кузьмин В. Н, Томский К. А. Приборы для измерения светотехнических параметров дисплеев и рабочих мест. // Ж. «Проблемы информатики», декабрь 1999.

45. Кузьмин В.Н., Троицкий A.C., Томский К.А. Научное, методическое и приборное обеспечение курса «Светотехника» (для технических ВУЗов). / НИОКР. Заказчик Фонд СРМФП. Per. № 13989. - 2003.123

46. Под общей редакцией д.т.н. В.А. Панова. Справочник конструктора оптико-механических приборов. Ленинград «Машиностроение». Ленинградское отделение 1980г.

47. Кузьмин В.Н., Томский К.А., Троицкий A.C. Измеритель пульсации источников излучения. Тезисы докладов 5-ая Международная светотехническая конференция. СПб., 2003. - с. 193-195. В71.