BOBST 加裝在線賦碼系統(tǒng)改造研究

賈環(huán)，何邦貴，夏家良

（1.650504 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué)；2.650231 云南省 昆明市 云南九九彩印有限公司）

0 引言

二維碼也稱為“二維條碼”[1]，是一種在平面的二維方向上按一定規(guī)律分布的黑白相間的幾何圖形[2]，用于記錄數(shù)據(jù)和信息。近年來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展[3]與智能手機(jī)的普及[4]，極大地提高了二維碼的使用頻率。現(xiàn)在所用的二維碼多為可變二維碼，即任何一個(gè)二維碼都能保證其唯一性，且每個(gè)二維碼可以匹配于不同的產(chǎn)品，這就是人們常說(shuō)的“一物一碼”[5]，該方式在技術(shù)與具體應(yīng)用方面具有信息儲(chǔ)量大、識(shí)別速度快、糾錯(cuò)能力強(qiáng)、安全可靠性高等優(yōu)勢(shì)。因以上優(yōu)勢(shì)，二維碼在煙標(biāo)印刷上得到廣泛應(yīng)用，但因印刷設(shè)備、技術(shù)與工藝等諸多方面的因素，大大限制了各印刷企業(yè)對(duì)連線賦碼印刷技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，因此以設(shè)備改造的方式進(jìn)行在線賦碼印刷研究具有較大意義。

1 云龍煙標(biāo)印刷工藝分析

某廠云龍煙標(biāo)采用了“凹印+UV”的復(fù)合型印刷工藝，產(chǎn)品樣張見(jiàn)圖1。該煙標(biāo)所涉及的印刷工藝包括色墨印刷、UV 上光、UV 冰花錘紋印刷、燙金和賦碼。在印刷過(guò)程中，色墨印刷部分最先進(jìn)行，UV 上光部分在色墨印刷之后，UV 冰花錘紋印刷之前，隨后進(jìn)行燙金、賦碼、壓凸和模切等加工工序，燙印與賦碼兩大加工工藝順序可調(diào)。現(xiàn)有的印刷工藝流程見(jiàn)圖2。

圖1 云龍煙標(biāo)產(chǎn)品圖Fig.1 Product drawing of Yunlong cigarette label

圖2 “凹印+UV”組合印刷工藝生產(chǎn)流程圖Fig.2 Production flow chart of "gravure +UV"combined printing process

云龍煙標(biāo)現(xiàn)有的生產(chǎn)工藝雖能進(jìn)行正常生產(chǎn)，但是該印刷工藝中，煙標(biāo)的色墨、上光、冰花錘紋印刷部分與在線賦碼部分分開(kāi)，即現(xiàn)有的印刷工藝太過(guò)繁瑣，導(dǎo)致煙標(biāo)的生產(chǎn)效率與合格率較低，對(duì)煙標(biāo)的大批量生產(chǎn)造成不利影響。

為提高冰花錘紋的印刷速度，進(jìn)而提高煙標(biāo)印刷的生產(chǎn)效率和合格率，擬對(duì)云龍煙標(biāo)現(xiàn)有的印刷工藝進(jìn)行改進(jìn)，將現(xiàn)有的離線賦碼改為在線賦碼，即對(duì)色墨印刷、UV 上光印刷、冰花錘紋印刷部分與賦碼部分進(jìn)行聯(lián)線控制，保障以上幾部分印刷工藝在凹版印刷機(jī)上一次性完成[6]。隨后將印品轉(zhuǎn)入燙金、壓凸/模切、檢驗(yàn)/收碼和裝箱等加工工藝。改進(jìn)后的工藝生產(chǎn)流程見(jiàn)圖3。

圖3 “凹印+UV”組合印刷工藝改進(jìn)流程圖Fig.3 Flow chart of "gravure +UV" combined printing process improvement

2 賦碼印刷

根據(jù)印刷方式可將賦碼印刷分為在線賦碼與離線賦碼兩種[7]。相比離線賦碼，在線賦碼方式用于煙標(biāo)二維碼印刷具有簡(jiǎn)化印刷工藝、縮小印刷場(chǎng)地、節(jié)約生產(chǎn)能源及節(jié)省人工數(shù)量等特點(diǎn)，因此本次研究為煙標(biāo)凹版印刷設(shè)備與在線賦碼連線的設(shè)備改造[8]。

為進(jìn)一步細(xì)化改造方案，現(xiàn)對(duì)賦碼印刷的設(shè)備組成與賦碼原理進(jìn)行分析。該賦碼設(shè)備主要包括編碼器、氣路、定位系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)及賦碼控制系統(tǒng)。該賦碼設(shè)備所用的油墨為UV 油墨，所以除以上各組成部分外還設(shè)有單獨(dú)的UV 固化系統(tǒng)。賦碼印刷的原理為：紙張收卷裝置牽引紙張運(yùn)動(dòng)，紙張放卷裝置也隨之同步運(yùn)動(dòng)，保障連卷紙張勻速進(jìn)入賦碼設(shè)備，當(dāng)賦碼設(shè)備完成噴碼操作后，紙張進(jìn)入U(xiǎn)V 固化燈箱，將完成噴印的油墨固化，隨后將完成賦碼的計(jì)算機(jī)進(jìn)行復(fù)卷，為轉(zhuǎn)入下一生產(chǎn)工序做準(zhǔn)備。參見(jiàn)圖4。

圖4 賦碼印刷原理圖Fig.4 Code printing schematic diagram

3 設(shè)備改造方案

3.1 印刷設(shè)備改造可行性分析

本文主要研究BOBST LEMANIC 820 凹印機(jī)組加裝在線賦碼印刷設(shè)備的聯(lián)線改造。因凹印機(jī)組位于1 樓凹印車(chē)間，所以不予考慮其他樓層及車(chē)間的場(chǎng)地使用情況，調(diào)研測(cè)量的數(shù)據(jù)也主要是集中于1 樓凹印車(chē)間場(chǎng)地基建及凹印與UV 印刷設(shè)備的相關(guān)尺寸[9]，參見(jiàn)圖5。

圖5 凹印車(chē)間層高及BOBST LEMANIC 820 凹印機(jī)組高度Fig.5 Height of gravure workshop and height of BOBST LEMANIC 820 gravure printing unit

1 樓凹印車(chē)間層高為9.8 m，現(xiàn)車(chē)間中只有BOBST LEMANIC 820 一套凹印機(jī)組，該凹印機(jī)組長(zhǎng)30.6 m，寬5 m，高3.3 m，共包含8 個(gè)印刷色組，且各印刷色組間存在間隙：上部區(qū)域?qū)挾葹?.3 m，中間區(qū)域最寬部分為0.45 m，下部區(qū)域?qū)挾葹?.95 m，還包括卷紙收放裝置各一組、接紙單元、儲(chǔ)紙單元和張力控制及導(dǎo)向單元，在第7 色組和第8 色組上方各裝有一組UV 固化燈箱，第7 和第8 兩個(gè)印刷色組中間裝有一組UV引爆燈箱，以實(shí)現(xiàn)UV 上光及冰花錘紋印刷功能。因此該印刷設(shè)備具有普通色墨與UV 油墨印刷功能，但不具備賦碼功能。

在印刷設(shè)備改進(jìn)前，需對(duì)所用的凹版印刷設(shè)備與賦碼印刷設(shè)備的印刷參數(shù)進(jìn)行可行性分析。在該設(shè)備加裝改造方案中，印刷速度是核心，即兩種印刷裝置具有相同的印刷速度范圍是實(shí)現(xiàn)設(shè)備改造的前提。在該設(shè)備改造中涉及到的印刷設(shè)備為裝有UV 系統(tǒng)的BOBST LEMANIC 820 凹印機(jī)組與賦碼設(shè)備。印刷設(shè)備速度范圍見(jiàn)表1。

表1 印刷設(shè)備速度范圍Tab.1 Speed range of printing equipment

如表1 所示，改裝后的印刷設(shè)備可以在100～160 m/min 的速度范圍內(nèi)進(jìn)行試機(jī)實(shí)驗(yàn)，但是具體印刷速度還需進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2 設(shè)備改造方案具體構(gòu)成

在設(shè)備改造方案中，改造后的BOBST LEMANIC 820 凹印機(jī)組在原有的色墨印刷、UV上光及冰花錘紋印刷功能的基礎(chǔ)上增加了在線賦碼功能。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，在本次設(shè)備改造中，需對(duì)BOBST LEMANIC 820 凹印機(jī)組原來(lái)加裝的兩組UV 固化燈箱與一組UV 引爆燈箱的空間位置進(jìn)行調(diào)整。為確定設(shè)備具體安裝位置，對(duì)UV 引爆引爆燈箱、UV 固化燈箱和賦碼設(shè)備的尺寸進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，具體尺寸值見(jiàn)表2。

表2 設(shè)備尺寸Tab.2 Equipment dimensions

對(duì)所需加裝印刷設(shè)備的尺寸進(jìn)行整理。BOBST LEMANIC 820 凹印機(jī)組各色組走紙方向?qū)挾葹?.5 m，無(wú)法直接安裝表1 中所給的各印刷裝置，凹印機(jī)組的空余空間在凹印機(jī)組上方，用加裝桁架的方式來(lái)增加設(shè)備安裝空間，結(jié)合三維模擬軟件，確定各加裝印刷設(shè)備的安裝位置，將第一UV 固化燈箱安裝于第7 色組上方，UV引爆燈箱、賦碼設(shè)備與第二UV 固化燈箱安裝于第8 印刷色組上方。圖6 為印刷設(shè)備改造二維模擬圖，圖7 為印刷設(shè)備改造三維模擬圖。

圖6 印刷設(shè)備改造二維模擬圖Fig.6 Two-dimensional simulation diagram of printing equipment transformation

圖7 印刷設(shè)備改造三維模擬圖Fig.7 Three-dimensional simulation diagram of printing equipment transformation

云龍煙標(biāo)在改造后的BOBST LEMANIC 820凹印機(jī)組上進(jìn)行試機(jī)印刷時(shí)，其設(shè)備安裝位置與走紙方式見(jiàn)圖6，因前6 個(gè)色組走紙方式相同，故2～5 色組走紙方式略去。其印刷步驟為：紙張由雙工位送紙機(jī)構(gòu)釋放，先后經(jīng)過(guò)換紙機(jī)構(gòu)、儲(chǔ)紙機(jī)構(gòu)、張力控制及導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、前6 個(gè)色組完成色墨印刷，之后經(jīng)用于印刷UV 上光油墨的第7 色組及加裝UV 固化燈箱完成UV 上光印刷，隨后進(jìn)入用于印刷UV 冰點(diǎn)油墨的第8 色組。因賦碼印刷設(shè)備所用的油墨也是UV 油墨，所以當(dāng)UV 冰點(diǎn)油墨經(jīng)UV 引爆燈箱進(jìn)行引爆起皺后先進(jìn)行賦碼操作，之后進(jìn)入第二UV 固化燈箱將引爆后的UV 冰點(diǎn)油墨和賦碼部分油墨同時(shí)固化。最后由雙工位收紙機(jī)構(gòu)對(duì)半成品進(jìn)行收卷，完成現(xiàn)有階段的煙標(biāo)印刷任務(wù)，轉(zhuǎn)入燙印、模切、檢驗(yàn)和裝箱等工序。

其中，賦碼單元置于第二UV 引爆與固化燈箱中間的原因有2 個(gè)：

（1）因賦碼所使用的油墨也是UV 油墨，故可在UV 冰點(diǎn)油墨引爆后先進(jìn)行賦碼操作，隨后與引爆后的UV 冰點(diǎn)油墨一同進(jìn)入第二UV 固化燈箱進(jìn)行固化干燥，可減少固化設(shè)備的使用次數(shù)，節(jié)約能源；

（2）在引爆起皺后的UV 冰點(diǎn)油墨需要一定的時(shí)間來(lái)收縮穩(wěn)定，為保障UV 冰點(diǎn)印刷的印品質(zhì)量，UV 引爆與固化燈箱之間需要至少150 cm的間距，賦碼單元的長(zhǎng)度為170 cm，固可將賦碼單元置于兩個(gè)燈箱中間以減少空間的浪費(fèi)。

在本次設(shè)備改造中，主要涉及到2 個(gè)單元與1 個(gè)固定桁架，其中2 個(gè)單元分別為：賦碼單元與設(shè)備支撐單元。

山西有經(jīng)銷(xiāo)商反映，目前當(dāng)?shù)剞r(nóng)民沒(méi)有充分了解新型肥料的好處，加之其售價(jià)高，所以對(duì)新型肥料的需求量和接受程度都不高，銷(xiāo)售困難可想而知。部分經(jīng)銷(xiāo)商十分重視新型肥料銷(xiāo)售工作，但在推廣過(guò)程中采取的是傳統(tǒng)地推模式，拉上肥料到各個(gè)大棚去推銷(xiāo)。這樣既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效果還一般。

（1）賦碼單元。前文提到，賦碼設(shè)備的系統(tǒng)組成主要包括：編碼器、氣路、定位系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、噴碼系統(tǒng)及賦碼控制系統(tǒng)。在進(jìn)行設(shè)備改造時(shí)，賦碼設(shè)備中原有的UV 固化系統(tǒng)由印刷冰花錘紋所用的UV 固化系統(tǒng)代替，賦碼系統(tǒng)與相關(guān)控制系統(tǒng)由固定型材轉(zhuǎn)接于設(shè)備支撐單元，型材具有減震作用，還便于賦碼單元的安裝位置調(diào)節(jié)。如圖8 所示為賦碼單元的具體構(gòu)成。

圖8 賦碼單元Fig.8 Coding unit

（2）設(shè)備支撐單元。設(shè)備支撐單元由多個(gè)設(shè)備支撐架組成，主要作用是安裝固定賦碼單元、UV 引爆燈箱、UV 固化燈箱和二維碼檢測(cè)裝置，具體安裝位置見(jiàn)圖9。該單元高度為1.2 m，以便于賦碼噴頭的調(diào)整與維護(hù)，還可提高對(duì)設(shè)備與工人的保護(hù)作用。該單元在賦碼單元下方還裝有多個(gè)輔助導(dǎo)紙輥，以提高賦碼質(zhì)量，如圖9 所示。

圖9 安裝位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of installation position

因紙張為柔性材料，沒(méi)有輔助導(dǎo)紙輥將導(dǎo)致紙張下墜，降低二維碼印刷質(zhì)量，但若加裝了輔助導(dǎo)紙輥，將大大提高二維碼的印刷質(zhì)量。如圖10所示，為有無(wú)輔助導(dǎo)紙輥情況下的紙張效果對(duì)比。

圖10 輔助輥?zhàn)饔脤?duì)比圖Fig.10 Comparative diagram of auxiliary roller action

（3）固 定桁架。固定桁架主要制作材料[10]是工字鋼與鋼板，通過(guò)焊接或螺栓固定的方式制作而成。該桁架一端直接利用地螺栓固定于地下，另一端搭在凹版印刷機(jī)組上。其主要作用是擴(kuò)大UV 引爆與固化燈箱和在線賦碼設(shè)備的安裝空間，用于固定設(shè)備支撐單元，并為印刷設(shè)備的檢查與維護(hù)提供安全便利的空間位置。

4 試機(jī)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

印刷可變二維碼所需的油墨量較少且形成的圖案墨層厚度較薄，簡(jiǎn)單的UV 固化設(shè)備輻照即可將所印油墨固化干燥，因此在檢測(cè)二維碼版面效果時(shí)暫不考慮UV 光固化設(shè)備工作功率對(duì)二維碼的固化影響，主要考慮印刷速度對(duì)二維碼印刷效果的影響。

在二維碼印刷質(zhì)量與印刷速度關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中，以印刷速度為變量，現(xiàn)將100～160 m/min 以10 m/min 為間隔分7 個(gè)實(shí)驗(yàn)組，各實(shí)驗(yàn)組包含20個(gè)實(shí)驗(yàn)樣張。實(shí)驗(yàn)完成后，按百分制的方式對(duì)二維碼的糊碼（20）、唯一性（20）、位置偏差（30）、識(shí)讀效果（30）進(jìn)行評(píng)分并求均值，評(píng)分結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 賦碼質(zhì)量與生產(chǎn)速度實(shí)驗(yàn)Tab.3 Experiment of coding quality and production speed

將表3 中測(cè)評(píng)總分可視化，并對(duì)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)做Spline 插值，再對(duì)插值曲線做10 階擬合。插值及擬合結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 二維碼質(zhì)量與印刷速度關(guān)系圖Fig.11 Relationship between QR code quality and printing speed

如圖11 所示，Spline 插值與其10 階擬合曲線具有較高擬合度，擬合曲線殘差模為1.164 8。由10 階擬合曲線可得：

當(dāng)x=126.7 m/min 時(shí)，函數(shù)取最大值ymax=87.21，所以在基于二維碼賦碼調(diào)試印刷設(shè)備時(shí)，可將印刷速度定于130 m/min，來(lái)保障二維碼的印刷效果。

5 結(jié)論

本文在分析了云龍煙標(biāo)現(xiàn)有印刷工藝的基礎(chǔ)上，結(jié)合煙標(biāo)印刷的實(shí)際生產(chǎn)需求，對(duì)云龍煙標(biāo)印刷工藝進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)賦碼印刷與普通色墨、UV 上光與冰花錘紋印刷部分的連線印刷，并以設(shè)備改造的方式為工藝改進(jìn)提供設(shè)備支持。隨后進(jìn)行試機(jī)實(shí)驗(yàn)，以確定設(shè)備改造后最適合賦碼印刷的印刷速度，并與原有印刷工藝的印刷速度做對(duì)比分析。最終，確定實(shí)現(xiàn)云龍印刷工藝的改進(jìn)，煙標(biāo)的印刷效率也有所提升，并拓寬了BOBST LEMANIC 820 凹印機(jī)組的印刷范圍。

在設(shè)備改造前，云龍煙標(biāo)的賦碼印刷為單張供紙，印刷速度為2 500 張/h。在設(shè)備改造完成后，煙標(biāo)的賦碼印刷速度為130 m/min,而凹版印刷的印版周長(zhǎng)為485 mm，其賦碼速度折合約16 000 張/h,直接將云龍煙標(biāo)的賦碼印刷速度提高了約6.4 倍，且簡(jiǎn)化了煙標(biāo)印刷工藝，節(jié)省了印刷空間。