ОПТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОЗРАЧНОЙ ТАРЫ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДВУХ КАМЕР И ОДНОГО ИСТОЧНИКА СВЕТА Российский патент 2004 года по МПК G01N21/90 

Настоящее изобретение относится к контролю за отклонениями от технических условий параметров прозрачной тары, которые влияют на оптические свойства тары, а более конкретно к способу и устройству для контроля тары и определения отклонений параметров напряженных состояний и непрозрачных включений в таре в одной системе контроля качества с использованием одного источника света.

Уровень, предшествующий изобретению, и задачи изобретения
При изготовлении прозрачной тары, такой как стеклянные бутылки и банки, в стенках, пятках, дне, плечах и/или горлышках тары могут возникать различные типы аномалий. Эти аномалии, которые в технике называются "отклонениями параметров от технических условий", влияют на промышленное применение тары. Для обнаружения отклонений параметров от технических условий, которые влияют на оптические свойства тары, были предложены электрооптические методы контроля. Основной принцип заключается в том, что источник света направляют так, чтобы световой пучок ("световую энергию") направить на тару, и камеру направляют таким образом, чтобы получить изображение части тары, освещенной с помощью источника света. Источник света может иметь однородную интенсивность или может принимать такую конфигурацию, при которой интенсивность будет изменяться по одной координате источника света. Отклонения параметров от технических условий в части тары, освещенной с помощью источника света, обнаруживают в зависимости от интенсивности света в изображении освещенной тары, которое принимают и сохраняют в камере.

В патентах США 4378493, 4378494, 4378495 и 4601395, автором которых является заявитель настоящей заявки, раскрыты методы контроля, в которых стеклянная тара перемещается через ряд позиций или систем, где она проходит физический и оптический контроль. В одной системе оптического контроля стеклянная тара удерживается в вертикальном положении и вращается относительно своей центральной оси. Рассеянный световой пучок, падающий из источника света, направляют через стенку тары. Камеру, которая включает в себя множество светочувствительных элементов, ориентированных в линейной матрице параллельно вертикальной оси тары, направляют для приема светового пучка, который проходит через вертикальную полоску стенки тары. При дискретном повороте тары производят измерение выходного сигнала, поступающего от каждого элемента линейной матрицы, и в случае, когда величина ближайших сигналов отличается от предварительно выбранного порогового значения, вырабатываются сигналы события. В результате получают соответствующий сигнал отбраковки, и тару отбраковывают с конвейерной линии.

Проблема, с которой сталкиваются при изготовлении стеклянной тары из вторично используемого стекла, состоит в том, что в одной таре в процессе смешивания могут оказаться материалы с различными характеристиками теплового расширения. Например, известно, что прозрачные продукты варки, имеющие очень низкие характеристики теплового расширения, могут быть смешаны со стеклом для вторичного использования. Любые нерасплавленные частицы продуктов варки, которые возникают в таре, при охлаждении образуют центры напряжения, которые могут привести в дальнейшем к трещинам, или участки для возникновения более поздних разрушений. Другие неоднородности, которые могут возникать в стекле и вызывать отклонения параметров напряженного состояния, включают в себя "камни" или кусочки отражающего материала, попадающие из канала питателя стекла или желоба. Таким образом, необходимо разработать способ и систему для обнаружения отклонений параметров напряженного состояния и непрозрачных ненапряженных включений в таре. Однако из-за ограниченности пространства существующих систем контроля размещение дополнительных устройств контроля затруднено в системах контроля качества.

Для обнаружения отклонений параметров напряженного состояния в стенках тары были предложены скрещенные поляризаторы. Световой пучок, прошедший через скрещенные поляризаторы и через тару, размещенную между скрещенными поляризаторами, обычно представляет собой изображение в виде темной области в видеокамере в случае, когда на стенках тары отсутствуют отклонения параметров напряженного состояния. Однако отклонение параметров напряженного состояния приводит к отклонению поляризации светового пучка, проходящего через тару, что достаточно для получения на камере светлого пятна на фоне темного поля, указывающего на отклонение параметров напряженного состояния. Например, в патенте США 4026656, автором которого является заявитель настоящего изобретения, обсуждается такое техническое решение, основанное на использовании фона и в котором предлагается использовать инфракрасный световой пучок и инфракрасные поляризационные фильтры для уменьшения эффектов засветки окружающим светом.

Основная задача настоящего изобретения заключается в выполнении способа и устройства для контроля прозрачных стеклянных изделий, в частности стеклянной тары, с целью выявления отклонений от технических условий, которые влияют на оптические характеристики тары. Более специфическая задача настоящего изобретения заключается в выполнении способа и устройства описанного характера, которые более подходят для обнаружения как отклонений параметров напряженного состояния, так и отклонений параметров непрозрачных включений (в напряженном и ненапряженном состоянии) в таре. Другая задача настоящего изобретения заключается в выполнении способа и устройства описанного характера для обнаружения отклонений параметров напряженного состояния и ненапряженных включений в таре в одной системе контроля качества с использованием одного источника света. Дополнительная задача настоящего изобретения заключается в выполнении способа и устройства описанного характера, которые являются экономичными при реализации и надежными в течение продолжительного срока эксплуатации. Другая задача настоящего изобретения заключается в выполнении способа и устройства описанного характера, которые адаптированы для дальнейшей реализации в одиночной системе контроля качества существующего устройства контроля качества тары.

Сущность изобретения
Устройство для контроля за отклонениями параметров тары, которые влияют на промышленное применение тары, согласно настоящему предпочтительному варианту осуществления изобретения включает в себя источник света для направления рассеянного, поляризованного светового пучка через тару при вращении тары относительно своей оси. Первая камера размещена для приема рассеянного и поляризованного светового пучка, который проходит от источника света через часть тары, причем первая камера позволяет получить изображение части тары, на котором непрозрачные отклонения выглядят темными на светлом фоне. На вторую камеру падает световой пучок, который проходит от источника света, по существу, через ту же самую часть тары, и включает в себя поляризатор со скрещенной ориентацией плоскости поляризации по отношению к поляризатору источника света. Вторая камера воспроизводит светлое на темном фоне изображение отклонений параметров напряженного состояния в таре, которые изменяют поляризацию рассеянного и поляризованного светового пучка, прошедшего через тару. Процессор изображения связан с обеими камерами для того, чтобы получить связанные изображения части тары, находящейся в поле зрения камеры для обнаружения и распознавания различий между и среди отклонений параметров в таре.

Первая и вторая камеры включают в себя датчики с линейной ПЗС-матрицей, ориентированные в направлении, копланарном друг к другу и к оси тары. Устройство обработки информации сканирует датчики с линейной матрицей, расположенные в камерах, при дискретном повороте тары для получения соответствующих развернутых изображений контролируемой части тары. Отклонения параметров от нормы обнаруживают и распознают в ходе сравнения этих двухмерных изображений путем одновременного воспроизведения двухмерных изображений для дальнейшего анализа с помощью оператора и/или с помощью автоматической системы электронного сравнения изображений с использованием сигналов, полученных от отдельных элементов изображения. Первая камера в предпочтительном варианте осуществления изобретения расположена диаметрально противоположно к источнику света за тарой, тогда как вторая камера расположена под первой камерой, которая передает вид тары под углом, направленным вверх. В поле зрения второй камеры попадает пятка тары, в которой отклонения параметров напряженного состояния, влияющие на поляризацию светового пучка, могут быть особенно сильными из-за ударных воздействий, обычно прикладываемых к пяточной части тары во время использования. Источник света в предпочтительном варианте осуществления изобретения содержит флуоресцентный источник, имеющий высокую мощность в видимом диапазоне спектра, предпочтительно в диапазоне цветных температур приблизительно 3000-5000 К. Таким образом, изобретение можно легко выполнить с помощью одной существующей системы контроля качества путем размещения источника света в пределах дуги перемещения тары через систему контроля и размещения камер на опорном кронштейне системы друг над другом и вне такой дуги перемещения.

Краткое описание чертежей
Сущность изобретения иллюстрируется ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг. 1 изображает схему электрооптического устройства для обнаружения отклонений параметров напряженного состояния и непрозрачных включений в таре согласно одному предпочтительному варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2 изображает вид сверху устройства (фиг.1);
фиг.3А и 3В изображают двухмерные изображения тары, полученные при использовании устройства (фиг.1 и 2).

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления
На фиг.1 и 2 изображено устройство 10 для контроля тары 14 согласно одному предпочтительному варианту осуществления изобретения. Источник 16 света содержит одну или несколько вертикально ориентированных флуоресцентных ламп 18, которые работают совместно с диффузором 20, образующим рассеянный свет в широкой области спектра. Световой пучок через диффузор 20, первую поляризационную линзу 22 направляют на тару 14. Первая камера 24 расположена диаметрально противоположно к источнику 16 света за тарой 14 и содержит датчик 26 с линейной ПЗС-матрицей, на который фокусируют световой пучок, падающий в виде узкой полоски тары 14, от источника света 16. Вторая камера 28 размещается под камерой 24 и содержит датчик 30 с линейной ПЗС-матрицей, на который фокусируют через вторую поляризационную линзу 32 световой пучок, падающий в виде узкой полоски тары 14, от источника света 16. Таким образом, камера 28 позволяет получить вид тары 14 под небольшим углом, направленным вверх, который включает в себя изображение пятки тары 14. Поляризационные линзы 22, 32 поляризованы в поперечном направлении относительно друг друга. Датчики 26, 30 с линейной матрицей являются копланарными по отношению друг к другу и копланарными к оси тары 14. Линейные координаты матриц 26, 30 компланарны друг к другу и к оси тары 14. Линейная координата матрицы 26 проходит параллельно оси тары, и линейная координата матрицы 30 расположена под небольшим углом к оси тары. Такой угол будет зависеть от искривления пятки и составляет предпочтительно приблизительно 6^o. Предпочтительно, чтобы обе камеры 24, 28 обеспечивали просмотр узкой полоски тары от пятки до горлышка. В настоящее время для получения света в видимой части оптического спектра предпочтение отдается источнику 16 света, который включает в себя одну или несколько флуоресцентных ламп 18, по сравнению с накальными источниками света, типичные для предшествующего уровня техники. Поляризационные линзы для белого света намного дешевле, чем поляризаторы для инфракрасного или ближнего инфракрасного света, который получают с помощью накальных источников света. Лампа 18 в предпочтительном варианте осуществления изобретения содержит одну или несколько ламп, имеющих высокую выходную мощность и работающих в видимом диапазоне оптического спектра. Существует компромисс между частотными характеристиками датчиков 26, 30, которые обычно обладают более высокой чувствительностью в инфракрасном диапазоне спектра, и ценой поляризационных линз 22, 32, которые дешевле для линз в видимом диапазоне спектра. Диапазон цветных температур источника света, который составляет приблизительно 3000-5000 К, является в настоящее время предпочтительным, причем наиболее предпочтительная цветная температура равна 3000 К.

Конвейер 34, который обычно включает в себя храповик (не показан) и перемещающуюся пластину 36, размещенную и подсоединенную к источнику подачи тары для того, чтобы перемещать последовательно расположенную тару по дуговой траектории 38 (фиг.2) и переводить последовательно расположенную тару в позицию устройства 10, которое расположено в одной системе устройства контроля количества тары с храповиком-конвейером. Конвейер 34 и вся система контроля могут иметь любой подходящий тип, например, как показано в патенте США 4230319 и 4378493, которые приведены здесь в качестве ссылки. Камеры 24, 28 устанавливаются с регулировкой одна над другой на опорном кронштейне 37 камеры, который проходит в направлении от конвейера 34. Последовательно размещенная тара удерживается в фиксированном положении между источником 16 света и камерами 24, 28 и вращается с помощью ведущего ролика 39 подобного элемента относительно центральной оси тары. Кодер 40 связан с механизмом поворота тары для того, чтобы получить сигналы, показывающие приращение поворота тары. Такие приращения могут содержать или фиксированные угловые приращения поворота, или фиксированные интервалы времени при постоянной скорости. Устройство обработки информации 41 подсоединено к кодеру 40 и к камере 24, 28 для сканирования датчиков 26, 30 при приращении поворота тары и получения соответствующих двухмерных электронных изображений тары 14. Эти двухмерные изображения выполнены по одной линейной координате с помощью сигналов, поступающих из последовательно расположенных элементов соответствующих датчиков линейной матрицы, и по второй координате с помощью сигнала от приращения поворота тары.

В процессе работы последовательно расположенная тара 14 перемещается с помощью конвейера 34 в положение между источником 16 света и камерами 24, 28. Тара затем удерживается в фиксированном положении и вращается относительно центральной оси. Рассеянный и поляризованный световой пучок, направленный от источника 16 света, падает через тару 14 на матрицу 26 камеры 24, которая таким образом формирует светлое фоновое изображение. Любые отклонения параметров непрозрачных включений в таре будут блокировать или поглощать передачу светового пучка из источника 16 света в матрицу 26 камеры так, что такие отклонения параметров непрозрачных включений образуют темные изображения на светлом фоне. (Термин отклонения параметров непрозрачных включений охватывает не только отклонения параметров, которые влияют на блокировку или поглощение светового пучка, но также отклонения параметров преломления, которые имеют такую величину, которая позволяет эффективно преломлять световой пучок и вызывать его прохождение за пределы камеры 24 и отклонения параметров отражения, которые приводят к отражению светового пучка за пределы камеры. Другими словами, отклонение параметров, которое приводит к блокировке или поглощению светового пучка в таре, отклонение параметров, которое приводит к рефракции светового пучка за пределы камеры, и отклонение параметров, которое приводит к отражению светового пучка за пределы камеры, будут все возникать в матрице 26 камеры 24 в виде темного изображения на светлом фоне.) В то же самое время, поляризованный, рассеянный световой пучок из источника 16 света падает в камеру 28, проходя через тару 14 и поляризатор 32, установленный перед камерой 28. Скрещенные ориентации поляризационных линз 22, 32 обычно создают в матрице 30 камеры 28 темный фон или поле. Однако любые отклонения параметров тары 14, такие как отклонения параметров напряженного состояния в стенке тары, которые изменяют поляризацию преломленного светового пучка, проявляются в матрице 30 камеры 28 в виде светлого изображения на темном поле или фоне.

На фиг. 3А и 3В изображены развернутые двухмерные изображения тары 14, которая просматривается с помощью устройства обработки информации 41 камерами 24, 28, соответственно, во время одного поворота тары. Например, ненапряженное состояние, вызванное камнем, показано с помощью темного изображения 50 на фиг.3А и соответственно светлого изображения на том же самом положении x-y на фиг.3В. Приводящий к напряженному состоянию камень показан с помощью темного изображения 52а (фиг.3А), и соответствующее темное изображение 52b (фиг.3В), окруженное светлым изображение 52с зоны напряженного состояния, окружающей камень. Изображения 50, 52а показывают размеры камней. Светлое изображение 54 (фиг.3В), связанное с отсутствием изображения в соответствующем месте (фиг.3А), может показать отклонение параметров напряженного состояния, которое вызвано включением кусочка или частицы прозрачного продукта варки, имеющего подобные характеристики прозрачности, но тепловые характеристики, отличные от тепловых характеристик окружающего стекла в стенке тары. Удлиненное светлое изображение 56 (фиг.3В), выделяющееся на темном фоне, может указывать на расстеклование в стенке тары. Отклонения, вызванные напряженным состоянием в таре, могут указывать на зоны неустойчивого состояния в таре, которые могут подвергнуться разрушению при ударе во время обычного обращения с тарой ("во время разгрузочно-погрузочных работ и транспортировки"), или в результате теплового напряжения при наполнении тары или соприкосновения с ней. Пятка тары, то есть часть тары, которая соединяет стенку тары с дном тары, является особенно чувствительной к включению с отклонениями параметров напряженного состояния, потому что пяточная часть тары чаще подвергается напряжению и удару во время нормального использования. Таким образом, особенно важным преимуществом представленного изобретения (фиг. 1) является тот факт, что камера 28 передает изображение тары 14 под небольшим углом, направленным снизу вверх, который включает в себя полностью пяточную часть тары.

Устройство обработки информации 41 подсоединяется к устройству 44 отображения для одновременного показа оператору развернутого двухмерного изображения (например, фиг.3А и 3В), поступающего из камер 24, 28. Оператор может анализировать информацию, таким способом отображаемую, и выполнять соответствующие поправки в производственном цикле. С другой стороны или одновременно, устройство обработки информации 41 может автоматически, электронным способом сравнивать двухмерные изображения с помощью соответствующего метода сравнения элементов изображения, чтобы выполнить автоматическую коррекцию процесса производства (см., например, патент США 4762544) и/или активизации механизма 42 для отбраковки или удаления с конвейерной линии тары, не отвечающей техническим условиям. К тому же невыгодно повторно использовать тару, имеющую камни, так как камни могут повторяться в новой таре, выполненной из повторно используемого стекла. Информацию, полученную с помощью настоящего изобретения, можно использовать, чтобы предоставить более точные показания отбракованной тары, которую нельзя использовать повторно. Обеспечение развернутых двухмерных изображений, предназначенных для анализа, то есть изображений, которые получают с помощью оптических методов распознавания, реагирующих на распознавание типов отклонений, обеспечивает повышенные возможности классификации отклонений, например, по размеру, форме и параметрам напряженного состояния или по отсутствию параметров напряженного состояния. Процессор изображения может легко классифицировать тип отклонения, такой как напряженный камень, ненапряженный камень, вязкий узел, пузырь, разрыв ленты, примеси и так далее.

Таким образом, согласно настоящему изобретению представлены способ и устройство для контроля изделий, изготовленных из стекла, таких как тара, для определения отклонений параметров от технических условий, которые влияют на оптические характеристики тары, особенно отклонения параметров напряженного состояния и непрозрачных включений в таре. Способ и устройство изобретения можно реализовать, используя относительно недорогой материал для поляризатора, реагирующий на световой пучок в видимой области спектра. Изобретение можно реализовать, используя совместно с прозрачным (оптическим стеклом) и цветное (например, янтарь) стекло. Способ и устройство изобретения можно выполнить в виде одного устройства в системе контроля качества тары, используя один источник света, с возможностью легкой модернизации в существующие системы контроля тары храпового типа и другого типа.

Устройство для контроля за отклонениями параметров тары 14, которые влияют на промышленное применение тары, включает в себя источник 16 света для направления рассеянного поляризованного светового пучка через тару при вращении тары относительно своей оси. Первая камера 24 размещена для приема рассеянного поляризованного светового пучка, проходящего от источника света через часть тары, таким образом, чтобы первая камера принимала изображение части тары, в которой отклонения параметров непрозрачных включений проявляются темными на светлом фоне. Вторая камера 28 принимает световой пучок, который проходит от источника света, по существу, в ту же самую часть тары, и включает в себя поляризатор 32, поперечно направленный к поляризатору, расположенному перед источником света. Вторая камера принимает светлое изображение на темном фоне отклонений параметров напряженного состояния в таре, которые изменяют поляризацию рассеянного и поляризованного светового пучка, проходящего через тару. Устройство 41 обработки информации подсоединено к обеим камерам для просмотра связанных между собой изображений части тары, которая просматривается с помощью камеры для обнаружения и распознавания отклонений параметров в таре в зависимости от поэлементного сравнения двух изображений. Технический результат - создание экономичного и надежного устройства и способа для выявления отклонений от технических условий, влияющих на оптические характеристики тары. 2 с. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для контроля за отклонениями параметров тары (14), которые влияют на промышленную применимость тары, содержащее устройство (39) для вращения тары относительно ее оси, источник (16) света, включающий в себя диффузор (20) и поляризатор (22) для направления рассеянного и поляризованного светового пучка через тару, расположенную в упомянутом устройстве вращения, первую камеру (24), размещенную относительно устройства вращения, для приема рассеянного и поляризованного светового пучка, проходящего через часть тары от источника излучения таким образом, чтобы первая камера принимала изображение части тары, в которой отклонения параметров непрозрачных включений появляются темными на светлом фоне, вторую камеру (28), размещенную относительно устройства вращения, для приема светового пучка, передаваемого из источника света через, по существу, часть тары, и включающую в себя второй поляризатор (32), поперечно направленный к первому поляризатору так, что вторая камера принимает светлое изображение на темном фоне отклонений параметров напряженного состояния в части тары, которые изменяют поляризацию рассеянного и поляризованного светового пучка, и устройство (41) обработки информации, подсоединенное к первой и второй камерам, для приема связанных изображений части тары, включающей в себя средство для обнаружения и распознавания отклонений в таре, отличающееся тем, что первая и вторая камеры принимают изображения в той же самой части тары, которая освещается с помощью источника света, и в том, что устройство обработки информации (41) обнаруживает и распознает отклонения в таре в ходе сравнения между первым и вторым изображениями.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство обнаружения и распознавания содержит устройство для автоматического сравнения упомянутых изображений друг с другом на основе поэлементного сравнения изображения.3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что первая и вторая камеры (24, 28) содержат датчики (26, 30) с линейной ПЗС-матрицей, ориентированные в направлении, копланарном друг к другу и к оси тары в упомянутом устройстве вращения.4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство обработки информации (41) включает в себя устройство для сканирования упомянутых датчиков с линейной матрицей, расположенных в камерах, предназначенное для создания соответствующих двухмерных изображений упомянутой части тары, при приращениях поворота тары, при этом упомянутое устройство обнаружения и распознавания отклонений реагирует на сравнение двухмерных изображений.5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что устройство обнаружения и распознавания содержит дисплей (44) оператора, с помощью которого оператор может одновременно рассматривать двухмерные изображения.6. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что первая камера (24) размещена диаметрально противоположно к источнику (16) света за тарой, и в котором датчик (26) с линейной матрицей расположен параллельно к оси тары, и в котором вторая камера (28), размещенная под первой камерой, передает изображение тары под углом, направленным снизу вверх.7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что изображение части тары, передаваемое с помощью второй камеры, включает в себя пятку тары.8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что обе из упомянутых камер передают изображение, по существу, всей тары от пятки до верхней части тары.9. Устройство по п.7 или 8, отличающееся тем, что устройство для вращения тары содержит конвейер (34) для последовательности пошаговых перемещений тары по дуге, причем упомянутый источник (16) света расположен внутри упомянутой дуги и камеры (24, 28) расположены вне упомянутой дуги, и для удержания каждой тары, в свою очередь, в стационарном положении между упомянутым источником света и камерами и для вращения тары относительно оси.10. Устройство по любому из предыдущих пунктов, отличающееся тем, что источник (16) света содержит флуоресцентный источник (18) света.11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что флуоресцентный источник (18) света имеет цветовую температуру в диапазоне приблизительно от 3000 до 5000К.12. Способ контроля за отклонениями параметров тары (14), влияющими на промышленное применение тары, заключающийся в том, что

(a) направляют световой пучок из источника (16) света через тару в направлении к первой и второй камерам (24, 28) одновременно,

(b) принимают в упомянутой первой камере (24) изображение части тары, в котором непрозрачные отклонения отображаются темными на светлом фоне,

(c) принимают в упомянутой второй камере (28) изображение той же самой части тары, в котором отклонения параметров напряженного состояния отображаются светлыми на темном фоне, и

(d) обнаруживают непрозрачные и напряженные отклонения в таре как функцию сравнения упомянутых изображений, получаемых в первой и второй камерах.