СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ БЕСКОНТАКТНОГО ИСПЫТАНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА ВИНТОВОЙ КРЫШКИ
METHOD AND DEVICE OF CONTACTLESS TESTING OF TORQUE OF SCREW CAP

Изобретение относится к способу бесконтактного испытания на соответствие заданному значению крутящего момента, который необходим для открытия навинченной на бутылку пластиковой винтовой крышки. Кроме того, предметом изобретения является устройство для осуществления этого способа.
Пластиковые винтовые крышки для бутылок известны из DE 2439414 A и DE 202007009983 U1. Шаг однозаходной резьбы пластиковой винтовой крышки составляет 2-3 мм. Пластиковые винтовые крышки накручиваются на проходящие бутылки в закаточной машине, благодаря тому, что проходящая совместно закаточная головка в каждом случае охватывает и закручивает крышку, которая без закрепления надета на горловину бутылки.
При навинчивании пластиковой винтовой крышки на бутылку приложенный при закручивании крутящий момент задается согласно опытным данным. Если этот крутящий момент задан слишком слабым, то существует опасность, что бутылка разгерметизируется. Если же крутящий момент задан слишком большим, то потребителям для открытия пластиковой винтовой крышки потребуются вспомогательные средства, что равным образом нежелательно.
Согласно уровню техники необходимый для открытия пластиковой винтовой крышки крутящий момент контролируется вручную, благодаря тому, что бутылки открываются руками при помощи прибора измерения крутящего момента, и результаты измерений фиксируются. Этот способ также может автоматизироваться, благодаря тому, что в определенные временные промежутки бутылка автоматически отводится, и затем определяется крутящий момент, который необходим, для того чтобы незначительно откручивать и затем снова закручивать крышку.
Из DE 102008062385 известен способ, при помощи которого может определяться, повреждалась ли в пластиковых контейнерах оригинальная крышка уже при закупорке крышки. Для этого оригинальные крышки освещаются с наклоном снизу и обследуются с противоположной стороны при помощи опто-электрической сенсорной системы. Следовательно, крутящий момент для открытия крышки не контролируется.
Из EP 1293473 известен способ, при котором контролируется правильно расположение крышки на бутылке. Для этого определяются различные параметры, в том числе высота бутылки и выравнивание крышки по вертикали. При этом способе необходимый для открытия крышки крутящий момент также не контролируется.
Из EP 2439488 известен способ, при помощи которого определяется поворотное положение участка резьбы на заготовке для формования раздувом пластиковой бутылки. Поворотное положение определяется, например, из расстояния между кромкой отверстия и витком резьбы или из сравнения открытого участка с множеством сохраненных образцов (шаблонов). При этом способе необходимый для открытия крышки крутящий момент также не контролируется.
Из EP 0572758 известно размещение этикетки и крышки бутылки с определенной ориентацией друг к другу. Для этого ориентация каждой бутылки определяется механически или оптически при помощи отметок на бутылке, и крышка размещается в соответствии с ориентацией бутылки. Бутылка и крышка находятся вследствие этого в заданном относительном поворотном положении.
В основе изобретения лежит задача предоставить способ, при помощи которого во время непрерывного процесса производства на любом количестве бутылок или на каждой бутылке можно без контакта определять, навинчена ли соответствующая пластиковая винтовая крышка на бутылку слишком прочно или слишком слабо.
Согласно изобретению эта задача решается вследствие того, что путем обработки изображения при помощи метки на бутылке и метки на винтовой крышке определяется поворотное положение навинченной пластиковой винтовой крышки по отношению к бутылке, причем определение поворотного положения бутылки или винтовой крышки осуществляется при помощи светового пучка, который направляется в сторону бутылки ниже винтовой крышки с наклоном вверх таким образом, что на противоположной стороне бутылки горловина бутылки освещается изнутри, наружная сторона винтовой крышки регистрируется при помощи камеры, и зарегистрированное изображение анализируется.
Устройство для осуществления соответствующего изобретению способа имеет по меньшей мере один источник света на одной стороне непрерывного потока бутылок, которые закрыты пластиковыми винтовыми крышками, причем источник света направляет световой пучок на исследованную в каждом случае бутылку в месте ниже винтовой крышки, таким образом, что противоположная этому месту внутренняя сторона бутылки и винтовой крышки освещается, а также по меньшей мере одно оптическое устройство регистрации на другой, противоположной источнику света стороне потока бутылок. Устройство регистрации оптически регистрирует изображение внешней стороны освещенной внутренней стороны. Кроме того, устройство имеет устройство для анализа зарегистрированного изображения, причем определяется относительное поворотное положение винтовой крышки по отношению к бутылке.
Таким образом, в изобретении используется связь между относительным угловым положением винтовой крышки по отношению к бутылке и необходимым крутящим моментом для открытия бутылки. Оптимальное значение поворотного положения пластиковой винтовой крышки по отношению к бутылке определяется опытным путем. Точно так же опытным путем определяется допустимое отклонение от этого значения. У обычных питьевых бутылок находятся пределы допуска, например, при угле приблизительно в 15°, то есть ±7,5°, предпочтительно, примерно ±5°, наиболее предпочтительно, примерно ±3°; все, что больше, должно открываться слишком тяжело, все, что меньше, может привести к разгерметизации. В обоих случаях соответствующая бутылка затем отбраковывается из дальнейшего производственного процесса.
Источник света или блок освещения выполнен таким образом, что он освещает приблизительно половину окружности горлышка бутылки ниже пластиковой винтовой крышки. Источник света может иметь, например, множество световых волокон, выходные отверстия которых расположены на участке дуги окружности. Выпущенные отдельными световыми волокнами световые пучки направлены на приблизительно полукруглую область непосредственно под пластиковой крышкой или имеющимся там, как правило, опорным кольцом. Источник света может также иметь некоторое количество расположенных и выровненных соответствующим образом светодиодов (LED).
При этом созданный источником света или блоком освещения световой пучок направлен вверх под углом, например, в 30°. Так как созданный источником света световой пучок проходит в области под краем винтовой крышки или опорного кольца, противоположный полукруг венчика горловины бутылки и винтовой крышки освещается как бы изнутри. Предпочтительно, бутылки, по меньшей мере в области горловины бутылки, состоят из прозрачного материала, так что направленный под винтовой крышкой на горлышко бутылки световой пучок источника света поглощается как можно меньше. Благодаря направленному световому пучку источника света, резьба и другие детали, включая возможно имеющиеся там отметки горловины бутылки, отображаются на пластиковой винтовой крышке изнутри, как на проекционном экране. Линзовое действие витков резьбы, а также преломление света на краях возможных отметок дают в итоге четкое изображение на полукруге пластиковой винтовой крышки, которая находится напротив источника света. Хотя материал пластиковых винтовых крышек содержит, как правило, пигменты (красители), тем не менее, он является полупрозрачным. Во впадинах между витками резьбы толщина материала винтовой крышки уменьшена, вследствие чего витки резьбы отображаются на внешней стороне крышки. Это отображение регистрируется оптическим устройством регистрации и может анализироваться путем обработки изображений. Возможные метки точно так же отображаются на внешней стороне пластиковой крышки и могут анализироваться путем обработки изображений.
Для освещения подходят белые светодиоды или такие светодиоды в цвете винтовой крышки, которые максимально используют зачастую крайне незначительную прозрачность винтовых крышек питьевых бутылок. В частности, наиболее подходят инфракрасные светодиоды для освещения многих красящих веществ, так как в большинстве случаев эти вещества имеют в инфракрасном свете лишь незначительное поглощение.
Два подобных, приблизительно полукруглых блока освещения могут располагаться друг против друга и сбоку рядом с проходящими бутылками таким образом, что бутылки могут по-прежнему беспрепятственно проходить между источниками света. Обоими полукруглыми блоками освещения освещается противоположный соответствующему блоку освещения полукруг горловины бутылки и винтовой крышки. В итоге, вследствие этого, вся окружность горловины бутылки отображается на внешней стороне пластиковой винтовой крышки.
На стороне камеры имеется несколько возможностей для регистрации всей окружности винтовой крышки. Так, например, могут располагаться четыре камеры над бутылкой сбоку, так что каждая камера регистрирует четверть круга винтовой крышки. Благодаря использованию зеркального корпуса (стойки) два изображения могут в каждом случае объединяться в одну фотографию, так что обходятся двумя камерами. Кроме того, также возможно, регистрировать всю поверхность винтовой крышки лишь одной единственной камерой при помощи конусообразного зеркала во взаимодействии с цилиндрическим зеркалом.
Расположение или поворотное положение бутылки по отношению к пластиковой винтовой крышке может определяться при помощи метки на бутылке или метки на винтовой крышке. В соответствии с этим имеется возможность, на бутылке, а также на винтовой крышке размещать отметки, которые могут легко распознаваться и анализируются при помощи технологии камеры (CCD-камера) с обработкой изображений. Наиболее простое решение - разместить метку на внешней стороне бутылки, а также разместить метку на верхней стороне винтовой крышки, затем регистрировать обе метки сверху одной или несколькими камерами и анализировать угловое смещение между пластиковой винтовой крышкой и бутылкой. Это очень просто с точки зрения способа распознавания, однако это вызывает дополнительные расходы на винтовые крышки и бутылки.
Тем не менее, дополнительные расходы на пластиковые винтовые крышки относительно незначительны, так как эти крышки не используются повторно, и даже многооборотные бутылки получают при повторном использовании новую винтовую крышку. Поэтому винтовая крышка в качестве метки предпочтительно снабжается по меньшей мере одной такой меткой, чтобы в угле раскрытия камеры, которая используется для обработки изображения, постоянно находилась по меньшей мере одна метка.
Для многократно используемых в Германии многооборотных бутылок, из которых все не имеют легко распознаваемой метки, это простое решение не пользовалось бы спросом, так как находящиеся уже в обороте бутылки должны были бы заменяться, так что переналадка производства в этом случае значительно дороже. Тем не менее, существует возможность, распознавать характерные места на горловине бутылки и использовать их в качестве меток. Вследствие этого изобретение становится также применимым для находящихся уже в обороте бутылок.
Предпочтительно, начало и/или конец винтовой резьбы на горлышке бутылки используются в качестве метки для определения поворотного положения бутылки.
Предпочтительно, для определения поворотного положения бутылки анализируются по меньшей мере две метки.
Предпочтительно, в качестве характерных мест горловины бутылки используются имеющиеся зачастую у пластиковых бутылок вентиляционные щели или прорези, которые прерывают витки винтовой резьбы на горлышке бутылки.
Предпочтительно, одной отметкой является начало и/или конец винтовой резьбы на горлышке бутылки, а второй отметкой являются вентиляционные прорези, которые прерывают витки винтовой резьбы на горлышке бутылки.
Для пластиковых винтовых крышек специальная метка также не требуется, и конструктивных элементов обычных винтовых крышек достаточно для определения поворотного положения. В качестве характерного места винтовой крышки может использоваться, например, заданное место разрыва защитного кольца, которое, как правило, имеется у пластиковых крышек и служит в качестве гарантии подлинности содержимого бутылки. Защитное кольцо подвешено под пластиковой винтовой крышкой на соединительных перемычках.
Кроме того, в качестве метки для определения поворотного положения винтовой крышки рассматриваются резьба винтовой крышки, вентиляционная прорезь на винтовой крышке и/или изменение в рифлении окружности винтовой крышки.
Предпочтительно, для винтовой крышки также используются, по меньшей мере, две отметки для определения поворотного положения.
Дальнейшие возможности для определения поворотного положения винтовой крышки возникают при асимметричном расположении соединительных перемычек, при помощи которых защитное кольцо закреплено на крышкообразной основной части винтовой крышки, или благодаря ассиметричному очертанию окружности винтовой крышки, что в простейшем случае можно достигать пропуском одной или нескольких насечек рифления на окружности винтовой крышки. Тем не менее, любая другая метка на окружности винтовой крышки также подходит.
Благодаря специальному выдавливанию меток винтовой крышки также возможно регистрировать поворотное положение винтовой крышки одной единственной камерой без необходимости регистрации всей поверхности окружности винтовой крышки. Проходящее по окружности рифление винтовой крышки может выполняться таким образом, что из проанализированного фрагмента можно определять однозначный угол по отношению к принятой нулевой линии, которая представляет собой направление наблюдения камеры. Например, на окружности винтовой крышки в дополнение к рифлению может быть выдавлена вовнутрь или наружу (положительно или отрицательно) проходящая по всей окружности винтовая линия, которая состоит из одного единственного витка винтовой линии с большим шагом.
В этом случае на том же самом изображении может также содержаться информация о поворотном положении бутылки, которое может точно и однозначно определяться при помощи вентиляционных прорезей, учитывая шаг резьбы. Это может быть выполнено следующим образом. При помощи зеркального корпуса контролируется фрагмент изображения приблизительно в 150° по окружности. Тем самым обеспечено то, что по меньшей мере одна хорошо различимая вентиляционная прорезь горловины бутылки находится на проанализированном фрагменте изображения. Затем на хорошо различимой вентиляционной прорези проверяется, на какой высоте она пересекается отдельными витками резьбы. При этом под «высотой» подразумевается расстояние от верхнего или нижнего края винтовой крышки. У обычных четырех вентиляционных прорезей имеется также только четыре соответствующих набора значений высот точек пересечений с витками резьбы. Поэтому по отображению вентиляционной прорези может однозначно определяться, о какой из четырех вентиляционных прорезей идет речь. Учитывая эту информацию и известное двустороннее расположение вентиляционных прорезей (добавление смещения в соответствии с обнаруженным номером прорези), а также положение вентиляционной прорези в пределах изображения, получается угловое положение бутылки по отношению к нулевой линии, которая определена положением камеры.
В описанных до этого способах поворотные положения бутылки и крышки сначала по отдельности сопоставляются с оптической осью распознающего устройства, а затем привязываются друг к другу. В предпочтительном варианте осуществления изобретения поворотные положения бутылки и крышки сопоставляются не по отдельности с оптической осью распознающего устройства и затем привязываются друг к другу, а метка винтовой крышки непосредственно привязывается к метке бутылки. При этом может использоваться то, что вентиляционные прорези часто находятся не только в резьбе горловины бутылки, но и в резьбе пластиковой винтовой крышки. Поэтому вентиляционные прорези винтовой крышки могут располагаться таким образом, что они при заданном значении крутящего момента располагаются точно напротив вентиляционных прорезей на горловине бутылки или имеют заданное угловое расстояние по отношению к ним. В частности, относительное расположение вентиляционных прорезей может выбираться таким образом, что винтовая крышка начинает разгерметизироваться и сбрасывать давление именно в том случае, если вентиляционные прорези располагаются точно друг против друга. Чем сильнее закрыта бутылка, тем больше становится расстояние между соответствующими вентиляционными прорезями. Расстояние между располагающимися друг против друга вентиляционными прорезями составляет лишь несколько градусов по сравнению с состоянием, в котором необходимый для открытия крутящий момент имеет оптимальное значение. Поэтому взаимное расположение вентиляционных прорезей всегда однозначно, что означает, что на угол зрения камеры в 120° всегда приходится по меньшей мере одна такая пара вентиляционных прорезей, и поэтому при помощи одной единственной камеры и анализа одного единственного изображения может осуществляться оценка изображения.
Наряду с обнаружением отдельных слишком сильно или слишком слабо закрытых бутылок обнаружение еще может существенно уточняться, благодаря тому, что образуются зависящие от закаточной головки средние значения, которые уже после короткого времени могут предоставлять достоверные данные о том, какие из закаточных головок в каком направлении должны дополнительно юстироваться.
Изобретение можно также использовать таким образом, что при недопустимом отклонении поворотного положения винтовой крышки от поворотного положения бутылки поворотное положение винтовой крышки корректируется соответствующим образом. Винтовые крышки могут также сначала навинчиваться со слишком незначительным крутящим моментом, причем в этом случае при помощи соответствующего изобретению способа определяется, на какой угол винтовые крышки должны еще докручиваться. Затем при помощи дальнейшей закаточной головки винтовые крышки могут докручиваться или довинчиваться на этот угол.
Пластиковые винтовые крышки можно использовать как со стеклянными бутылками, так и с пластиковыми бутылками, и соответствующий изобретению способ может соответственно использоваться как в сочетании со стеклянными бутылками, так и в сочетании с пластиковыми бутылками. Тем не менее, соответствующий изобретению способ наиболее пригоден в сочетании с ПЭТ-бутылками (из полиэтилентерефталата).
Далее пример осуществления изобретения разъясняется при помощи чертежей. На чертежах:
Фиг. 1 показывает расположение горлышка бутылки с накрученной винтовой крышкой между блоком освещения и CCD-камерой;
Фиг. 2 показывает горлышко бутылки с накрученной винтовой крышкой.
На Фиг. 1 изображены суженая часть и горлышко питьевой ПЭТ-бутылки 10. На горлышке питьевой бутылки 10 образована резьба 12, на которую навинчена винтовая крышка 14. Кроме того, на горлышке бутылки на расстоянии в несколько миллиметров под резьбой 12 образовано проходящие по окружности опорное кольцо 16. Винтовая крышка 14 состоит из верхней крышкообразной части 18 и защитного кольца 20, которое при помощи коротких соединительных перемычек 22 приблизительно в 1 мм соединено с крышкообразной частью 18.
Питьевая бутылка 10 перемещается на неизображенном конвейере, причем направление перемещения расположено перпендикулярно к плоскости чертежа. На одной стороне (на Фиг. 1 на левой стороне) горлышка питьевой бутылки 10 расположен блок освещения в виде оптического волокна 24, а на противоположной стороне расположена CCD-камера 26. Испускаемый оптическими волокнами 24 световой пучок 28 располагается приблизительно на оптической оси CCD-камеры 26. Конец оптических волокон 24 расположен под опорным кольцом 16 и направлен вверх под углом приблизительно в 30°. Угол расхождения светового пучка 28 составляет также приблизительно 30°, так что противоположная сторона области венчика горловины питьевой бутылки 10 освещается изнутри. Благодаря выпуклости витков резьбы 12, соответствующая часть светового пучка 28 фокусируется на прилегающую внутреннюю сторону крышкообразной части 18 винтовой крышки 14, так что каждый виток резьбы воспринимается CCD-камерой 26 в виде отчетливой линии.
Витки резьбы прерываются проходящими вертикально вентиляционными прорезями 30 (Фиг. 2). Угловатые концы витков резьбы вдоль вентиляционных прорезей 30 также фокусируют свет и потому могут отчетливо распознаваться CCD-камерой 26.
На Фиг. 1 изображено только одно оптическое волокно 24 и одна CCD-камера 26, однако в действительности на каждой стороне расположены два оптических волокна и две CCD-камеры, которые в каждом случае смещены друг к другу приблизительно на 90°, так что регистрируется вся окружность винтовой крышки 14.
Как можно увидеть на Фиг. 2, каждая вентиляционная прорезь 30 прерывает каждый из витков резьбы на различной высоте. Из этого можно определять угловое или поворотное положение питьевой бутылки 10 по отношению к оптической оси CCD-камеры 26.
Кроме того, на Фиг. 2 можно увидеть, что защитное кольцо 20 имеет заданное место 32 разрыва. Далее при помощи этого заданного места 32 разрыва можно определять угловое или поворотное положение винтовой крышки 14 по отношению к оптической оси CCD-камеры 26.
Затем из сравнения углового положения питьевой бутылки 10 и углового положения винтовой крышки 14 можно определять, насколько далеко винтовая крышка 14 была навинчена на питьевую бутылку 10, то есть относительное угловое положение винтовой крышки 14 по отношению к питьевой бутылке 10. Если это относительное угловое положение отличается более чем на 7° или, предпочтительно, на 3° от заданного значения этого углового положения, то соответствующая питьевая бутылка 10 отбраковывается из дальнейшего производственного процесса.
СПИСОК ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ
10 бутылка
12 резьба
14 винтовая крышка
16 опорное кольцо
18 крышкообразная часть
20 защитное кольцо
22 соединительные перемычки
24 оптическое волокно
26 CCD-камера
28 световой пучок
30 вентиляционные прорези
32 заданное место разрыва.