УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ СТЕНКИ ЕМКОСТИ
DEVICE FOR MEASURING TANK WALL THICKNESS

Настоящее изобретение относится к области оптоэлектронного контроля прозрачных или полупрозрачных емкостей типа бутылок, банок или фляг с целью выявления дефектов распределения материала, в частности дефектов толщины сосуда, обычно называемых утончением стенки.
Как известно, при изготовлении стеклянных емкостей существует опасность образования одной или нескольких областей неправильного распределения материала, что ухудшает внешний вид изделия, и что более важно, снижает его механическую прочность. Известно, что малая толщина или утончение стенки образуется в основном в областях, имеющих другой радиус кривизны, таких как плечо бутылки или дно бутылки.
Для измерения толщины стенки бутылки используется так называемый метод триангуляции, который заключается в том, что на стенку сосуда направляют световой луч под ненулевым углом падения, и собирают световые лучи, отраженные от наружной и внутренней поверхностей стенки с противоположной стороны. Отражение световых лучей от обеих вышеуказанных поверхностей происходит согласно законам зеркального отражения падающих лучей, т.е. симметрично падающему лучу относительно перпендикуляра к поверхности в точке попадания падающего луча на поверхность.
Способ измерения толщины стенки емкости 2, например, раскрывается в патенте EP 0320139 и проиллюстрирован на Фиг. 1; метод заключается в направлении светового пучка В на стенку емкости под углом таким образом, чтобы часть С светового пучка отражалась от наружной поверхности стенки, а часть светового пучка преломлялась в стенке, а затем отражалась в виде луча D внутренней поверхностью стенки. Лучи С, D, отраженные внутренней и наружной поверхностями стенки, собираются линзой Ε и посылаются на линейный световой датчик F. Плоскость, в которой находятся оптическая ось, линейный датчик и средний радиус падающего пучка, в данном случае называется плоскостью триангуляции. Толщина стенки емкости измеряется в зависимости от разделения в световом датчике друг от друга пучков, отраженных от внутренней и наружной поверхностей стенки. Емкость приводится во вращение таким образом, чтобы она выполняла один оборот для измерения толщины стенки по одному из ее поперечных сечений. Как правило, поперечное сечение контроля выбирают так, чтобы оно располагалось в той области емкости, в которой риск утончения стенки является максимальным, например, в области плеча или дна.
Альтернативой указанному методу является использование матричного датчика вместо линейного датчика с целью измерения толщины стекла, и, следовательно, его распределения по всей высоте результирующего поля, охватываемой матричным датчиком, обеспечиваемым объективом. В такой конфигурации создаваемый источником световой пучок проходит перпендикулярно плоскости триангуляции, охватывая поле матричного датчика в вертикальном направлении.
За счет геометрической формы контролируемой емкости и/или вследствие недостаточной параллельности внутренней и наружной поверхностей стенки, отклонения направлений обоих зеркальных отражений могут изменяться на несколько градусов. Таким образом, как показано на Фиг. 1, геометрическая форма объекта может служить причиной значительного изменения положения точки попадания падающего пучка, так что отраженные лучи С', D' могут значительно отклоняться относительно оптической оси, и точки, от которых они отходят, могут быть расположены на значительном расстоянии друг от друга. Кроме того, как показано на Фиг. 1А, недостаточная параллельность измеряемых внутренней и наружной поверхностей стенки может приводить к тому, что отраженные лучи Сʺ, Dʺ будут значительно отклоняться от оптической оси.
Известный способ измерения толщины объекта раскрывается также в патенте FR 2069220; данный способ состоит в проектировании узкого светового пучка на объект, таким образом, чтобы данный световой пучок последовательно создавал освещенные пятна на внешней и внутренней поверхностях объекта. Линзу помещают относительно объекта таким образом, чтобы создать реальные изображения света, прямо или диффузно отраженного внутренней и внешней поверхностями в виде двух концентрированных световых пятен, расположенных на расстоянии друг от друга на экране. Расстояние между данными двумя пятнами измеряют с помощью любого устройства, например, такого как видикон или анализатор изображений.
Согласно предпочтительному альтернативному варианту осуществления изобретения, линзу размещают таким образом, чтобы не получать световые лучи, непосредственно отражаемые внутренней и внешней поверхностями в соответствии с углами падения световых лучей на данные поверхности. Данный способ, предназначенный для формирования реальных изображений диффузно-отраженного света, невозможно применять для контроля толщины стенок бутылок, поскольку отражение света от стенок не является диффузным.
Однако данный патент раскрывает случай, при котором линзу можно использовать для улавливания зеркально-отраженного луча. В данном патенте, однако, указывается, что в таком случае даже небольшое изменение угла поверхности объекта приводит к такому изменению угла отражения луча, которое требует значительного перемещения линзы для его улавливания.
Способ, описываемый в данном патенте, не является промышленно применимым, поскольку невозможно перемещать линзу для улавливания отраженных лучей.
Таким образом, существует необходимость разработки установки для измерения толщины стенки прозрачных или полупрозрачных емкостей для широкого диапазона типов емкостей и/или при значительных отклонениях пучков, отраженных от стенки емкости, и/или при значительном смещении положений обеих точек отражения.
Однако в области конструкции устройств фокусирующей оптики, таких как объективы, известно, экстремальные условия, в частности, когда улавливаемые лучи образуют большой угол с оптической осью и/или отходят от точек плоскости объекта, расположенных на расстоянии от оптической оси, или при других условиях значительных углов падения на датчики изображений, приводящих к оптической аберрации и потерям яркости, являются нежелательными для работы датчика и объектива, а также приводят к возрастанию себестоимости устройства и являются трудноустранимыми.
Целью настоящего изобретения является устранение недостатков существующих устройств и получение обладающего высокими рабочими характеристиками и экономичного устройства для измерения толщины стенки прозрачных или полупрозрачных емкостей для широкого диапазона типов емкостей и/или при значительных отклонениях пучков, отраженных от стенки емкости, и/или при значительном смещении положений обеих точек отражения.
Для достижения вышеуказанной цели предлагается устройство для измерения толщины стенки прозрачных или полупрозрачных емкостей между наружной и внутренней поверхностями данной стенки, содержащее:
- источник света, создающий пучок света, направленный так, чтобы он попадал на наружную поверхность стенки с углом падения, таким образом, чтобы часть светового пучка отражалась от наружной поверхности стенки, и часть светового пучка преломлялась в стенке и затем отражалась от внутренней поверхности стенки;
- размерный световой датчик, расположенный в плоскости регистрации и улавливающий световой пучок для его преобразования в электрические сигналы;
- оптическую систему, служащую для улавливания и фокусирования на плоскости регистрации световых лучей, отраженных внешней и внутренней поверхностями стенки;
- процессор, соединенный со световым датчиком и служащий для определения толщины стенки по электрическим сигналам, получаемым от светового датчика.
Согласно настоящему изобретению, оптическая система улавливания и фокусирования содержит следующие устройства, последовательно установленные на оптической оси в направлении распространения пучков, отраженных от обеих поверхностей:
- первый объектив, предметная плоскость которого расположена рядом с местом падения светового пучка на стенку, служащий для улавливания световых пучков, зеркально отраженных внешней и внутренней поверхностями стенки;
- по меньшей мере полупрозрачный рассеивающий экран, расположенный в плоскости изображения первого объектива, таким образом, чтобы физически представлять световые пучки, собранные первым объективом, в виде горячих пятен;
- второй объектив, в предметной плоскости которого установлен рассеивающий экран, а в плоскости изображения - световой датчик, что сделано для создания на световом датчике изображения рассеивающего экрана, на котором распознаются горячие пятна.
Кроме того, устройство согласно настоящему изобретению также может содержать в качестве комбинации, по меньшей мере, один, и/или все указанные ниже отличительные признаки:
- оптическая система улавливания и фокусирования содержит комбинацию откалиброванного предметного поля с откалиброванным световым датчиком, таким образом, что Ci<0.5Co, и передает на световой датчик входящий пучок с углом относительно оптической оси менее 40°;
- первый объектив сочетает стенку и рассеивающий экран с коэффициентом увеличения более 1, предпочтительно, приблизительно равным 1,5, и способен собирать и фокусировать на рассеивающем экране пучки, поступающие в его зрачок, с углом относительно оптической оси, который может достигать, по меньшей мере, 20°, и может доходить до 40°;
- экран является диффузионным в своей глубине или на своей поверхности; диффузионная способность экрана такова, что рассеянные пучки собираются вторым объективом;
- источник света создает удлиненный пучок, направленный перпендикулярно плоскости триангуляции и являющийся узким в ортогональном направлении;
- световой датчик представляет собой линейный датчик изображений, ориентированный, предпочтительно, перпендикулярно оптической оси оптической системы улавливания и фокусирования, и расположенный в плоскости триангуляции, или матричный датчик изображений, установленный, предпочтительно, перпендикулярно оптической оси;
- по изображению, созданному световым пучком, попадающим на рассеивающий экран, процессор способен определять положение пятен, создаваемых обоими световыми пучками, освещающими рассеивающий экран, и рассчитывать по их расхождению толщину стенки, по меньшей мере, в одном сечении емкости.
Другие отличительные признаки настоящего изобретения станут ясными после ознакомления с приведенным ниже описанием со ссылками на прилагаемые чертежи, служащими для иллюстрации неограничивающих примеров и вариантов осуществления настоящего изобретения.
Фиг. 1 - схематичное изображение, демонстрирующее недостатки устройств известного уровня техники.
Фиг. 1А - схематичное изображение, демонстрирующее недостатки устройств согласно известному уровню техники, предназначенных для измерения толщины непараллельных стенок объекта.
Фиг. 2 - изображение в разрезе, схематично показывающее устройство согласно настоящему изобретению, предназначенное для измерения толщины стенки емкости.
Фиг. 3 - изображение, иллюстрирующее оптический принцип оптической системы для сбора и фокусирования пучков, примененной в устройстве, показанном на Фиг. 2.
Фиг. 4 - изображение, демонстрирующее прохождение световых пучков в оптической системе для сбора и фокусирования пучков, показанной на Фиг. 3.
Фиг. 5 - пример изображения, полученного с помощью измерительного устройства согласно настоящему изобретению.
На Фиг. 2 представлено устройство 1, с помощью которого можно осуществлять выявление дефектов распределения материала прозрачных или полупрозрачных емкостей 2 с центральной осью А. В частности, как показано на Фиг. 2, каждая емкость 2 имеет вертикальную стенку 3, ограниченную наружной поверхностью 5 и внутренней поверхностью 6.
Согласно настоящему изобретению, устройство 1 предназначено для измерения толщины стенки 3 выполненных из стекла емкостей 2, например, бутылок, банок или фляг.
Преимущество устройства 1 заключается в том, что оно позволяет осуществлять контроль толщины стенки в области контроля по всей окружности стенки, по высоте в направлении параллельно центральной оси А, в которой может иметь место дефект распределения материала. Например, областью контроля может быть область рядом с дном или плечом емкости.
Устройство 1 содержит источник света 8 служащий для направления светового пучка 9 на стенку 3 емкости, в виде линии L, имеющей определенную длину, соответствующую высоте емкости параллельно центральной оси А. В качестве источника света 8 может использоваться, например, лазер. В случае если область контроля представляет собой двухмерную поверхность, длина световой линии L в направлении вдоль центральной оси А соответствует высоте области контроля.
Световой пучок 9 посылается под таким углом, чтобы часть 11 светового пучка 9 отражалась от наружной поверхности 5, часть 12 светового пучка 9 преломлялась в стенке 3, а затем отражалась от внутренней поверхности 6 стенки. Как становится более ясно при рассмотрении Фиг. 2, при посылании светового пучка 9 образуется пучок 11, отраженный от наружной поверхности 5, и пучок 12, отраженный от внутренней поверхности 6.
Предлагаемое устройство также содержит световой датчик 14, который может принимать с помощью оптической системы улавливания и фокусирования 15 пучки 11, 12, зеркально отраженные внешней 5 и внутренней 6 поверхностями, соответственно. Следует отметить, что отражение является зеркальным, когда отраженные внешней и внутренней поверхностями пучки 11, 12 распространяются по одной прямой (согласно закону Снеллиуса), т.е. когда отраженный пучок является симметричным падающему пучку относительно перпендикуляра. Иными словами, угол падения между падающим пучком и перпендикуляром к поверхности равен углу отражения между отраженным пучком и перпендикуляром к поверхности. Оптическая система улавливания и фокусирования 15, более подробно описанная ниже, содержит оптическую ось О, лежащую в плоскости триангуляции, в которой также расположен медианный радиус падающего светового пучка 9. Световой датчик 14 представляет собой либо линейный датчик изображений, предпочтительно, но не обязательно ориентированный перпендикулярно оптической оси О оптической системы улавливания и фокусирования 15, и расположенный в плоскости триангуляции, либо матричный датчик изображений, предпочтительно, но не обязательно установленный перпендикулярно оптической оси О. Световой датчик 14, являющийся частью линейной или матричной камеры 16, преобразует световой пучок в электрические сигналы.
Камера 16 соединена с устройством 17 сбора и обработки данных, что позволяет собирать и обрабатывать данные по изображениям, получаемым с помощью светового датчика 14. Подробное описание камеры 16 и устройства 17 сбора и обработки данных не приводится в описании настоящего изобретения, поскольку они хорошо известны специалистам в данной области.
Устройство контроля 1 также содержит систему 18, служащую для вращения емкости 2 относительно центральной оси А на один оборот, чтобы произвести контроль распределения материала по всей окружности стенки емкости.
i
На Фиг. 3 показан пример осуществления оптической системы улавливания и фокусирования 15. Оптическая система улавливания и фокусирования 15 объединяет предметное поле Co размером 2у с источником света 14, таким образом, что световой датчик имеет размер Ci, который составляет менее 0,5 размера предметного поля, т.е. C<0,5Ci. Оптическая система улавливания и фокусирования 15 содержит:
- первый объектив 21, предметная плоскость которого расположена рядом с местом падения светового пучка 9 на стенку 3, служащий для улавливания световых пучков, отраженных внешней 5 и внутренней 6 поверхностями стенки;
- по меньшей мере, полупрозрачный рассеивающий экран 23, расположенный в плоскости изображения первого объектива 21, таким образом, чтобы физически представлять световые пучки, собранные первым объективом 21, в виде горячих пятен Ti;
- второй объектив 25, в предметной плоскости которого установлен рассеивающий экран 23, а в плоскости изображения - световой датчик 14, что сделано для создания на световом датчике изображения рассеивающего экрана 23, на котором распознаются горячие пятна.
Первый объектив 21, рассеивающий экран 23 и второй объектив 25 расположены на оптической оси О друг за другом в направлении распространения пучков, отраженных обеими поверхностями 5, 6.
Первый объектив 21 объединяет стенку 3 емкости 2 с рассеивающим экраном 23 с коэффициентом увеличения более 1, предпочтительно составляющим около 1,5.
Первый объектив 21 собирает и фокусирует на рассеивающем экране 23 пучки, входящие в его входной зрачок под углом α относительно оптической оси О, который может составлять, по меньшей мере, 20°, и может доходить до 40°. Таким образом, первый объектив 21 собирает пучки 11, 12, отраженные внешней 5 и внутренней 6 поверхностями.
Рассеивающий экран 23 физически отображает световые пучки, поступающие на плоскость изображения первого объектива 21. Иными словами, световые пучки, останавливаемые рассеивающим экраном 23, рассеиваются либо в толще данного экрана, либо одной из его поверхностей. Таким образом, световые пучки, собираемые рассеивающим экраном 23, физически отображаются в виде горячих пятен Ti. После прохождения сквозь рассеивающий экран 23 свет распространяется в соответствии с лепестком диаграммы излучения, который зависит от диффузионной способности экрана 23. Рассеивающие свойства экрана 23 выбирают таким образом, чтобы пучок света, в частности, распространялся вдоль направления светового датчика 14. Таким образом, наблюдая за рассеивающим экраном 23 со стороны, противоположной стороны падения пучков, можно обнаруживать образующие на нем горячие пятна под углами, соответствующими лепестку диаграммы излучения.
Второй объектив 25 обеспечивает возможность повторного обнаружения горячих пятен, образующихся на экране, и формирования их изображений на световом датчике 14. При этом предметной плоскостью второго объектива 25 является рассеивающий экран 23, а его плоскость изображения соответствует плоскости регистрации датчика изображений 14.
Как видно из предыдущего описания, оптическая система улавливания и фокусирования 15 дает возможность получить большое поле обзора и значительный угол апертуры. Таким образом, оптическая система улавливания и фокусирования 15 передает на световой датчик 14 входящий пучок с углом относительно оптической оси О, который может изменяться в диапазоне до 40°, объединяя предметное поле, для которого размеры сторон, по меньшей мере, в два раза больше размеров сторон светового пучка 14.
11
12
На Фиг. 4 показан принцип прохождения отраженных стенкой 3 световых пучков к световому датчику 14. Первый объектив 21 обеспечивает возможность улавливания пучков 11, 12, отраженных внешней 5 и внутренней 6 поверхностями, соответственно, и передачи их таким образом, чтобы выходящие пучки 11', 12', соответственно, образовывали горячие пятна T, T на рассеивающем экране.
11
12
Созданное таким образом на рассеивающем экране 23 изображение, содержащее горячие пятна T, Т, забирается снова для того, чтобы с помощью второго объектива 25 создать изображение на световом датчике 14.
1
1
11
11
12
11
12
11
12
1
11
12
На Фиг. 5 показан пример изображения I, полученного с помощью камеры 16, для определенного углового положения емкости 2 относительно светового датчика 14, который в представленном способе осуществления является датчиком матричного типа. Изображение Ι содержит изображение I горячего пятна T, получаемого в результате физического представления отраженного пучка 11 на наружной поверхности 5, а также изображение I горячего пятна, получаемого в результате физического представления отраженного пучка 12 на внутренней поверхности 6. Изображения I, I горячих пятен T, T на изображении I появляются в виде двух световых линий, с длиной вдоль центральной оси А, соответствующей высоте области контроля емкости, и расположены на расстоянии друг от друга в направлении, перпендикулярном оси А, которое соответствует толщине стенки 3. Следует отметить, что при использовании линейного светового датчика изображения I, I горячих пятен появляются в виде двух светящихся точек, расположенных друг от друга на расстоянии, соответствующем толщине стенки 3.
Устройство 17 сбора и обработки данных воспринимает последовательные изображения стенки 3 емкости 2 при вращении емкости 2 на один оборот. Иными словами, устройство 17 сбора и обработки данных собирает 2 последовательных изображения в течение заданного периода поворота, например, порядка 1 мм, в соответствии с величиной размера емкости 2 по окружности. Как правило, устройство 17 сбора и обработки данных производит обработку результатов измерений путем сравнения, пытаясь определить, не является ли величина какого-либо из измерений меньше критического минимального значения толщины. В случае, если, по меньшей мере, одно значение измерений толщины стенки меньше критического минимального значения, устройство 17 сбора и обработки данных выдает сигнал о дефекте, при поступлении которого данная емкость считается бракованной.
Настоящее изобретение не ограничивается описанными выше и проиллюстрированными способами осуществления, и в пределах объема изобретения могут производиться различные модификации.