专利名称：用于检查有肋容器的设备和方法
技术领域：
本发明涉及容器的检查，更特别地涉及一种用于检测有肋(ribbed)容器中的批量偏差(commercial variation)的方法和设备。
背景技术：
在制造诸如玻璃容器之类的玻璃物品时，可能出现影响容器的批量可接受性的各种异常或偏差。这些被称为“批量偏差”的异常可能涉及容器的众多属性中的一个或多个。例如，批量偏差可以包括在容器侧壁、底或支承面、容器口、或者在容器密封面的容器的尺寸特性；它们也可以包括诸如在容器口、侧壁或者底上的石头或者裂缝的偏差。为了检查和质量控制的目的，常规的作法是在每个容器上铸造指示容器的最初模型的标记。因此，提供能够检查容器的批量偏差、模型标记或者其他保证检查的特征的检查设备常常是有用的。术语“检查”以其最广义被使用，以包括任何光的、电光的、机械的或者电的观察或者与容器的结合来测量或确定潜在可变的特性，包括但不必限于模具码和批量偏差。
美国专利5,291,271公开了一种用于测量透明容器的侧壁厚度的设备，该设备包括用于把光束以一个角度引导到容器侧壁的外表面上的源，使得一部分光束从外侧壁表面被反射，以及一部分被折射到容器侧壁上，从内侧壁表面被反射，然后从外侧壁表面重新出现。透镜被布置在线性阵列光传感器和容器侧壁之间，以用于聚焦从外和内侧壁表面反射到传感器上的光能。该透镜具有其中布置传感器的的像平面以及与光束共线的物平面。信息处理器对入射在传感器上的光能作出响应，以用于确定在内和夕侧壁表面之间的容器厚度。
美国专利6,256,095公开了一种用于检查容器口的密封面区域的设备，该设备包括被放置成把准直的线状光束(即长度尺寸是宽度尺寸的许多倍)引导到容器的密封面区域上的光源。在容器表面区域上的线状光束具有与容器轴垂直的长尺寸以及与容器轴相切的窄尺寸。光传感器被布置成接收从密封面区域反射的线状光束的部分，并提供电输出信号，该电输出信号随着密封面区域相对于光源和传感器的高度或水平而变化。透镜系统被布置成只将从容器密封面区域反射的在与容器轴和传感器的公共平面平行的平面中的光能引导到光传感器上。透镜系统和传感器一起包括全成像系统，用于从密封面反射的在与容器轴和它的传感器的公共平面平行的平面中的光能，但是它基本上不受杂散反射的影响，该杂散反射包括来自容器上其他点的与该平面不平行的反射。
发明概要本发明包括许多方面，这些方面可以分别地实现，或者更优选地可以互相结合来实现。
根据本发明的一个方面，提供一种用于检查容器的设备，该容器具有中心轴和带有向周围延伸的外肋的侧壁。该设备优选地包括用于把线状光束引导到容器的外表面上的光源；被布置成接收线状光束的反射部分的光传感器；以及被耦合到光传感器以将侧壁的几何特性确定为反射光能的函数的信息处理器。线状光束优选地具有平行于容器轴的长尺寸，并具有足够的长度来照亮至少一个肋峰和肋峰之间的至少一个谷。传感器可以是线性阵列传感器，其对于测量不圆度特别有用，或者是用于测量不圆度和侧壁厚度的区域阵列传感器。
根据本发明的另一方面，提供一种用于检查容器的检查设备，该容器具有中心轴、半径和带有至少一个向周围延伸的肋的侧壁。该设备通常包括光源、透镜系统、光传感器和信息处理器。信息处理器使用由光源发出并由透镜系统折射的光在光传感器上形成的图像来确定侧壁或者肋的至少一个几何特性。
根据本发明的另一方面，提供一种检查容器侧壁的方法，该容器侧壁具有至少一个向周围延伸的肋。该方法通常包括以下步骤(a)提供用于把光引导到侧壁上的光源，(b)提供透镜系统，(c)提供用于接收光以使在光传感器上形成具有第一图像元素的图像的光传感器，(d)围绕容器轴旋转容器，(e)在容器旋转时监视第一图像元素，以及(f)基于第一图像元素来确定容器侧壁或者肋的几何特性。
附图简述根据后面的描述、所附权利要求书以及附图，本发明连同附加的目的、特征、优点及其多个方面将被最好地理解，其中
图1是示出本发明的容器检查设备的第一实施例的平面示意图2是示出图1的容器检查设备的正视示意图；图3A是在图2中所示的容器的有肋颈部的截面的放大；图3B是由图1的容器检查设备产生的图像的放大视图；图3C是由本发明的容器检查设备的第二实施例产生的图像的放大视图；以及图4是说明本发明的可选实施方式的示意图。
优选实施例详述参考图1和2，示出了容器检查设备10的第一实施例的示意图，该设备用来检测容器12中的批量偏差，即在侧壁厚度和/或容器的有肋侧壁的不圆度或摆动中的偏差。容器12优选地是透明的或半透明的玻璃容器，其具有基本上圆柱形的侧壁14、中心轴16和半径18。圆柱形的侧壁进一步包括一个或多个向周围延伸的肋20，所述肋的大小和形状随着应用而变化。检查设备10可以是较大的总容器检查站和/或机器的一部分，或者它可以是沿着传送器或其他容器运输系统设置的独立检查设备。在任一情况下，容器检查设备10优选地包括容器旋转装置30(图2)、光源32(图1)、透镜系统34、光传感器36和信息处理器38(图2)。
容器旋转装置30优选地围绕中心轴16旋转容器12，以使检查设备10可以通过至少一个完整的旋转来检查容器。旋转装置被耦合到信息处理器38，以及信息处理器38以容器旋转的相等角增量或者在容器以恒定速度旋转时以相等时间增量来扫描传感器36。信息处理器向旋转装置提供关于何时开始旋转容器、旋转容器有多快、维持旋转有多久等的指令。
光源32发出入射的线状光束50，该光束射在侧壁14上，以使诸如与厚度和/或不圆度有关的那些特性之类的侧壁和/或肋的几何特性可以为了批量偏差而被评估。光源被耦合到信息处理器38并由其控制，以及优选地包括用于产生光线(一维的)的激光二极管、用于聚焦光束的内部透镜布置、以及用于把光线变换为线状束(二维的)的线产生器。光源以相对于半径18优选为大约45°的入射角把入射的线状相干光束50引导到侧壁14上，该光束优选是相干光能的准直束(图1)。如图1-3A中所示，线状束50优选地具有与容器轴16平行的长尺寸以及与容器轴相切的短尺寸。当然，也可以使用其他合适的光源和入射光图案。
透镜系统34位于容器侧壁14和光传感器36之间，并且用来收集和折射从容器侧壁反射的光，以使它射到光传感器上。透镜系统34优选是变形的透镜系统，该系统包括与球面或菲涅耳透镜62相邻放置的圆柱透镜60。在球面透镜和菲涅耳透镜之间至少部分地通过它的焦距来作出选择，该焦距影响光传感器36相对于透镜系统34的位置。透镜系统被设计成向光传感器36引导从容器侧壁14反射的光的某些成分，而引导反射光的其他成分远离光传感器。随后将更详细地描述透镜系统34。
光传感器36被放置在透镜系统34的焦点附近，以使它可以从透镜系统接收光，以及将表示侧壁14和/或肋20的电子信号传输到信息处理器38。根据该实施例，光传感器36包括线性阵列传感器，该传感器具有垂直于容器轴16的长尺寸(图1)以及平行于容器轴的短尺寸(图2)。传感器36可以在诸如Dalsa Orion系列照相机之类的照相机中被提供，该照相机可以具有相关的聚焦光学器件。传感器36可选择地可以是区域阵列传感器，其中仅有一行CCD元件被扫描。
信息处理器38被耦合到检查设备10的各种部件并与其通信，以及基于从光传感器36接收到的信息来分析侧壁和/或肋的几何特性。优选地，信息处理器38包括用于与容器旋转装置30、光源32和光传感器36、以及众多其他电子部件通信的一个或多个输入和/或输出。这些部件可以包括但不限于电子存储装置、电子处理装置、集成电路、外围部件等，并且可以是检查设备10的一部分或者是较大的检查站或机器的一部分。容器旋转装置30、光源32和光传感器36优选地都由信息处理器38来控制。
在通常的操作中，检查设备10通过分析由光源发出、从容器侧壁反射、穿过透镜系统、并由光传感器接收的光来检查容器侧壁14和肋20的几何特性。这种检查可以揭示批量偏差，包括那些与侧壁厚度、肋厚度、侧壁不圆度或摆动、以及肋的轴向距离相关的偏差，这里仅举了几个例子。现在参考图1-3A，光源32发出线状光束50，该光束照亮容器侧壁14的轴向截面。光束50的长的轴向尺寸优选地稍微长于肋20的一个循环，以使至少一个峰72和至少一个谷74被照亮。检查设备10的一个优点在于，容器12的轴向高度以及肋相对于检查设备的相对位置不是关键的。如果在检查期间容器在轴向稍微地移动，那么光束50将仍然射到至少一个肋峰和一个肋谷上，以使可以进行肋的适当检查。当然，光束50的长的轴向尺寸可以更进一步延长，以使它可以照亮跨过多个肋的侧壁的轴向截面。
入射光和反射光分别包括标准入射轴(与束50对齐)和标准反射轴(与束80对齐)；这些是在理想条件下的入射光和反射光的轴，其中与侧壁的表面相切的线垂直于容器半径18。标准入射轴和标准反射轴优选地相对于半径18成45°角，并优选地形成90°的夹角。而且，这些标准轴中的每个优选地位于与中心轴16垂直的假想水平面上。由于反射光束80不一定是单个光线，尽管它可能是，所以光束80通常以上述的水平面为中心。因此，不是所有的反射光束80的成分都可以落在相同的水平面上，而是反射光束总体上以水平面为中心。
当线状光束50射到容器侧壁上时，光可以从侧壁的几个不同的表面反射。第一，存在在图1中所示的水平面上看到的光的那些成分；第二，存在在图2-3A中所示的垂直面上看到的光的那些成分。现在参考图1，示出了几个示例性光束，它们通常以水平面为中心，包括反射束80-88。反射束80-88全部在相同的反射位置90从容器侧壁反射。当反射位置90位于有角度的侧壁表面时(切线与半径18不垂直)，无论它是肋峰、肋谷或者某一其他侧壁特征，它都使得光以不同于45°的角反射。这是束82-84和88的情况。只要束82和84从有角度的近以垂直于半径18的表面反射，透镜系统34就将收集它们，并向光传感器36引导它们，以使它们在相同的位置射到光传感器上以作为标准轴或束80。然而，如果光以大大偏离标准轴80的角度反射远离有角度的侧壁表面，例如束88，那么反射束将不被透镜系统34收集，并且不将射到光传感器36上。
束86源自垂直于半径18、但是在径向上与反射位置90间隔开的容器侧壁表面的反射位置92。透镜系统34折射束86，以使它射到光传感器36上，但是在与标准轴80和反射束82-84射到传感器的位置稍微间隔的位置这样做。各种束射到光传感器36上的位置被称为“图像位置”。因此，在图1的水平面上，透镜系统34和光传感器36的结合起全成像系统的作用。应该注意，束80-84全部在相同的反射位置90从容器侧壁表面反射，而不管该点是位于垂直于半径18的表面的截面上还是稍微有角度，并且在相同的图像位置94射到光传感器36上。相反，由于反射位置92在径向上与反射位置90间隔开，所以束86的图像位置96不同于束80-84的图像位置94。
现在参考图2-3A，示出了以假想垂直面为中心的几个示例性光束，这些束包括已经讨论过的标准反射轴80和束86、以及束100-104。束100和102在与标准反射轴80相同的位置即反射位置90射到容器侧壁14上。然而，束100和102分别射到有角度的表面100’和102’并从其反射。这导致束100和102相对于标准轴80以不平行的路径行进，这又导致它们被透镜系统34远离光传感器36引导。因此，仅仅那些射到位于容器侧壁的垂直或准垂直的表面上的反射位置的束，例如峰72和谷74，将终止于射到光传感器36上。在另一方面，束104射到容器侧壁的垂直表面上，但是在与位置90轴向间隔的反射位置处这样做。束104沿着平行于标准反射轴80的路径延伸，这导致透镜系统34将束104引导到光传感器36，以使它在与标准反射轴相同的图像位置94射到传感器上。
因此，透镜系统34优选地充当远心透镜系统，该系统仅仅把那些从容器侧壁的垂直或准垂直的表面上反射的光束聚焦到光传感器36上。该特征改进了在旋转过程中检查设备对容器的轴向运动的不灵敏性，以使小量的轴向运动不会造成对其它方面可接受的容器的失败检查。图1-3A中的设备生成在3B中所示的图像；也就是，图3B示出在光传感器36上形成的光图案或者图像120，该传感器在这个实施例中是线性阵列传感器。图像120通常包括3个图像元素122-126，其中每个图像元素的水平位置与容器侧壁14和检查设备10之间的距离有关，以及每个图像元素的垂直范围与每个反射的信号强度有关。透镜系统34在垂直方向上压缩图像120，以使图像元素122表示两个来自两个分离的肋峰(束80和104)的重叠的图像元素。该压缩会是有益的，因为它减少产生的数据量；较低的数据速率改善了与慢帧速率相关的问题。在此特定实施例中，图像元素124表示单个肋谷；然而，如果容器相对于光线50在轴向上被平移以使两个肋谷74被照亮，那么图像元素124将表示两个重叠的图像元素。图像元素126表示来自容器侧壁的内表面106的反射(束86)。由于光束86穿过侧壁的厚度，所以它的强度被衰减，因此以比线图像122和124更小的信号强度射到光传感器36上。减小的信号强度产生具有更短垂直范围的线图像。典型地，那些与外侧壁表面上准垂直截面在轴向上对齐的内侧壁表面的部分，最可能将光反射到传感器上。有时将是这种情况，没有可察觉量的光将从内侧壁表面反射，并且通过透镜系统34被引导到光传感器36。在这种情况下，图像120将仅仅包括线122和124。
因此，光传感器36产生表示图像120的数据流，该数据流可以以传感器输出信号的形式被提供给信息处理器38。该信息处理器优选地以不变的预定间隔(空间或时间间隔)来扫描光传感器，以为了容器侧壁14和肋20的各种几何特性来获得和分析该信息，所述几何特性包括侧壁厚度、肋的径向距离、肋的轴向距离、以及侧壁和/或肋的任何不圆度状态。在例如肋谷74和内侧壁表面106之间的容器侧壁的厚度与图像元素124和126之间的水平距离有关。在肋峰72与肋谷74之间的肋的厚度或者径向距离与图像元素122和124之间的水平距离有关。图像元素122、124和126中每个的相对运动分别表示肋峰72、肋谷74和内侧壁表面106的不圆度状态。因此，如果在容器围绕它的轴16旋转的过程中元素122仍然在近似相同的图像位置，那么肋峰的圆周表面是圆的，其中如果在元素122的位置上存在一定程度的移动时，那么肋峰在一定程度上是不圆的。当然，利用由光传感器36提供的数据可以进行其它分析。如果发现容器具有不可接受的批量偏差，那么容器被标记为拒绝，并在下游站中从制造过程中被除去。
根据另一实施例，如前来提供检查设备，仅仅圆柱透镜60被除去，以及光传感器36包括区域阵列传感器138来代替线性阵列传感器。参考图3C，圆柱透镜的除去产生图像140，其中光束在垂直方向上未被压缩。不同地，平行束80和104分别在不同的垂直位置射到光传感器36上，并产生分离的、不重叠的图像元素142、144，而不是互相重叠被压缩以形成一个元素122。元素146表示肋谷74的反射，以及元素148-152表示来自容器侧壁的内表面106的反射。在第一实施例中，圆柱透镜60导致仅仅来自垂直或准垂直表面的反射光射到光传感器上；在这个实施例中，透镜系统允许更多的光射到光传感器上。因此，图像元素142-146具有稍微的弯曲，因为它们遵循比图像120的更大的肋的曲率。该实施例的一个特征在于，它产生了容器侧壁表面和肋的更详细的图像140。例如，该实施例的检查站可以通过监视在容器旋转时元素142和144之间的垂直距离来分析相邻肋峰之间的轴向距离。在另一方面，该实施例产生大的数据量或者高的数据速率，这可以有助于较慢的帧速率。
图4说明用于测量一个或多个肋的高度和/或不圆度的本发明的实施方式，所述肋作为容器204上的肩部凸起200和/或跟部凸起202而出现。图4说明了入射在肩部和/或跟部凸起上的线状束50。光学器件和电子器件以前面详述的方式进行操作。
因此已经公开了一种用于检查容器侧壁和/或肋的光学检查设备和方法，其完全满足前面所述的所有目的和目标。已经描述了几种代替和修改。其它的代替和修改对于本领域普通技术人员而言容易想到。以上讨论的大部分与有肋侧壁表面的检查有关；然而，无肋的或者平滑的侧壁表面可以仅仅容易地被检查。在平滑侧壁表面的情况下，由光传感器接收的反射光束将是宽束，其具有接近于线状光束50的宽度。本发明打算包括落入所附权利要求书的精神和宽范围内所有的这种代替和修改。
权利要求
1.用于检查容器的设备，该容器具有中心轴和带有向周围延伸的外肋的侧壁，所述设备包括光源，用于将线状光束引导到容器的外表面上，所述线状光束具有平行于所述中心轴的长尺寸，并具有足够的长度来照亮至少一个所述肋的峰和至少一个与所述一个肋相邻的谷，光传感器，其被布置成接收从所述至少一个峰和所述至少一个谷反射的所述线状束中的部分，以及信息处理器，其被耦合到所述光传感器以将所述侧壁的几何特性确定为所述反射光能的函数。
2.如权利要求1所述的设备，包括用于围绕所述中心轴旋转容器的装置。
3.如权利要求2所述的设备，其中所述传感器选自由下述组成的组线性阵列传感器和区域阵列传感器。
4.如权利要求3所述的设备，其中所述特性选自由下述组成的组侧壁摆动、侧壁厚度、以及在所述至少一个峰和所述至少一个谷之间的径向距离。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述线状光束具有的长度足以照亮所述峰中的至少两个和所述至少两个峰之间的谷。
6.如权利要求1所述的设备，包括用来收集和折射从所述外表面反射的光的透镜系统，所述反射光包括标准反射轴，该反射轴通常以垂直于所述中心轴的水平面为中心。
7.如权利要求6所述的设备，其中所述标准反射轴与所述容器半径形成大约45°的角，以及所述标准反射轴源自位于所述侧壁上的第一反射位置，并且终止于位于所述光传感器上的第一图像位置。
8.如权利要求7所述的设备，其中所述透镜系统导致所述反射光的符合下述条件的那些成分在所述第一图像位置射到所述光传感器上i)相对于所述标准反射轴成一定角度，以及ii)源自所述第一反射位置；以及其中所述透镜系统导致所述反射光的符合下述条件的那些成分在与所述第一图像位置间隔开的第二图像位置射到所述光传感器上i)平行于所述标准反射轴，以及ii)源自与所述第一反射位置在径向上间隔开的第二反射位置。
9.如权利要求8所述的设备，其中所述信息处理器利用在所述第一和第二图像之间的距离来确定在所述第一和第二反射位置之间的径向距离。
10.如权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二反射位置中的一个位于侧壁外表面上，所述反射位置的另一个位于侧壁内表面上，以使在所述第一和第二图像位置之间的所述距离表示侧壁厚度。
11.如权利要求9所述的设备，其中所述第一和第二反射位置中的一个位于肋峰上，所述反射位置的另一个位于肋谷上，以使在所述第一和第二图像位置之间的所述距离表示所述至少一个肋的径向距离。
12.如权利要求8所述的设备，其中当所述容器围绕所述中心轴旋转时，所述信息处理器监视所述第一或第二图像位置的任何相对运动。
13.如权利要求12所述的设备，其中所述第一和第二反射位置中的一个位于通常为圆柱形的侧壁表面上，以使所述图像位置的所述相对运动表示所述圆柱形的侧壁表面的不圆度状态。
14.如权利要求12所述的设备，其中所述第一和第二反射位置中的一个位于肋表面上，以使所述图像位置的所述相对运动表示所述肋表面的不圆度状态。
15.如权利要求6所述的设备，其中所述反射和折射光包括通常沿着垂直于所述水平面的垂直面而被对齐的成分，以及所述标准反射轴源自位于所述侧壁上的第一反射位置，并且终止于位于所述光传感器上的第一图像位置。
16.如权利要求15所述的设备，其中所述透镜系统导致所述反射光中相对于所述标准反射轴成一定角度的成分偏离，以使它们不射到所述光传感器上，以及其中所述透镜系统导致所述反射光中平行于所述标准反射轴的所述成分在所述第一图像位置射到所述光传感器上。
17.如权利要求16所述的设备，其中所述反射光中平行于所述标准反射轴的成分源自位于所述容器侧壁的准垂直表面上的反射位置。
18.如权利要求6所述的设备，其中在所述光传感器上形成的所述图像包括表示肋峰的第一图像元素和表示肋谷的第二图像元素，以及其中在所述第一和第二图像元素之间的距离表示所述至少一个肋的径向距离，以及所述第一和第二图像元素的任何相对移动表示所述至少一个肋的不圆度状态。
19.如权利要求6所述的设备，其中在所述光传感器上形成的所述图像包括表示侧壁外表面的第一图像元素和表示侧壁内表面的第二图像元素，以及其中在所述第一和第二图像元素之间的距离表示侧壁厚度，以及所述第一和第二图像元素的任何相对运动分别表示所述侧壁外和内表面的不圆度状态。
20.一种检查具有至少一个向周围延伸的肋的容器侧壁的方法，包括以下步骤(a)将线状光束从光源引导到所述侧壁上，以使它射到至少一个肋上，(b)收集从所述至少一个肋反射的光并将其引导到光传感器上，以使所述传感器接收到包括第一图像元素的图像，该第一图像元素表示位于侧壁表面上的第一位置，(c)围绕轴旋转所述容器，(d)当所述容器旋转时，监视所述第一图像元素在所述光传感器上的位置，以及(e)基于所述第一图像元素的位置来确定所述容器侧壁或所述至少一个肋的几何特性。
21.如权利要求20所述的方法，其中步骤(e)包括利用所述第一图像元素的任何相对运动来确定所述容器侧壁或者所述至少一个肋是否具有不圆度状态。
22.如权利要求20所述的方法，其中所述图像包括第二图像元素，所述第一图像元素表示肋峰，以及所述第二图像元素表示肋谷，以及其中所述步骤(e)包括利用在所述第一和第二图像元素之间的距离来确定所述至少一个肋的径向深度。
23.如权利要求20所述的方法，其中所述图像包括第二图像元素，所述第一图像元素表示侧壁外表面，以及所述第二图像元素表示侧壁内表面，以及其中所述步骤(e)包括利用在所述第一和第二图像元素之间的距离来确定侧壁厚度。
全文摘要
一种用于检查容器的设备，该容器具有中心轴和带有向周围延伸的外肋的侧壁。该设备包括用于将线状光束引导到容器的外表面上的光源；被布置成接收线状光束的反射部分的光传感器；以及被耦合到光传感器以将侧壁的几何特性确定为反射光能的函数的信息处理器。线状光束优选地具有平行于容器轴的长尺寸，并具有足够的长度来照亮至少一个肋峰和肋峰之间的至少一个谷。传感器可以是线性阵列传感器，这对于测量不圆度特别有用，或者是用于测量不圆度和侧壁厚度的区域阵列传感器。
文档编号G01N21/90GK1985161SQ200580022873
公开日2007年6月20日 申请日期2005年6月29日 优先权日2004年7月9日
发明者J·W·朱维纳尔 申请人:欧文斯-布洛克威玻璃容器有限公司