CN1047842C - 包装薄片折缝位置检测的方法和装置 - Google Patents

Abstract

在移动的包装薄片(1)上的横向折缝(2)的位置可被精密地检测出来，办法是将激光器(3)发出的光垂直投射在薄片上并用光电检测器(5)从两个与折缝成横向并与投向薄片的光束成一例如为60°的角度的方向接收从薄片上反射回来的光。从光电检测器发出的电测量信号在一电子信息处理器内与存储在器内并代表参照折缝的参照信号比较。计算测量信号和参照信号的符合程度(相关信号)，符合程度达到最大时就是出现折缝的迹象。同理可检测纵向折缝的位置。

Description

包装薄片折缝位置检测的方法和装置

本发明涉及一种在移动的包装薄片或类似物上检测一条折缝或类似的凸起物的位置的方法。本发明并涉及实现该方法的装置。

包装薄片上的折缝可看作是一条折叠用的凹槽，沿着该折缝折叠包装薄片便可制成一个包装。每一块包装坯料设有多条折缝，它们可按不同的方向在包装薄片上延伸。

在不同的情况下有时可能需要根据横向的或纵向的折缝来控制下一道过程。一个例子是当有一拉条被放置在一个准确限定的位置上与一条横向折缝非常接近为的是在以后能够得到成品包装希望有的功能时。另一个例子是当希望用折缝而不是用印刷来缩小包装材料的宽度(例如从四倍缩小到两倍包装宽度)时。目前，常在纸张上印刷一条纵长线以便用来控制切割过程。如果能够控制一条纵长折缝，那么印刷费用和消耗在黑色控制线上的材料便可省掉。

由于确定折缝位置的困难，早先的尝试是从包装薄片上所印刷的材料的特征部开始；这个印刷的材料被看作已对折缝正确定位。但由于各种不同的原因，该印刷物对折缝的定位并没有达到令人满意的精确度。这个装置因此改为例如采用一个拉条，使该拉条相对于印刷物而被定位，而该印刷物可不需得到一个相对于预定折缝的正确位置。

就例如为拉条的位置而言，因此自然希望能从第一元件“折缝”而不是从第二元件“印刷物”开始进行安排。

一条折缝通常是一条在包装薄片背侧的极弱的凸起物，它是可以被看到的。一条典型的折缝可具有1.8mm的宽度和只有0.03mm的高度。而且折缝的形状还不是特别规整地形成的。另外折缝的高度太小以致容易与包装薄片上的不规则部分相混，从而能造成检测折缝的困难。

就比较常见的用铝覆盖的薄片来说，在包装薄片上确定折缝位置的困难是很大的，但没有用铝覆盖时困难更要大些。

在导致本发明的工作开始时，我们曾试验用多种光学方法来检测折缝。光束通过各种不同的途径投射到移动的包装薄片上，然后被光电检测器接收以便产生测量信号。试验结果显示，这些方法中有几种方法完全不能继续使用；某些方法能够用在用铝覆盖的薄片上但不能用在没有用铝覆盖的薄片上。

已经说过折缝的高度很低，以致有时折缝就隐藏在正常的表面不规则部分之中，这意味着不仅从折缝取到信号有一定难度，而且还要在以后处理这个信号以便能够得到一个折缝位置的可靠而又准确的指示。

对上述在移动的包装薄片上检测折缝位置所发生的一些问题，本发明的解决方案为：

从包装薄片和折缝上反射回来的光是从一条与反射光成一角度而投向薄片的光束发出的，反射光被至少一个光电检测器接收而产生包装薄片和折缝的电信号或图象。

借助于从两个方向来的反射光而产生的两个电信号被结合在一起成为一个测量信号，该信号被输入到电子信号处理器内，与原先存储在处理器内并代表一条参照折缝的参照信号比较。

当计算测量信号和参照信号的符合程度而得出的相关信号达到一个最大值时一条折缝便被指出。

这个最大值必须超过某一水准方可作为一条折缝的相关值而被认可。

换句话说，我们利用的是光学对比法和在电子信号处理器内的相关测量技术，其中一部分投入光是由多个光电检测器收集的。投向薄片的光束最好由激光器或发光二极管产生，形状为一长方形，在投射光束与光电检测器接收的光束之间的角度例如为60°。很难从光电检测器发出的测量信号中找出折缝的准确位置，因为在信号中含有很多噪声，特别是来自纸张结构的噪声。折缝也可具有不同的大小，并且在某些情况下是不对称的。不同的纸张质量会给出不同的测量信号。

为了减少来自纸张结构的噪声，可从一个光电检测器或两个光电检测器的两个电信号中产生一个差额信号。还可以用两个电信号之间的差额与两个电信号的总和相比来得出一个噪声更低的最终测量信号。

虽然折缝信号仍然含有相当多的噪声，并且没有光整的、容易辨认的侧腹可以作为依据。但所有折缝信号通常都具有一个像倾斜的N那样的形状，其中在正方向的峰顶与负方向的谷底之间的距离恒定并且与折缝的宽度匹配。这种情况说明折缝位置能用上述的相关方法来辨认并具有良好的准确度。

相关测量的原理为将测量信号与参照信号比较并计算出这两个信号之间的符合程度。有好几种算法可供相关测量使用。按照本发明的方法所选用的方法最终得出的结果为一相关因子，该因子如为零或负表示没有相关性，如为正表示具有相关性。

在按照本发明的方法中，测量信号是以包装薄片的某一输送长度为根据而取样的。在一实际可行的实施例中，在一与包装薄片接合的测量轮所发出的脉冲与脉冲之间的输送长度为80μm，该输送长度在包装薄片的速率不超过350m/min的情况下能在包装薄片上的真正折缝的中心和相关信号的顶峰之间给出2.56mm的距离，而在外部指出折缝的信号要在再过0.32mm后才给出。

因此在测量信号和参照信号之间指出有极佳符合的相关信号的顶峰由于参照的长度将会延迟一定时间才出现。当顶峰出现时，根据从顶峰的出现到折缝的指出有一固定距离差的知识，用来检测横向折缝位置的技术便能例如用来将一拉片放置在相对于折缝为正确的位置上，可以达到极其良好的准确度。或者，用来检测纵向折缝位置的技术便能例如用作切割时的基准。

检测横向折缝位置所发生的问题的实际解决方案在权利要求2和3中给出，检测纵向折缝位置所发生的问题的实际解决方案则在权利要求4和5中给出。

本发明还涉及实现上面论述的在移动的包装薄片上检测折缝位置的方法所需采用的装置。

该装置按照本发明具有下列特征：

至少有一光源以便将光束以基本上垂直于薄片的方向投射到薄片上。

至少有一光电检测器以便用来接收从包装薄片上反射出来的光，该光从对折缝为横向而对投射到薄片上的光束成一较大的角度如60°的两个方向上反射出来，及

一个电子信号处理器，在该处理器内将从光电检测器发出的电测量信号与器内原先存储并代表参照折缝的参照信号比较，并计算出测量信号与参照信号的符合程度值而发出相关信号，该符合程度值中的最大值就是出现折缝的迹象。

光源最好是激光器或光电二极管。激光器和光电检测器可安排在一个盒子内。检测横向折缝位置的装置的较优实施例在权利要求10至13中有说明，而检测纵向折缝位置的装置则在权利要求14至17中有说明。

上面的论述虽然集中在“折缝”这个名称上，但显然按照本发明的方法和装置能够用来检测薄片上的任何一种向内或向外凸起物的位置。同样显然的是按照本发明的方法和装置不仅能够用来检测折缝的位置，还能用来确定折缝的外观和质量。

下面本发明将结合附图作较详细的说明，在附图中：图1示出按照本发明用来检测横向折缝的，检测装置的光学布置，图2A、B和C示出按照本发明在横向折缝移动经过检测器时光束的途径，图3和4示出按照本发明用来检测横向折缝位置的检测装置的两个较优的切实可行的实施例，图5为一折缝信号和一相关信号的图解，图6为一选作为实施例的信号处理器的方块图，图7与图1相对应，示出按照本发明用来检测纵向折缝的光学布置，图8和10示出用来检测纵向折缝的一种修改的检测装置在两种工作情况下的光学布置，图9和11为分别来自按照图8和10工作情况的检测装置的折缝信号的图解，而图12为按照图9和11的两个折缝信号的差额信号的图解。

现在结合附图说明本发明的两个基本上不同的实施例，其中图1至6示出用来检测横向折缝位置的本发明，而图7至12示出用来检测纵向折缝位置的本发明。

在图1中标号1为一包装薄片，它可被安排在一旋转的卷筒上如图，或可在一平面上移动。在包装薄片1上设有一条横向折缝2，该折缝在纵长方向上的位置是我们希望能用高精度来予以确定的。薄片1可设有或不设有铝膜覆盖物。作为折缝2的替代，也可采用任何一种向内或向外凸起的凸起物，但在整个说明中都用折缝这个名称。

包装薄片上的折缝可以看作是一条折叠用的凹槽，当包装薄片被送入到具有脊部和槽部且相互配合的两个滚筒中时即可在薄片上制出凸起物，从薄片的另一面看即是凹槽。一条典型的折缝可具有1.8mm的宽度和0.03mm的高度。这个极低的高度意味着在一移动的包装薄片上折缝不是能容易看到的，特别是在薄片没有用铝覆盖不能给出一定反差的情况下。

理论研究和实地试验都曾显示在包装薄片的表面上采用角度变化的光学检测来对比的方法可以得到最佳的结果。其时光被垂直地投射到薄片表面上，而反射光则在与投射光成较大角度的两个方向上被检测。或者也可以将光束的途径反过来，那就是将光偏斜地从两个方向上投射到薄片表面上，再在一般与表面垂直的方向上检测反射光。

实施这个方法的一种装置见图1。激光器3将发出的光，例如可见的红光，垂直地投射在包装薄片1的表面上。透镜4(通常为一组透镜元件)被安排在激光器3的光束途径上，为的是在包装薄片1上产生一个长方形的聚焦光束。该长方形的纵长轴线横越包装薄片的移动方向，该长方形的长度例如为5mm或更多，宽度为0.1mm。

从包装薄片1上反射的光被两个光电检测器或光电二极管5检测，在检测前该光可先被透镜6聚焦。光电检测器被安排在包装薄片1的纵向上并可与包装薄片的法线例如成为60°的角度。从光电检测器5(例如表面积为5mm²的硅检测器)发出的信号被用电子方法处理，其方式将在后面说明。

图2A至C粗略地示出从激光器3发出的光如何在折缝2移动时成为反射光而射回到两个光电检测器5上。在图2A中折缝2的第一部或“向上坡面”被激光3射中。按照正规的光学反射定律，较多的反射光5′被反射到下面的光电检测器5上而较少反射到上面的检测器上。在图2B中折缝的顶部被激光射中，反射到两个光电检测器上的反射光的数量大致相同。在图2C中折缝已经移动了一些距离，因此折缝的最终部或“向下坡面”被激光射中，这时较多的反射光被反射到上面的检测器上而较少反射到下面的检测器上。

图3和4相当概略地示出按照本发明的装置的光学部分的两种构造。

如从图3可看到，在图1中所示出的各个不同的装置，即激光器3、透镜4，光电检测器5和透镜6被安排在一个盒子7内。从包装薄片1及其折缝2反射出来的光束通过窗8进入到盒子7内并借助于镜9投射在光电检测器5上。在一实际的情况下，盒子7可以安排在离开包装薄片巨离为12mm的地方。

在图4所示的实施例内，激光器3和光电检测器5被安排在盒子10内，其上用一全息光学元件来聚焦并收集反射光。采用这种方案的优点是可以得到一个非常紧凑的光学装置或检测器而只需很少的光学元件。因此这种方案适宜用来制造多种装置。

在光学装置或检测器内也可替代地采用棱镜、菲涅耳光学器件或光导体。

借助于从两个光电检测器5发出的电信号来确定被检折缝的正确位置是比较困难的。在信号内包含许多模糊处或噪声，特别是来自纸张结构的。并且折缝是相当不规整的，具有不同，在某些情况下还是不对称的。测量信号还取决于所用纸张的质量。

来自两个光电检测5的电信号被用电子方法进行处理。显然，这种信号处理用的电子设备可用多种不同的方式制成，其中一种装置将在下面结合图6概括说明。

信号处理的第一步是从两个光电检测器来的信号中产生一个差额信号以便减少来自纸张结构的噪声。进一步用该差额信号与来自两个光电检测器的信号之和相比得出比率来继续降低噪声水平。

即使在进行这些运算后折缝信号仍还含有较多噪声，很少有清晰的、容易限定的侧腹可以作为依据。但所有折缝信号在其外观上都具有某些共同的特征。即折缝信号都具有一般像倾斜的N那样的形状，其中在正方向的峰顶与负方向的谷底之间，即在折缝信号两端之间的距离取决于折缝的宽度，在一实际情况下为1.8mm。

这个事实意味着有可能借助于相关法来以极好的准确度确定折缝的位置。所有在折缝行经的途径上收集来的测量信号都被用在相关法上，噪声能够用这种方式减少。

这个相关法的原理为将测量信号与原先存储在电子设备内的参照信号比较并计算出这两个信号之间的符合程度。有好几种算法可供相关法使用。这里选用的方法最终得出的结果为一相关因子，该因子如为零或负表示没有相关性，如为正表示具有相关性。当一相关曲线或信号到达最大值时表示最大的相关性已在附近。

在本例中本为连续的测量信号是在某些区间内取样的。将取得的测量信号与存储的参照信号在电子设备内进行比较。当测量信号在最大可能程度上与参照信号相当时，相关信号便有一最大值。由于在与测量信号有关的时间内相关信号的顶峰要移动经过参照区的长度，相关信号的最大值要延迟一定时间才出现。该最大值的位置给出以取样数计算的到折缝中心的距离。

测量信号或折缝信号12和在与它有关的时间内移动的相关信号在图5中用图示出。在一实际的实施例中有一与包装薄片1接合的测量轮将测量脉冲或取样脉冲发给电子设备。脉冲与脉冲之间的输送长度被定为80μm(但可任意变化)，这样便可算出从相关信号曲线的顶峰到真正的折缝中心的距离并在信号处理器发出的信号上指出到折缝的距离为2.88mm。

早先曾经说过，信号处理可在多种电子设备的任一种上进行，本行业的行家对此能找到多种不同的方案。用于该目的的方块图的一个例子如图6所示。

从两个光电检测器5发出的信号都被送到一个S/H单元14内(取样并保持)，然后到一个共同的多路调制器15和模拟/数字转换器16内，最后到一个数字信号处理器17内。从包装薄片的测量轮发出的脉冲18也被送到这个单元17内。RAM(随机存取存储器)19、振荡器20和EPROM(可擦可编程只读存储器21也都连接到这个单元17上)。折缝检测信号从单元17上发出。

在图7中标号30为一张包装薄片，它以未被说明的方式在箭头31的方向上被驱动。该包装薄片30有一纵向折缝32，其在横向上的位置是我们希望能以较大的精度来确定的。我们参考了上面有关包装薄片和折缝的性质资料的说明。

光电二极管33或类似的光源将发出的光通过透镜34(或一组透镜)投射到镜35上以便产生一条长方形的光束，镜35以很高的频率如几千Hz来回振动如箭头36所示，使包装薄片30上的一定面积被光束以极快的振动扫描。

从包装薄片30及其折缝32反射出来的光被两个光电检测器或光电二极管37检测，在检测前先要用棱镜38和透镜39送往并聚焦。由光电检测器37、棱镜38和透镜39组成的检测器被安排在包装薄片的横向上。

从光电检测器37发出的信号用电子方法处理，其方式与上面结合图1至6而说明的相似。

可以注意到在检测横向折缝时棱镜能在相应于图3和4的实施例中应用。

检测纵向折缝的另一个实施例在图8和10中示出，这两张图须合起来看，它们示出两种工作情况。有一包装薄片40在箭头41的方向下以未被说明的方式被驱动着。该包装薄片40有一纵向折缝，其在横向上的位置是我们希望能以较大的精度来确定的。为此我们再次参考了上面有关包装薄片和折缝的性质资料的说明。

与所有以前的实施例不同，以前光被垂直地投射在包装薄片上，而现在光被从两个垂直于薄片移动的方向上斜向投射到包装薄片40上。

在图8中光43A从一最好为光电二极管(未示出)的光源从左边被斜向投射在折缝42的区域上，而在图10中光43B从一相应的光源从右边被斜向投射在同一区域上。投射角对纸张来说可约为50°。从两方向来的光能用极高的频率如数千Hz交替投射。

在包装薄片40上分别产生的光照区域44和44B最好在薄片的横向上成为长方形或椭圆形，这样它们便横越纵向折缝42。长方形的长度应该覆盖折缝的宽度和在该宽度之外的区域即“搜索区域”。在实际上长方形的长度可约为30mm。

光照区域44A和44B的反射图像通过透镜4S(实际上为透镜组)交替反射到光电检测器46上。这个光电检测器可为检测矩阵的型式，最好具有直接在芯片上进行信号处理的可能性。常见的CCD(电荷耦合器件)阵列也可应用。

从光电检测器46发出的信号或图像在光束如图8从左边投射时具有如图9那样的外观，而在光束如图10从右边投射时具有如图11那样的外观。将前一信号从后一信号中减去便产生一个差额信号，其外观例如图12所示的那样。

为了确定折缝42的位置，现在应用与上面为横向折缝说明的方法相同的相关法。

在这方面应该提到，用在横向折缝及纵向折缝上的电子设备能够做到“自学习”，即将一个接续一个输出的折缝信号加到原来的参照信号上使后者给出实际的折缝信号的一个逐渐改善的图像。

在图8和10所示的实施例中光是从左边和右边用高频交替投射的。作为替代也可用两个沿着折缝而互相贴近的装置，其中一个装置产生一个相应于光从左边投射时的信号，而另一个装置产生一个相应于光从右边投射时的信号。这样光源当然便可将光连续输出。

上面结合图7至12说明的、用来检测纵向折缝的实施例也可用在有关部分上作为结合图1至4说明的、用来检测横向折缝的实施例的替代方案。

从装置的光电检测器反射的光量取决于：

包装薄片或其表面的

-吸收

折射系数

-表面地形

光泽度(即微观的地形参数)

如果材料是透明的，底表面的光学特性也会产生影响。

按照本发明的检测折缝位置的方法可缩小吸收、折射系数、微观地形和光泽度以及沿折缝的地形发生变化时的影响，使只有横越折缝时的地形变化，即折缝本身的形状被充分反映到信号内。

包装的最终形状是以包装材料上制出的折叠用凹槽即折缝为特征的。如果折缝模式被用作切割、应用和其他过程中的基准位置，那么这些基准的定位便可达到更高的精度。这样废品便可减少，包装的功能和外观的变化也可减少。

Claims (18)

1.一种检测移动的包装薄片(1；30；40)或类似物上的折缝(2；32；42)或类似的凸起物的方法，其特征为，该方法包括下列步骤：

从包装薄片(1；30；40)和折缝(2；32；42)上反射回来的光(5′)和从一条与反射光成一角度而投向薄片的光束(3′)所发出的光被至少一个光电检测器(5；37；46)接收而产生包装薄片和折缝的电信号或图像；

借助于从两个方向来的反射光而产生的两个电信号被结合在一起成为一个测量信号(12)，该信号被输入到电子信号处理器(17)内，与原先存储在处理器内的、代表一条参照折缝的参照信号比较；

当计算测量信号和参照信号的符合程度而得出的相关信号(13)达到一个最大值时一条折缝(2；32；42)便被指出。

2.按照权利要求1的检测横向折缝(2)位置的方法，其特征为，从包装薄片(1)上反射回来的光(5′)是从基本上垂直投向薄片的光束(3′)发出的并被两个光电检测器(5)从两个与折缝(2)成横向并与投射到薄片上的光束成一较大角度的方向上接收。

3.按照权利要求1的检测横向折缝(2)位置的方法，其特征为，从包装薄片(1)上反射回来的光是从两条与折缝成横向的光束上发出的并被一个基本上直接安排在折缝(2)上面的光电检测器接收，两条光束与包装薄片的法线成一较大的角度。

4.按照权利要求1的检测纵向折缝(32)位置的方法，其特征为，从包装薄片(30)上反射回来的光是从一条基本上垂直投向薄片的振动光束发出的并被两个光电检测器从两个与折缝(32)成横向并与投射到薄片上的光束成一较大角度的方向上接收。

5.按照权利要求1的检测纵向折缝(42)位置的方法，其特征为，从包装薄片(40)上反射回来的光是从两条与折缝成横向的光束(43A、43B)上发出的并被一个基本上直接安排在折缝(42)上面的光电检测器(46)接收，两条光束与包装薄片的法线成一较大的角度。

6.按照权利要求2的方法，其特征为，垂直投向薄片(2)的光束(3′)是由激光器(3)产生的并在薄片(1)的横向上成为长方形，并且在投射光束和每一条被光电检测器(5)接收的光束之间的角度大于30°。

7.按照权利要求1的方法，其特征为，测量信号(12)是由从两个光电检测器(5；37；40)发出的电信号的差及两个电信号的和之间的比率形成的。

8.按照权利要求1的方法，其特征为，测量信号(12)是以包装薄片(1；30；40)的某一输送长度为根据而取样的。

9.一种实现按照权利要求1的、在一移动的包装薄片(1；30；40)或类似物上检测折缝(2；32；42)或一类似凸起物位置的方法用的装置，其特征为，该装置具有：

至少一个光源(3；33)，以便将一光束(3′；43A；43B)投射到薄片(1；30；40)上；

至少一个光电检测器(5；37；46)，以便用来从两个与折缝成横向并与投向薄片的光束成一较大角度如60°的方向上接收从包装薄片上反射回来的光(5′)。

一个电子信号处理器(17)，在该处理器内将从光电检测器(5)发出的电测量信号(12)与器内原先存储并代表参照折缝的参照信号比较，并计算出相关信号，该相关信号指出测量信号和参照信号之间的符合程度，符合程度达到最大时就是出现折缝(2)的迹象。

10.按照权利要求9的检测横向折缝(2)位置的装置，其特征为，该装置具有：

一个光源(3)，以便用来将一条光束(3′)基本上垂直投向包装薄片(1)和

两个光电检测器(5)，以便用来接收从薄片上反射回来的光。

11.按照权利要求9的检测横向折缝(2)位置的装置，其特征为，该装置具有：

两个光源，以便用来将光束从两个与折缝(2)成横向的方向上投射到包装薄片(1)上，和

至少一个光电检测器，被安排为基本上直接在折缝的上面以便用来接收从薄片反射回来的光。

12.按照权利要求11的装置，其特征为，两个光源用高频交替输送光束以便被一共同的光电检测器接收。

13.按照权利要求11的装置，其特征为，两个光源被安排为连续输送光束以便被两个贴近地安排在一起的光电检测器接收。

14按照权利要求9的检测纵向折缝(32)位置的装置，其特征为，该装置具有：

一个瞄准一面镜子(35)的光源(33)，该镜以高频振动以便将一条探索折缝(32)用的光束基本上垂直投向包装薄片(30)，和

两个光电检测器，以便用来接收从薄片上反射回来的光。

15.按照权利要求9的检测纵向折缝(42)位置的装置，其特征为，该装置具有：

两个光源，以便从两个与折缝(42)成横向的方向上将两条光束(43A、43B)投向包装薄片(40)，和

至少一个光电检测器(46)，被安排为基本上直接在折缝的上面以便用来接收从薄片上反射回来的光。

16.按照权利要求15的装置，其特征为，两个光源被安排为用高频交替发出光束(43A、43B)以便被一共同的光电检测器(46)接收。

17.按照权利要求15的装置，其特征为，两个光源被安排为连续输送光束以便被两个贴近地安排在一起的光电检测器接收。

18.按照权利要求9的装置，其特征为，光源为激光器或光电二极管(3；33)。

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