CN106879255B - 用于定向管部件的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于定向管部件(2)的方法，所述管部件例如为头部或塞子，所述方法包括：测量部件的角位置(6)的步骤，接下来是定向所述部件的步骤，在定向所述部件的步骤中，尤其是在考虑被测量的信号(8)时确定所述部件的角校正；所述方法的特征在于：还在考虑建模的寄生信号(15)时确定所述角校正。所述发明还包括利用所述方法的设备。

Description

用于定向管部件的方法

对应申请

本申请主张2014年10月7日以Aisapack Holding SA的名义提交的在先欧洲申请EP14187985.8的优先权，将该在先申请的内容全文并入本申请用于参考。

技术领域

本申请适用于柔性管的领域，并且更特别地，适用于用于液体或黏性制品的包装管，其中管头或塞子被面向管体定向。

背景技术

对于用于化妆品、食品或口腔护理的管，通常需要相对于形成包装的主体的柔性部分来定位管头的部件。术语“管头”例如表示通过卡扣配合到肩部的颈部上而固定的卡扣式塞子。对于这些塞子来说，使其开口相对于管体的印刷来定向通常是可取的。其他卡扣式塞子被拧到管的颈部上。在这种情况下，肩部相对于管体的定向对于塞子最终被定位在期望的位置来说是必要的。更一般地，当管头不展现旋转对称性时，定向操作对于相对于管体定向管头来说是必要的。

本领域技术人员已经知道相对于管体来定向管头很长时间，并且在生产机器上自动执行相对于管体定向管头。在图1中描述的当前使用的原理在于旋转局部包括凹口3的部件2。由激光单元11发射的光束5被旋转中的部件2阻挡(图1A)，除了凹口3在光束前面通过时(图1B)。在这种对准的时刻，由单元11发射的激光束5被镜13反射并且转而被单元11检测(图1B)。示意了由这种类型的单元发射的信号(图1C)。将获得的信号8描绘为部件2的角位置6的函数。信号呈脉冲9的形式，该脉冲与旋转的过程中激光束5和凹口3的对齐相对应。与先前描述的用于检测凹口3的设备相结合，使用伺服电动机来旋转部件2使得能够之后相对于参考位置7定向部件。

尽管被广泛地使用，但是先前描述的系统包括多个缺点。第一个缺点与凹口的几何形状关联，由于其形状或其大小，有些时候难以检测凹口的几何形状。在一些情况下，单元11的定位需要非常精确的设置，导致冗长和代价高的设置时间。该检测系统的另一个缺点与部件2的变形关联，变形是由于在旋转过程中保持部件2的夹具。最后，许多部件不能够通过该设备定位，原因是它们的几何形状不适合(没有凹口3)或者原因是它们不具有对于激光束的不透明性。

专利申请WO2011116902提出了在图2中示意的定向方法以便缓解前述难题。在该申请中，提出如在图2A中示意地布置单元11并且在部件2的旋转过程中分析由单元接收的返回信号。针对以参考角位置7被定向的部件2的位置限定参考信号16(图2B)。由Schulthess提出的该定向方法在于获取与要被定向的塞子对应的信号8(图2C)以及将该信号8与参考信号16比较以便确定相位差10。更具体地，Schulthess提出将信号8和信号16之间的相关度计算为相位差的函数。对于与最佳相关度对应的相位差10，找到对齐。

专利WO2011116902中提出的定向方法使得能够解决随后遭遇到的某些问题。但是，该方法具有一些缺点。主要的缺点在图3中示意。图3A示出了当部件2被旋转工具的夹具16保持时部件的变形的示例。图3A的视图a、b和c表示对于部件2相对于夹具16的三个角位置由于夹具16而变形的部件2。图3B表示分别在图3A的视图a、b和c中的信号8a、8b和8c。在部件2在单元11前面旋转期间，获得信号8a、8b和8c。在这些信号中，特征峰9a、9b和9c例如对应于凹口3。图3B示意了根据Schulthess提出的方法的在两个信号8a、8b和8c之间获得的最佳相关度。在图3B中可以看出，分别表示为8a、8b和8c的信号的特征峰9a、9b和9c不重叠。该结果示出，在该精确的情况下，不能使用在专利WO2011116902中提出的方法。在该精确的情况下，特征峰9a、9b和9c的对齐将不会导致信号8a、8b和8c之间的最小或最大相关度。一般地，当部件9的特征信号与具有完全独立的相位的干扰信号混合时，不能应用由Schulthess提出的方法。由Schulthess提出的方法尤其不能够定向在旋转过程中由于保持的夹具而变形的部件。当工具产生显著的干扰信号时(这是自动操作的工业设备的一般情况)，该方法也不适用。干扰信号包括与旋转工具相关的部分(功能性因素、对齐缺陷、部件的变形)、与旋转工具中部件的定位不规则性相关的其他部分以及与环境相关的其他部分(机器抖动)。

在下面描述的发明中提出的方法使得能够缓解上述缺点。

定义

在本文中，术语“部件”对应于图中的编号2并且指将要相对于管体被定位的管头的元件。部件例如为塞子。

术语“凹口”对应于编号3并且用于指代部件的一个或几个元件，所述元件使得能够通过在部件2上形成可检测参考来限定定向。这些元件可以与部件的几何形状、与其表面状况、与其组成、与其颜色相关。

术语“单元”对应于编号11并且总体上指代使得能够发射和接收信号的激光单元。更一般地，术语“单元”指代发射信号并且在部件的旋转过程中接收该信号的已经与部件相互作用的至少一部分的设备。

术语“光束”对应于编号5，指由单元发射的信号。

术语“干扰信号”对应于编号13，指代由单元接收的信号的不包括与部件的定向相关的任何信息的部分。

术语“部件信号的模型”对应于编号14，指代模型的包括特定于部件并且有用于其定向的信息的部分。

术语“干扰信号的模型”对应于编号15，指代模型的包括对于部件的定向无用的信息的部分。干扰模型包括例如与旋转工具中的部件的变形相关的、与旋转工具中的部件的定位不规则性相关的、与工具的功能性因素相关的、与振动等相关的信息。

发明内容

本发明涉及如权利要求限定的用于定向部件的方法和用于实施所述方法的设备。

具体地，本发明提出一种定向方法，所述定向方法基于要被定向的部件的旋转、与部件相互作用的信号的发射和接收。包含在被称为“被测量的信号”的返回信号中的信息用于限定部件在旋转工具中的位置。然后，应用导出的角校正以将部件定位在期望位置。

根据一个实施方式，本发明包括第一阶段，所述第一阶段在于在被称为“建模阶段”的第一阶段中创建被测量的信号的模型。有利地，被测量的信号的模型由被称为“部件信号的模型”的、表示部件的第一信号和被称为“干扰信号的模型”的、表征测量装置及其环境的至少一个第二信号的组合组成。

根据本发明，部件信号的模型和干扰信号的模型的组合例如可以是乘法性或相加性或更复杂的形式。本发明的优选实施方式包括相加性组合。

根据本发明，建模阶段对于每个新部件来说是必要的，并且需要获取随机定向的至少五个部件的被测量的信号，并且优选地获取随机定向的十个部件的被测量的信号。包含在这些被测量的信号中的信息用于限定信号的模型。

在完成建模阶段之后，由信号的模型系统地代替被测量的信号并且随后将被测量的信号分解成部件信号模型和干扰信号的模型。部件信号的模型的相位指示部件的角位置。

所述方法包括被称为“校准阶段”的第二阶段，所述第二阶段在于对应于期望的角定向来限定部件的参考位置。该阶段需要操作员的介入，操作员限定需要用于随机地定向的部件的相位差。将相位差与部件信号的模型的相位比较，并且限定参考位置。

所述方法包括被称为自动定向或生产阶段的第三阶段。在生产阶段，部件被自动定向。所述定向方法包括由信号的模型来代替被测量的信号的第一步骤。该操作至少在于改变部件信号的模型的相位并且识别给出被测量的信号和信号的模型之间的最佳平衡的、被称为“部件相位”的相位。通过最小化被测量的信号和信号的模型之间的平方偏差和来获得最佳平衡。所述方法随后包括第二步骤，所述第二步骤在于利用部件相位和预先限定的参考位置之间的相位差的值来修改部件的角位置。

根据本发明，搜索部件相位可以通过共同地改变部件模型的相位和干扰模型的相位并且找到信号的模型和被测量的信号之间的最佳平衡来执行。优选的方法在于仅改变部件模型的相位。

本发明的第一优点是其稳健性，这允许其被使用在具有大幅度干扰噪声的工业环境中。其尤其允许即便干扰信号的幅度远高于特定于部件的信号的幅度时对部件定位。

本发明的第二优点是以高生产速率定向部件的可能性。

本发明例如使得能够定向由于旋转工具而变形的部件。部件的变形可以随其在旋转工具中的位置而变化。因此，部件变形信号不能被用于定向部件并且变成干扰信号。本发明使得能够分离与塞子的定向相关的信息和与其变形相关的干扰信息。类似地，本发明使得能够分离与部件在旋转工具中的定位的变化有关的干扰信息或与旋转工具的缺陷(非圆形、抖动、对齐缺陷)有关的干扰信息。

即便干扰噪声在测量系统是固有的并且其环境的幅度高于表征要被定向的部件的信号时，本发明也使得能够限定部件的角位置。

本发明由包含在独立权利要求中的特征来限定，从属权利要求限定了其更特定的实施方式。

附图说明

图1表示现有技术的并且在行业中常用于相对于管体定向部件的定向设备和方法，图1包括图1A、1B和1C。

图1A示意了部件在定向设备中的随机位置。

图1B表示在定向过程中对部件的凹口3的检测。

图1C表示由部件的旋转产生的信号。

图2示意了在专利申请WO2011116902中描述的第二定向方法，图2包括图2A、2B和2C。

图2A表示所使用的定向设备。

图2B示意了与部件的已知角位置对应的参考信号。

图2C表示对于部件的随机位置测量到的信号。

图3示意了在专利申请WO2011116902中提出的方法的缺点，图3包括图3A、3B和3C。

图3A示出了旋转工具的夹具16中的部件2的变形。视图a、b和c示意了夹具16中的部件的不同角位置。

图3B示意了在分别对应于图3A的视图a、b和c的信号8a、8b和8c之间获得的最佳相关度。两个信号之间的最佳相关度不对应于部件的相同定向。

图4示意了在本发明中使用的定向设备。

图5示意了信号模型的创建的阶段，图5包括图5a、5b和5c。

图5A示意了在建模阶段的过程中对应于部件a、b、c、d、e和f的随机定向的信号8a、8b、8c、8d、8e和8f的获取。

图5B示意了从建模阶段获得的部件信号的模型。

图5C示意了从建模阶段获得的干扰信号的模型。

图6示意了部件信号的模型和参考位置之间的相位差。

图7示出了根据本发明的定向方法。

具体实施方式

在图4中示意的本发明的一般原理在于基于要被定向的部件2的旋转、与部件相互作用的信号5的发射和接收的定向设备和方法。包含在被称为“被测量的信号”的返回信号中的信息用于限定部件在旋转工具中的位置。然后，应用导出的角校正以将部件定位在期望位置。

在图4中示意的定向设备包括在部件2绕轴4的旋转中发射和接收与部件2相互作用的信号5的至少一个单元11、用于旋转部件2的装置和用于处理来自单元11的信息的装置。单元11可以由两个独立的实体组成；第一个实体用于发射信号5，第二个实体用于接收已经与部件相互作用的信号。

更具体地，根据本发明的用于定向部件的设备包括用于发射和接收信号5(优选地为光信号)的至少一个单元11和信息处理装置12，例如计算机类型的系统或其他等效系统。

根据本发明的优选实施方式，单元11是能量类型的光学传感器，其连接到信息处理装置12。根据该优选实施方式，所述装置12主要包括独立的处理器12’。该处理器12’尤其执行对单元11和位于部件旋转工具的轴上的编码器4’发送的信息的处理。所述编码器4’向所述处理器12通知旋转工具的角位置。当计算出部件相对于参考的相位差时，处理器12’与部件旋转电机的控制交互以便将所述部件定位在正确位置。根据优选实施方式，处理器12’还连接到显示屏20，显示屏20允许操作员执行初始设置并在生产过程中跟踪部件2的定向。

上述设备是特别有利的，原因是其使得能够以高生产速率定向部件2。使用独立于机器的处理器的定向处理器12’使得能够与关于机器的驱动并且由机器的处理器处理的信息并行地处理涉及部件2的定向的信息。

提出的设备的另一优点与其模块化相关。在本发明中描述的设备可以在其操作或其控制模式方面极大不同的机器上没有太大困难地实施。所述设备还是模块化的，因为可以在信息处理层级或在硬件层级对其进行升级。可独立于机器的其余部分来完成该升级。

本发明的核心尤其在于一种定向方法，其主要步骤在图7中描述。该方法包括至少三个阶段；第一阶段被称为信号建模阶段，第二阶段被称为校准阶段，第三阶段被称为自动定向阶段。

建模阶段包括：获取有关于随机定向的部件的多个信号；然后执行适当的数字处理以使得能够限定信号的模型。根据本发明的信号的模型至少由部件信号的模型和干扰信号的模型组成。根据本发明，部件信号的模型包括特定于部件并且对于限定其定向有用的信息，而干扰信号的模型包括表征测量装置及其环境的并且因此对于部件的定向没有用的信息。在模型中，部件信号的模型的相位或角位置是可变的，原因是其精确地为为了最终定向所述部件必须要找到的该角位置。

建模阶段由机器自动完成，没有操作员的介入。为了使限定的模型充分稳健，需要使干扰信号的模型考虑到在生产过程中发生的扰动。出于这个原因，在生产环境中执行用于建模阶段的信号的获取，也就是说，利用与用于生产相同的机器设置。为了描述在生产过程中可能发生的所有扰动，并且为了获得充分随机的设备中部件的定向的分布，必须使用最小数量的部件。从经验上来说，已经发现模型的稳健性需要连续地获取对应于在旋转设备中随机地被定向的五个部件的至少五个信号。优选地，使用至少十个信号来限定模型。当部件质量不佳并且展现显著的尺寸差异时，或者当机器磨损或调整不佳时，可能需要更多数量的信号。一般地，需要该定向操作的包装机器以高于每分钟且每个站60个部件的速率进行操作。因此，十个信号的获取时间因此小于6秒，这意味着可以在不对机器设置时间产生任何显著影响的情况下使用较多数量的信号。

建模阶段需要从获取的信号搜索信号模型。在这些数据的基础上执行适当的数字处理以限定部件信号的模型和干扰信号的模型。由部件信号的模型和和干扰信号的模型的组合来产生信号的模型。优选地，由部件信号和干扰信号的相加性组合来产生信号的模型。还可以设想乘法性组合或更复杂形式的组合。根据本发明，至少部件模型的相位是可变的。部件信号模型的相位指示部件在旋转工具中的角位置。根据本发明的优选实施方式，干扰信号模型的相位是恒定的，其指示干扰主要与旋转所述部件的工具相关。

部件定向方法然后包括在图7中指示的校准阶段。校准阶段的目的是为了限定期望的被定向位置。该阶段需要操作员的介入，操作员指示要被应用的角旋转的值(也就是说，相位差的值)以定向在定向设备中被随机地定位的部件。校准阶段包括多个步骤。第一个步骤在于获取随机定位在旋转工具中的塞子的信号。在第二个步骤中，随后确定部件信号的模型的相位以便最小化被测量的信号和信号的模型之间的偏差。使得能够最小化所述偏差的部件模型的相位限定了部件在旋转工具中的角位置。在第三个步骤中，操作员指示要被应用的相位差值以获得期望的定向。该最后一个步骤使得能够限定与所述部件的被定向的位置对应的部件信号模型的参考角位置。

如在图7中指示的，定向方法的第三阶段是自动定向阶段或生产阶段。在该阶段的过程中，机器以高生产速率自动定向部件。自动定向阶段包括至少下述步骤的连续发生：获取信号的步骤、搜索部件模型的相位的步骤、相对于参考位置(被定向的位置)计算要被应用的相位差的步骤、以及最后的通过应用相位差来定向部件的步骤。

鉴于生产的速率，必须在非常短的时间内执行自动定向阶段。本发明的主要优点在于取得非常高的生产速率的可能性。在第二个步骤中，使用信号的模型来限定信号的相位允许非常短的计算时间。在该第二个步骤中，由于所述模型，所以在能够通过由部件信号的模型和干扰信号的模型的组合产生的信号模型来代替被测量的信号方面存在极大优点。通过改变部件信号的模型的相位并且通过将信号的模型与被测量的信号比较来获得这种代替。当信号模型和被测量的信号之间的偏差最小时，确定部件信号的模型的相位。优选地用于最小化信号模型和被测量的信号之间的偏差的所述方法在于最小化两个信号的平方偏差和。使用模型来执行这些操作是主要优点，原因是信号的模型可以被分解成部件信号的模型和干扰信号的模型。

根据本发明，所述定向方法还使得能够基于信号的模型和被测量的信号之间的偏差的分析来量化定向的可靠性。获得的可靠性值可用于排出定向被视为不确定的部件。

图7中描述的方法提供了极大的稳健性，原因是减去了干扰噪声。所述方法的优点在于使用了干扰噪声的模型和表征部件以及其定向的模型。

图5示意了建模阶段，图5包括图5A、5B和5C。图5A示出了获取作为旋转工具的角位置6的函数的被测量的信号8a至8f的示例。如在图5A中示意的，能够在这些信号中识别峰9a至9f，峰9a至9f的相位变化且表征部件a至f在旋转工具中的相应定向。还可以看到，所述被测量的信号8a至8f展现了与旋转工具同相的干扰噪声13a至13f。对所有信号8a至8f的适当处理使得能够获得图5B和5C中示意的信号的模型。图5B表示部件信号14的模型，其相位是可变并且仅表示部件及其定向。在该信号中，能够容易地识别峰9，峰9是图5A的峰9a至9c的模型的。图5B还示出一系列次级峰，这些次级峰还可以用于部件的定向，但是不能在图5A的被测量的信号中在视觉上识别。该示例示出根据本发明的方法使得能够识别由于干扰噪声而不能在被测量的信号中检测的部件的特性。图5C示意了表示图5A的干扰噪声13a至13f的干扰信号15的模型。在图5C中示意的干扰信号的模型中，仅保留了不随机出现的噪声。在图5的示例中，干扰信号15的模型与旋转工具同相。在图5的示例中，信号的模型对应于在图5B中示意的部件信号的模型和在图5C中示意的干扰信号的模型的和。

图6示意了在校准阶段执行的操作。该操作在于确定对应于部件的期望定向的参考位置7。在该校准阶段的过程中，操作员限定角位置，也就是说，要被应用到部件以获得期望的定向的相位差10。如在图6中示意的，从部件模型而不是从被测量的信号来计算相位差。

在本发明中描述的定向方法尤其与相对于印刷管体定向塞子相关。特别地，本发明使得能够定向“搭扣”类型的夹上式(clipped-on)塞子以便使管的开口与印刷一致。本发明尤其使得能够定向薄塞子，该薄塞子在旋转工具的夹具中变形。

本发明使得能够提高部件的定向的准确性，原因是以高准确性限定要被应用的相位差10。

本发明使得能够在非常短的时间内定向部件，这使得能够取得高生产速率。

本发明使得能够减少与部件的尺寸差异(变形、移除)或颜色差异相关的不良品。

本发明使得能够大大地减少在改变部件(几何形状、直径、颜色)之后的设置时间。

作为示例性实例而给出本发明的实施方式，并且其不应当视为是限制性的。在请求保护的范围内，尤其通过使用等效装置，各种变型是可能的。

例如，信号发射和接收单元11可以绕部件移动，部件就其本身来说可以保持固定。

优选地，所述单元定位在相对于要被定向的对象/部件的旋转轴成直角的轴上。如果包含在读取平面中的信息包括与部件的角定向有关的信息(例如，对象的上表面)，则还可以使用根据与对象的定向的轴平行的平面的单元的位置。

更一般地，可以根据相对于定向轴的不同定向来设置单元的轴的定向。

在本发明的情景中，可以使用能够在部件上检测到的任何参考来确定所述部件的位置并根据本发明的原理来定向所述部件。

如果本说明书提及用于管部件的应用，则这不是限制性的，而且可以设想期望快速地定向被随机布置的部件的其他应用。

用于测量和定向的信号可以是光学信号或其他信号(电、磁等)，其在需要时被变换以根据本发明的原理来对其进行处理。

Claims (18)

1.一种用于定向管部件的方法，所述方法包括：通过确定所述管部件的参考的位置来测量所述管部件的角位置的步骤，接下来是定向所述管部件的步骤，在定向所述管部件的过程中，通过至少考虑被测量的信号来确定所述管部件的角位置的角校正；所述方法的特征在于：还通过考虑建模的干扰信号来确定所述角校正；

其中，所述方法包括被称为“建模阶段”的预备步骤，在该预备步骤过程中对所述被测量的信号建模以创建建模的被测量的信号，所述建模的被测量的信号替代用于所述角校正的被测量的信号，并且所述建模的被测量的信号包括所述建模的干扰信号和建模的部件信号。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，通过获取被测量的信号的采样来确定建模的信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，通过获取对多个管部件测量的信号来确定建模的信号。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，对至少五个部件执行被测量的信号的获取。

5.根据权利要求1所述的方法，包括校准步骤，所述校准步骤包括对应于期望的角定向来限定所述管部件的参考位置。

6.根据权利要求1所述的方法，包括自动定向的步骤，所述自动定向的步骤至少包括改变管部件信号的模型的相位并且识别给出被测量的信号和信号的模型之间的最佳平衡的、被称为“管部件相位”的相位，所述方法随后包括第二步骤，所述第二步骤包括通过管部件相位和预先限定的参考位置之间的相位差的值来修改管部件的角位置。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，搜索管部件相位包括共同地改变管部件模型的相位和干扰模型的相位，并且找到信号的模型和被测量的信号之间的最佳平衡。

8.根据权利要求6所述的方法，其中，搜索管部件相位包括仅改变管部件模型的相位。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，通过考虑管部件的几何形状而在理论上确定干扰信号。

10.根据权利要求1所述的方法，其中，测量是光学的。

11.一种用于使用根据前述权利要求中任一项所述的方法来定向管部件的设备，所述设备包括用于发射和接收信号(5)的至少一个单元(11)以及信息处理装置(12)。

12.根据权利要求11所述的设备，其中，信息处理装置包括定向微处理器(12’)。

13.根据权利要求12所述的设备，其中，微处理器(12’)执行由单元(11)和位于旋转管部件(2)的工具的轴上的编码器(4’)发送的信息的处理并指示角位置。

14.根据权利要求11所述的设备，进一步包括显示屏(20)。

15.根据权利要求11所述的设备，包括用于产生建模的干扰信号的处理单元。

16.根据权利要求11所述的设备，所述设备独立于生产机器并且是模块化的，所述设备安装在所述生产机器中。

17.一种用于生产柔性管的机器，所述机器包括权利要求11至16中任一项所述的设备。

18.根据权利要求17所述的机器，其中，所述柔性管是用于黏性制品的包装管。