CN109313140A - 用于片材元件加工机的质量控制站和用于质量控制站的照明单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于片材元件加工机的质量控制站（2），其具有至少一个摄像机（6），用于捕获传输通过质量控制站（2）的片材元件（4）的图像，并且还具有一个照明单元（5），所述照明单元（5）具有至少一个发光器（16）和两个反射器（12、14），照明单元（5）用于将光引导到摄像机（6）的观察区域上，使得尽管改变了介质厚度，但照明强度是恒定的。本发明还涉及一种用于这种质量控制站的照明单元。

Description

用于片材元件加工机的质量控制站和用于质量控制站的照明 单元
技术领域
本发明涉及一种用于片材元件加工机的质量控制站和一种用于这种质量控制站的照明单元。
背景技术
术语“片材元件加工机”在此旨在包括用于加工诸如纸、纸板或类似材料的片材元件的任何机器，特别是印刷机、涂布机、层压机和转换机(例如切割、冲压、折叠和/或胶合机)。
通常已知通过摄像机控制片材元件的质量。一般而言，摄像机捕获传输通过质量控制站的片材元件的图像，并且针对多个不同的参数分析捕获的图像，以便获得片材元件是否满足特定标准的信息。
为了允许摄像机捕获期望的图像，需要照亮摄像机的观察区域(正在捕获其图像的片材元件的部分)。重要的是，照明单元提供具有尽可能恒定的强度的光。
虽然确保以恒定的强度照亮某个已知的观察区域并不太困难，但如果质量控制站打算接收不同高度的片材元件(例如薄纸和厚纸板)，问题会自动出现，因为这会自动地导致观察区域的“高度”的变化(片材元件的上表面距支撑片材元件的表面的距离)。假设在一个简单的例子中正在检查厚度为12mm的纸板，与正在检查厚度为0.5mm的纸的情况相比，观察区域的定位高了11.5mm。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以容纳具有不同厚度的不同介质而不需要太多适应的质量控制站。
为了实现该目的，本发明提供了一种用于片材元件处理机的质量控制站，其具有至少一个摄像机，用于捕获传输通过质量控制站的片材元件的图像，并且还具有带有至少一个发光器和两个反射器的照明单元，照明单元适于将光引导到摄像机的观察区域上，使得尽管改变了介质厚度，但照明强度是恒定的。本发明基于以下想法：以相对较宽的区域(垂直于片材元件前进的方向和沿着片材元件前进的方向)上恒定的强度照射摄像机的观察区域。因此，不管观察区域是靠近正在传输的片材元件的表面(薄片材元件的情况)还是在该表面上方的某一水平面(这是厚片材元件的情况)，照明强度是恒定的。此外，照明强度沿横向是均匀的。因此，质量控制站不必根据通过片材元件加工机前进的特定介质的厚度进行调整或调节。
质量控制站中使用的照明单元可包括：承载发光器的基座，其沿着照明单元的长度延伸；以及两个反射器，其沿着发光器延伸并且布置成彼此面对，每个反射器在横截面中观察时具有抛物线或非球面轮廓，特别是圆锥形轮廓。
通过适当地叠加来自发光器的三个不同部分的光来实现在特定区域上恒定的照明强度：第一部分的光由发光器朝向第一反射器发射并且朝向观察区域反射。第二部分的光由发光器朝向第二反射器发射并且朝向观察区域反射。第三部分的光由发光器直接朝向观察区域发射。通过使用两个不同的反射器，由第一和第二反射器反射到观察区域上的光可以单独调节，以便在与直接落在观察区域上的光叠加时最终实现恒定的照明强度。
发光器可以以允许产生具有所需强度和波长的光的任何形式实现。优选地，发光器由彼此相邻布置的多个LED形成。LED结构紧凑并产生很小的损失热，因此可以将其整合到一个紧凑的照明单元中。
根据优选的实施方式，发光器紧邻基座布置。这有助于照明单元的紧凑配置，并且也是可能的，因为当从观察区域看照明单元时，没有反射器布置在发光器的“后面”。这种布置也有利于热能消散。在LED(后表面)和支撑件之间的热路径非常短。此外，用于水或空气冷却的管道可以集成到基座中。
鉴于LED的典型光强度分布，在照明单元的光学平面和反射器之间存在大约10°至20°的开口角。因此，沿着LED的光学平面以高强度发射的光可以直接落在观察区域上，而更加横向发射的光由反射器朝向观察区域重新定向。
为了在大约12mm宽(在片材元件前进的方向上)和/或高的区域上实现观察区域的均匀照明，由两个反射器中的每一个反射的发光器的能量分布在距照明单元的光学平面大约6到10mm的距离处。
漫射器可以与照明单元相关联。这允许实现更均匀的辐射。漫射器可以是例如垂直于片材移动方向的一个方向上的全息漫射器。
可以使用具有相同轮廓的两个反射器。根据特定要求，与另一个反射器的轮廓相比，也可以实现一个反射器的轮廓的小变化，然而这些变化通常是最小的。
照明单元优选地在横向于片材元件前进通过质量检查站的方向的方向上延伸一定长度。照明单元的长度优选地大于200mm，以便照亮大部分的观察区域。
如果需要，可以将两个或更多个照明单元彼此相邻地布置。也可以使用多个摄像机。特别地，两个或更多个摄像机可以彼此相邻地使用，每个摄像机捕获窄在质量检查站中的片材元件的传输通道的整个宽度上延伸的窄观察区域的一部分的图像。
根据一个优选实施方式，反射器的光学平面相对于垂直于观察区域所在平面的平面，以约45°的角度布置。反射器的光学平面的该取向导致具有恒定照明强度的区域具有与其宽度相对应的高度。例如，如果具有恒定照明强度的区域具有12mm的高度(导致用与厚度为12mm的纸板表面相同的强度照射薄纸表面)，沿着片材元件传输通过摄像机的观察区域的方向观察，该区域延伸超过12mm。因此，关于摄像机和照明单元在片材行进方向上的位置的可能公差对观察区域中的相应片材元件的表面上的特定点处的照明强度没有太大影响。
优选地，摄像机的光学平面相对于垂直于观察区域所在平面的平面以约20°的角度布置。这已证明对于系统的图像捕获能力以及包括摄像机和照明单元的组件的紧凑性都是有利的。
对于片材元件加工机中的典型检查条件，发光器可以布置在距观察区域60至120mm的距离处，特别是在约90mm的距离处。
上述目的还通过一种用于在质量控制站中使用的照明单元来实现，该照明单元包括一个基座，其承载沿着照明单元的长度延伸的至少一个发光器以及沿着发光器延伸并且布置成彼此面对的两个反射器，每个反射器在横截面中观察时具有圆锥形轮廓，照明单元在与照明场对应的矩形区域上提供基本均匀的辐射分布，照明场在介质馈送方向上延伸一定距离，并且辐射的均匀分布存在于照明场上的不同水平，直到在照明场上方一定距离的水平。
附图说明
现在将参考附图中所示的优选实施方式来描述本发明。在附图中，
-图1以侧视图示意性地示出了在片材元件加工机中使用的根据本发明一个实施方式的质量控制站；
-图2以俯视图示意性地示出了图1的质量控制站；
-图3以放大的比例示意性地示出了根据本发明一个实施方式的摄像机和照明单元；
-图4以更大的比例示意性地在图4左侧示出了图3的照明单元的一半，并且在右侧示出了用作照明单元中的发光器的LED的光强度的典型极坐标图；
-图5示意性地示出了根据本发明一个实施方式的从照明单元接收光的观察区域中的光强度；以及
-图6示意性地示出了从各个反射器接收并直接从发光器接收的观察区域中的光强度，以及得到的总光强度。
具体实施方式
在图1中，示意性地示出了在片材元件加工机中使用的质量控制站2，其中示出了片材元件加工机的输送台3。片材元件加工机可以加工沿箭头A的方向传输的片材元件4。片材元件4可以是纸、纸板、塑料薄膜或类似材料的片材，或者它们可以是更长的卷筒纸的形式。片材元件加工机可以是印刷机、冲压机、层压机、折叠机、胶合机等。
质量控制站2用于控制片材元件4的质量。一般说来，使用将光引导到当前正在检查的片材元件的表面上的照明单元5，并且摄像机6用于捕获当前正前进通过质量控制站的片材元件4的图像。
更准确地说，摄像机6捕获观察区域7中的图像，观察区域7是在垂直于方向A的方向上在片材元件的整个宽度上延伸的非常窄的区域，片材元件沿着方向A前进通过质量控制站2(请参阅图2)。
也可以使用多于一个的照明单元5，并且还可以在质量控制站2中使用多于一个的摄像机6。特别地，可以使用彼此相邻布置的两个摄像机，第一摄像机在观察区域7内捕获片材的左半部分的图像，第二摄像机在观察区域7内捕获片材的右半部分的图像。
由摄像机6捕获的图像被提供给控制器8，在控制器8中将其与存储的参考图像进行比较和/或在各个方面进行分析。然后，控制器8确定各个片材元件4的质量是否满足预定标准。
在图2和3中更详细地示出了照明单元5和摄像机6的取向。
输送台3的上表面用附图标记9表示。该表面可以认为是平的或平坦的(至少在观察区域7中)。因此，在观察区域7内检查的片材元件4的上表面也认为是平的或平坦的。垂直于表面9(因此也垂直于观察区域7内的片材元件4的上表面)并垂直于方向A延伸的平面用附图标记P表示。
摄像机6布置成使得其光学平面O6相对于平面P以角度α倾斜。在一个优选的实施方式中，角度α约为20°。根据结构限制和要进行的检查的特定性质，可以选择其他角度。
照明单元5布置成使得其光学平面O5相对于平面P以角度β倾斜。在一个优选实施方式中，角度β约为45°。根据结构限制和要进行的检查的特定性质，可以选择其他角度。
如图3中可以看出，照明单元5包括一个基座10、两个反射器12、14和一个发光器16。
对于一些应用，可以使用漫射器18。例如，漫射器是仅在垂直于片材移动的方向上具有漫射功能的全息漫射器。即使在观察表面中不需要恒定的辐射，如果希望沿着相同表面(对于金属化基板)具有恒定的辐射，则使用漫射器是有利的。
基座10是用于照明单元的元件的并且在垂直于图3的平面的方向上伸长的载体。因此，基座10横向于方向A延伸，在方向A上片材元件4前进通过质量检查站。
照明单元的典型长度约为300至400mm。
发光器16沿着基座的纵向延伸，并且用于沿着照明单元的长度发光。发光器16可以产生强度不随照明单元的长度变化的光。实际上，发光器16通常包括以彼此接近的短间隔布置的多个分立的LED。与漫射器18组合，发射的光的强度将不会(或至少不显著地)沿着照明单元5的长度变化。
两个反射器12、14彼此相对布置，使得发光器16定位在反射器12、14之间。
如图3和4所示，每个反射器的轮廓近似为椭圆形或抛物线形。反射器相对于光学平面大致对称地布置。每个反射器的表面可以用圆锥表面和非球面变形的总和的等式来描述。两个反射器12、14是严格对称相同的，其可以相对于光学平面对称或近似对称，或者它们在光学表面形式上可以略微不同。
反射器是由合适材料(例如铝合金或塑料材料)制成的单独部件，其反射表面抛光或设有反射涂层。其可以通过螺栓20安装在基座10上。
图4右侧示出了在极图中的在发光器16中使用的LED发出的光的强度。可以看出，光的强度在光学平面O5附近很高(特别是在相对于光学平面O50°和15°之间的范围内)，对于较大的角度强度显著降低。
在图4的左侧，可以更详细地看到照明单元5。
发光器16相对于反射器12、14布置，使得由发光器16产生的光的一部分直接落在待检查的片材元件4上并照亮观察区域7。取决于反射器12、14的几何形状，该部分对应于相对光平面O5以0°到大约18°之间的角度离开发光器16的光。这部分光在图4中示出，其中光线在照明单元5的外部倾斜延伸。该光对观察区域7(图2)的贡献约为总照度的25％。
由发光器16产生的光的第二和第三部分(即，相对于光学平面O5以高于大约18°的角度离开发光器16的部分)由反射器12、14指向观察区域7。图4中示出了光的这些部分之一，其中光线平行于光学平面O5延伸。
光的三部分(直接来自发光器16的光的第一部分，由反射器12反射的第二部分和由反射器14反射的第三部分)叠加在观察区域7处，使得总的光的强度在几毫米宽(并且几毫米高)的区域内是恒定的。
图5显示了观察区域中光的总强度It。可以看出，强度在x方向上12mm宽的区域上(其对应于片材元件4的行进方向A)是恒定的。
由于光学平面O5的取向，强度不仅在水平方向上而且在垂直方向上都是恒定的。强度恒定的区域的高度也是12mm。如果光学平面O5以不同于45°的角度β布置，则恒定强度区域的宽度将与其高度不同。
术语“恒定强度”不要求强度完美地恒定。相反，该术语包含小的强度变化，只要这些变化很小，不会影响在可能出现的不同条件下进行的检查(例如从薄纸变为厚纸板)。在实践中，相对于参考点(在z方向或在x方向上)，3％/mm的强度的变化、更优选为0.5％/mm至1％％/mm的偏差(并且在具有恒定强度的整个区域内总共2％至5％)被认为是“恒定的”。
图6更详细地示出了如何叠加源自发光器16并落在观察区域上的光的不同部分，以便实现恒定的总强度It。
线Id表示直接从发光器16落到观察区域中的片材元件4的上表面上的光的强度。
线I12示出了从反射器12反射到观察区域中的片材元件4的上表面上的光的强度。
线I14示出了从反射器14反射到观察区域中的片材元件4的上表面上的光的强度。
可以看出，光的不同部分导致在区域z上是恒定的总强度It，区域z是12mm宽并且可以在0mm和12mm之间的不同高度延伸。

Claims (13)

1.一种用于片材元件加工机的质量控制站（2），具有至少一个摄像机（6），用于捕获传输通过所述质量控制站（2）的片材元件（4）的图像，并且还具有一个照明单元（5），所述照明单元（5）具有至少一个发光器（16）和两个反射器（12、14），所述照明单元（5）用于将光引导到所述摄像机（6）的观察区域上，使得尽管改变了介质厚度，但照明强度是恒定的。
2.根据权利要求1所述的质量控制站（2），其中，所述照明单元（5）包括承载所述发光器（16）的基座（10），所述发光器（16）沿所述照明单元（5）的长度延伸，所述两个反射器（12、14）沿所述发光器（16）延伸并且布置成彼此面对，每个所述反射器（12、14）在横截面中观察时具有抛物线或非球面轮廓、特别是圆锥形轮廓。
3.根据权利要求1或2所述的质量控制站，其中，所述发光器（16）由彼此相邻布置的多个LED形成。
4.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，其中，所述发光器（16）布置成紧邻所述基座（10）。
5.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，其中，在所述照明单元（5）的光学平面（O5）与所述反射器（12、14）之间存在约20°的打开角度。
6.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，还包括漫射器（18）。
7.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，其中，所述两个反射器（12、14）具有相同的轮廓。
8.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，其中，所述照明单元（5）的长度大于200mm。
9.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，其中，所述反射器（12、14）的光学平面（O5）相对于平面（P）以大约45°的角度（β）布置，平面（P）垂直于其中布置有观察区域的平面（9）。
10.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，其中，所述摄像机（6）的光学平面（O6）相对于平面（P）以大约20°的角度（α）布置，平面（P）垂直于其中布置有观察区域的平面（9）。
11.根据前述权利要求中任一项所述的质量控制站，其中，所述发光器（16）布置成距所述观察区域（7）60至120mm、特别是90mm。
12.一种照明单元（5），用于在前述权利要求中任一项所述的质量控制系统中使用。
13.一种用于质量控制站的照明单元（5），包括：一个底座（10），其承载沿着所述照明单元（5）的长度延伸的至少一个发光器（16）以及沿所述发光器（16）延伸并且布置成彼此面对的两个反射器（12、14），每个所述反射器（12、14）在横截面中观察时具有圆锥形轮廓，所述照明单元（5）在对应于照明场的矩形区域上提供基本均匀的辐照分布，照明场在介质馈送方向上延伸一定距离，并且辐照的均匀分布存在于照明场上方的不同水平处，直到在照明场上方一定距离的水平面。
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