CN114608460A

CN114608460A - 一种瓶坯壁厚度的测量方法及系统

Info

Publication number: CN114608460A
Application number: CN202210275722.2A
Authority: CN
Inventors: 黄嘉兴; 宁文斌; 陈怡杉
Original assignee: Guangzhou Juzhen Heige Software Technology Partnership Enterprise LP
Current assignee: Guangzhou Xunzhi Optical Equipment Co ltd
Priority date: 2022-03-21
Filing date: 2022-03-21
Publication date: 2022-06-10
Anticipated expiration: 2042-03-21
Also published as: CN114608460B

Abstract

本发明提供了一种瓶坯壁厚度的测量系统，包括：电机、电机固定座、卡坯头、远心成像镜头、相机和平行光源，其中电机安装在电机固定座底部，卡坯头安装在电机的输出轴上，瓶坯可卡合在卡坯头上跟随电机输出轴旋转，瓶坯的一侧设置有一平行光源，与平行光源相对的一侧设置有一远心成像镜头，相机安装在远心成像镜头的后端，摄像平面和光源照射面平行。本发明还提供了一种与本测量系统相匹配的瓶坯壁厚度测量方法，易于实现，算法简单，充分利用瓶坯的材料特性，通过光学折射的方式，可以快速准确的测量出瓶坯上任意一点的壁厚及平均壁厚，大大提高了瓶坯壁厚的效率及准确性。

Description

一种瓶坯壁厚度的测量方法及系统

技术领域

本发明涉及瓶坯壁厚测量技术领域，具体涉及一种瓶坯壁厚度的测量方法。

背景技术

现有的瓶坯检测一般采用机械检测，其检测方法是在瓶坯底部合模线向瓶口方向偏3mm处的截面外圆一周进行测量，测量前要先将待测部位切开，再使用千分尺手动测量不同位置的壁厚，记录下后，最大值和最小值的差值为壁厚差。然而这种方法不仅操作麻烦、不方便，而且还容易因切割导致误差的产生。虽然目前市场上已有瓶坯专用的坯壁厚度检测设备，但是这种设备依然存在操作不方便，甚至会因操作而产生误差的问题。

随着光学技术的发展，把光学技术应用于瓶坯壁厚度的测量已经成为可能，例如公开号为：CN210321622U的中国专利公开了一种用于测量瓶坯壁厚的光学采集系统，包括有第一成像系统、第二成像系统和旋转固定座，第一成像系统和第二成像系统在同一平面设置成相垂直，瓶坯直立设置于旋转固定座上，并位于第一成像系统与第二成像系统的镜头及光源光线的交叉点位置，并且该交叉点与瓶坯的理论轴心重合。该系统通过两组成像系统的相互配合，同时将瓶坯设置为可水平旋转结构，并置于两组成像系统的光线交叉位置，形成空间直角坐标系统，通过光线在瓶坯侧壁的反射、透射和折射过程，由成像系统分别采集相应的光学图像，只需将瓶坯进行旋转即可实现对瓶坯壁厚的测量。但是上述光学采集系统装配要求苛刻，其要求两组光学镜头的光轴形成90度的位置关系，而且测量要求瓶坯自传360°才能实现完整的一周瓶坯厚度测量，效率不高，也并未有公开瓶坯厚度具体的测试方法及对应的算法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出了一种瓶坯壁厚度的测量方法，充分利用瓶坯的材料特性，通过光学折射的方式，可以快速准确的测量出瓶坯的壁厚，大大提高瓶坯壁厚的效率及准确性。本发明还提出了一种瓶坯壁厚度的测量系统，用于实现本发明提供的瓶坯壁厚度的测量方法。

为实现上述技术方案，本发明提供了一种瓶坯壁厚度的测量方法，具体包括如下步骤：

S1、把瓶坯放置在“卡坯头”上后，开启平行光源，首先对初始位置进行数据采集，光线从平行光源一侧照射瓶坯，从另一侧折射发出后被远心成像镜头和相机采集到，开始采集时，首次采集时瓶坯的位置点记为第一位置，选取第一位置时瓶坯直径上的两个端点A和B，此时，通过远心成像镜头和相机可以拍摄采集到的数据有瓶坯的直径AB，A点出射位置偏移距离dA，B点出射偏移距离dB，通过圆心角计算公式可以计算出圆心角θ＝acos((R-dA)/R)，其中R为瓶坯的半径，即直径AB的一半，然后可以求得入射角i＝90°-θ，再由折射定律求出折射角r＝asin(sin(i)/n)，其中n为折射率，瓶坯上折射后亮光的出射点I₁的坐标(Rsin(θ)，Rcos(θ))；

S2、电机驱动瓶坯旋转180度，此时采集的位置记为第二位置，此时，原先第一位置处选取的瓶坯直径上的两个端点A和B，分别旋转了180°，分别记为A’和B’，然后进行第二次拍摄，通过远心成像镜头和相机可以拍摄采集到的数据有瓶坯的直径A’B’，直径A’B’等于直径AB，A’点出射位置偏移距离dA’，B’点出射偏移距离dB’，以同样的公式求得圆心角θ’＝acos((R-dA’)/R)，入射角i’＝90°-θ’，由折射定律的折射角r’＝asin(sin(i’)/n)，瓶坯上折射后亮光的出射点I₁’坐标(Rsin(θ’)，Rcos(θ’))；

S3、通过如下联立方程组求得光线在瓶坯内传播的折射交点C和C’的坐标：

θ＝acos((R-dA)/R)

θ’＝acos((R-dA’)/R)

sin(i)/sin(r)＝n

sin(i’)/sin(r’)＝n

i＝(π/2)-θ

i’＝(π/2)-θ’

I₁x＝Rsin(θ)

I₁y＝Rcos(θ)

I₁’x＝Rsin(θ’)

I₁’y＝Rcos(θ’)

(Cy-I₁y)/(Cx-I₁x)＝tan(i-r)

(C’y-I₁’y)/(C’x-I₁’x)＝tan(π-(i’-r’))

代入对应测量的参数直径AB，R＝AB/2，dA，dA’，以及折射率n，求得坐标C(Cx,Cy)和C’(C’x,C’y)，最终求得瓶坯的壁厚CA或者C’A’。

优选的，平行光源照射范围大于瓶坯需要测量厚度区域的直径。

优选的，每隔5°执行一次瓶坯位置点数据的计算，累计36次计算后完成一周瓶坯厚度的测量。

本发明还提供了一种瓶坯壁厚度的测量系统，包括：电机、电机固定座、卡坯头、远心成像镜头、相机和平行光源，其中电机安装在电机固定座底部，卡坯头安装在电机的输出轴上，瓶坯可卡合在卡坯头上跟随电机输出轴旋转，瓶坯的一侧设置有一平行光源，瓶坯的与平行光源相对的一侧设置有一远心成像镜头，相机安装在远心成像镜头的后端，摄像平面和光源照射面平行。

优选的，所述远心成像镜头和相机组成摄像系统。

本发明提供的一种瓶坯壁厚度的测量方法的有益效果在于：

1)本瓶坯壁厚度的测量方法易于实现，算法简单，充分利用瓶坯的材料特性，通过光学折射的方式，可以快速准确的测量出瓶坯上任意一点的壁厚及平均壁厚，大大提高了瓶坯壁厚的效率及准确性；

2)本瓶坯壁厚度的测量系统采用本发明提供的瓶坯壁厚度的测量方法，无需苛刻的装配条件，可以快速准确的测量出瓶坯的壁厚。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

图2为本发明测量过程中在第一位置时的光线传播示意图。

图3为图2中的局部结构放大示意图。

图4为本发明测量过程中在第二位置时的光线传播示意图。

图中：1、电机；2、电机固定座；3、卡坯头；4、远心成像镜头；5、平行光源；6、瓶坯；7、亮线；8、相机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本领域普通人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明的保护范围。

实施例：一种瓶坯壁厚度的测量方法及系统。

参考图1至图4所示，一种瓶坯壁厚度的测量方法及系统，该系统包括：电机1、电机固定座2、卡坯头3、远心成像镜头4和平行光源5，其中电机1安装在电机固定座2底部，卡坯头3安装在电机1的输出轴上，瓶坯6可卡合在卡坯头3上跟随电机1输出轴旋转，瓶坯6的一侧设置有一平行光源5，瓶坯6的与平行光源5相对的一侧设置有一远心成像镜头4，相机8安装在远心成像镜头4的后端，摄像平面和光源照射面平行，所述远心成像镜头4和相机8组成摄像系统，实际工作时，瓶坯6通过卡坯头3卡合在电机1的输出轴上，瓶坯6这样能够随着电机1绕机轴转动。瓶坯6一侧设置的平行光源5，照射范围大于瓶坯6需要测量厚度区域的直径，在另一侧设置一远心成像镜头4，远心成像镜头4和相机8组成摄像系统可以实时采集图像，测量时，平行光源5常亮照在瓶坯6上，同时还有一组长条的亮线7被远心成像镜头4摄像机采集，该组亮线7是光线在光源一侧进入瓶坯6发生首次折射，然后会在内部发生全放射，最后在远心成像镜头4摄像机这一侧折射出，最终进入远心成像镜头4被摄像系统采集。因为采用的是远心成像镜头4，因此只有平行的光线能够被镜头摄取，由远心成像镜头4和相机8组成摄像系统可以拍摄到瓶坯6的图像并通过像素距离的比对快速获得瓶坯6的直径以及亮线7从某个点出射位置的偏移距离。

下面以PET瓶坯为例，演示一下采用本瓶坯壁厚度的测量方法对PET瓶坯壁厚的具体测量和计算过程：

参照图2和图3所示，箭头表示光线传播方向，图中，角i和r满足光线传播折射定律，即sin(i)/sin(r)＝n，n为瓶坯的折射率，由材料决定，PET瓶坯的折射率为n＝1.58，实际工作时，把瓶坯放置在“卡坯头”上后，开启平行光源，首先对初始位置进行数据采集，光线从平行光源一侧照射瓶坯，从另一侧折射发出后被远心成像镜头采集到，开始采集时，首次采集时瓶坯的位置点记为第一位置，选取第一位置时瓶坯直径上的两个端点A和B，此时，通过远心成像镜头可以拍摄采集到的数据有瓶坯的直径AB＝28.1mm，A点出射位置偏移距离dA＝0.84mm，B点出射偏移距离dB＝0.86mm，通过圆心角计算公式可以计算出圆心角θ＝acos((R-dA)/R)，其中R为瓶坯的半径，即直径AB的一半，R＝14.05mm，然后可以求得入射角i＝90°-θ，再由折射定律求出折射角r＝asin(sin(i)/n)，其中n为折射率，n＝1.58，瓶坯上折射后亮光的出射点I₁的坐标(Rsin(θ)，Rcos(θ))；

参照图4所示，当电机驱动瓶坯旋转180度，此时采集的位置记为第二位置，此时，原先第一位置处选取的瓶坯直径上的两个端点A和B，分别旋转了180°，分别记为A’和B’，然后进行第二次拍摄，通过远心成像镜头可以拍摄采集到的数据有瓶坯的直径A’B’＝28.1mm，直径A’B’等于直径AB，A’点出射位置偏移距离dA’＝0.84mm，B’点出射偏移距离dB’＝0.86mm，以同样的公式求得圆心角θ’＝acos((R-dA’)/R)，入射角i’＝90°-θ’，由折射定律的折射角r’＝asin(sin(i’)/n)，瓶坯上折射后亮光的出射点I₁’坐标(-Rsin(θ’)，Rcos(θ’))；

此时，问题就变成了，已知两点坐标I1，I1’，角度θ，θ’，结合直线方程公式，求光线在瓶坯内传播的折射交点C(或C’)坐标的解析几何问题，通过如下联立方程组求得光线在瓶坯内传播的折射交点C和C’的坐标：

θ＝acos((R-dA)/R)

θ’＝acos((R-dA’)/R)

sin(i)/sin(r)＝n

sin(i’)/sin(r’)＝n

i＝(π/2)-θ

i’＝(π/2)-θ’

I₁x＝Rsin(θ)

I₁y＝Rcos(θ)

I₁’x＝Rsin(θ’)

I₁’y＝Rcos(θ’)

(Cy-I₁y)/(Cx-I₁x)＝tan(i-r)

(C’y-I₁’y)/(C’x-I₁’x)＝tan(π-(i’-r’))

代入对应测量的参数R＝AB/2＝14.05mm，dA＝0.84mm，dA’＝0.84mm，以及折射率n＝1.58，求得坐标C(Cx,Cy)和C’(C’x,C’y)，最终求得瓶坯的壁厚CA＝C’A’＝4.02mm。

同样的原理和方法，可以求得B点处的壁厚DB＝D’B’＝4.05mm。

如果需要测量其它位置的壁厚，只需要旋转电机使需要测量那点的位置与上述例子中的A点，或A’点位置重合，然后实施同样的采集数据和计算操作。同样的操作只需每隔5度重复一次，直到累计180度即36次采集即可完成一周瓶坯厚度的测量，其平均值即可用于精确表示瓶坯的壁厚。

本瓶坯壁厚度的测量方法易于实现，算法简单，充分利用瓶坯的材料特性，通过光学折射的方式，可以快速准确的测量出瓶坯上任意一点的壁厚及平均壁厚，大大提高了瓶坯壁厚的效率及准确性；而且本瓶坯壁厚度的测量系统采用本发明提供的瓶坯壁厚度的测量方法，无需苛刻的装配条件，可以快速准确的测量出瓶坯的壁厚。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应局限于该实施例和附图所公开的内容，所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims

1.一种瓶坯壁厚度的测量方法，其特征在于具体包括如下步骤：

θ＝acos((R-dA)/R)

θ’＝acos((R-dA’)/R)

sin(i)/sin(r)＝n

sin(i’)/sin(r’)＝n

i＝(π/2)-θ

i’＝(π/2)-θ’

I₁x＝Rsin(θ)

I₁y＝Rcos(θ)

I₁’x＝Rsin(θ’)

I₁’y＝Rcos(θ’)

(Cy-I₁y)/(Cx-I₁x)＝tan(i-r)

(C’y-I₁’y)/(C’x-I₁’x)＝tan(π-(i’-r’))

2.如权利要求1所述的瓶坯壁厚度的测量方法，其特征在于：平行光源照射范围大于瓶坯需要测量厚度区域的直径。

3.如权利要求1所述的瓶坯壁厚度的测量方法，其特征在于：每隔5°执行一次瓶坯位置点数据的计算，累计36次计算后完成一周瓶坯厚度的测量。

4.一种瓶坯壁厚度的测量系统，其特征在于：用于实现权利要求1-3中的任一测量方法，包括：电机、电机固定座、卡坯头、远心成像镜头、相机和平行光源，其中电机安装在电机固定座底部，卡坯头安装在电机的输出轴上，瓶坯可卡合在卡坯头上跟随电机输出轴旋转，瓶坯的一侧设置有一平行光源，瓶坯的与平行光源相对的一侧设置有一远心成像镜头，相机安装在远心成像镜头的后端，摄像平面和光源照射面平行。

5.如权利要求4所述的瓶坯壁厚度的测量系统，其特征在于：所述远心成像镜头和相机组成摄像系统。