DE4304678C1 - Verfahren zum kontinuierlichen Abtasten und Überprüfen von Spurauftragungen auf einer bewegten Unterlage und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Abta­ sten und Überprüfen von Spurauftragungen auf einer be­ wegten Unterlage oder dergleichen Objekt, beispielswei­ se einer oder mehrerer aufzutragenden Leimspuren auf einem zu faltenden Schachtelrohling, und auf eine Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens.

Bei der unterschiedlich dosierbaren Massenfertigung von Lebensmitteln, Medikamenten und anderen Produkten aller Art ist deren sichere und funktionsgerechte Verpackung von wesentlicher Bedeutung. Sie muß nicht nur optisch fehlerfrei und ansprechend sein, sie muß das Produkt auch gegen äußere Beschädigungen und Einflüsse aller Art sicher schützen, wobei es bei den gegebenen sehr hohen Fertigungsgeschwindigkeiten auf exakte Reprodu­ zierbarkeit bei geringstmöglicher Fehlerquote ankommt. Produktumhüllende Verpackungen, beispielsweise Kartonagen wie Pappschachteln für die pharmazeutische Industrie oder dergleichen, werden aus vorgestanzten ebenen Schachtelrohlingen durch Falten und Kleben her­ gestellt, wofür die Beleimung der Klebenähte in Form eines kontinuierlichen Spurauftrages oder einer Kette einzelner aneinandergereihter Beleimungspunkte über spezielle Düsenauftragungssysteme erfolgt. Für die si­ chere Vorgabe eines fehlerfreien Produktes ist die Zu­ verlässigkeit der Spurauftragung sowohl in Form einer programmgesteuerten Kette aus einzelnen Leim-Punkten als auch einer durchgehenden Leim-Linien oder -Rauten Grundvoraussetzung.

Leimauftragungssysteme unter Verwendung von Austrags­ düsen, deren Öffnungsquerschnitt möglichst gering ge­ halten werden muß, neigen während des Betriebes aus einer Mehrzahl von Gründen zu Verstopfungen oder ande­ ren Betriebsunterbrechungen und sind somit von Haus aus mit einer hohen Ausfallquote behaftet, was für den Ge­ samtfertigungsprozeß von großem Nachteil ist. Zur Ver­ meidung bzw. sicheren Früherkennung derartiger Unregel­ mäßigkeiten ist bei den gegebenen hohen Fertigungsge­ schwindigkeiten eine Überwachung durch bloßen Augen­ schein des Betriebspersonals nicht mehr möglich, ins­ besondere nicht bezüglich der Aussage über das Vorhan­ densein oder Nichtvorhandensein oder auch nur einer kurzen Unterbrechung einer Leimspurauftragung, die sich optisch nicht von ihrer Unterlage unterscheidet. Den­ noch ist nicht nur eine Aussage über das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein einer Leimraute oder derglei­ chen für die Qualität und die funktionelle Zuverlässig­ keit der Produktes wichtig, sondern auch die Überwa­ chung ihres präzisen Beginns und Endes, gegebenenfalls auch der aufgetragenen Menge.

Bisher erfolgt die Kontrolle und Überprüfung von Spur­ auftragungen, nämlich Leimspuren, aber auch anderen pastenförmigen oder mehr oder weniger flüssiger Sub­ strate nach unterschiedlichen Verfahrensweisen.

Bei einer bekannten farbmetrischen Überwachung (DE 34 38 192 A1) des Spurauftrages wird davon ausge­ gangen, daß dem Leim ein Farbstoff beigemischt ist, der unterschiedlich zur Farbgebung der Objektunterlage ist, so daß sich die Farbunterschiede als Kennungskriterien für das Vorhandensein bzw. Nichtvorhandensein der ein­ gefärbten Leimspur heranziehen lassen. Nachteilig bei dieser Verfahrensweise ist zunächst die Farbgebung des Leimauftrages, die so vorgenommen werden muß, daß auch bei dünnen Objektunterlagen ein Durchschlagen des Farb­ tons ausgeschlossen ist. Nachteilig ist aber insbeson­ dere auch, daß bei dieser Verfahrensweise nur einfar­ bige, möglichst weiße Unterlagen bezüglich der einge­ färbten Spurauftragung sicher überwacht werden können. Bei farbig bedruckten Oberflächen sind fortwährende Fehlmessungen nicht auszuschließen bzw. ist diese Ver­ fahrensweise nicht anwendbar. Entsprechendes gilt auch für Heißleimauftragungen.

Ein weiteres bekanntes Abtast- und Kontrollverfahren bedient sich der kapazitiven Überwachung. Hiebei wird der Leimauftrag entweder an zwei Kondensatorplatten herangeführt bzw. zwischen diesen oder zwei kapazitiven Leitern hindurchgeführt, an die ein hochfrequentes Wechselspannungsfeld gelegt ist. Das sich ändernde Die­ lektrikum beeinflußt entsprechend einen Hochfrequenz- Schwingkreis, dessen Teil die Kondensatoranordnung ist.

Die Frequenzänderung des Schwingkreises wird meßtech­ nisch erfaßt und ähnlich wie bei Münzprüfgeräten aus­ gewertet (DE-OS 23 62 835).

Eine weitere Hochfrequenz-Meßmethode, die sich des Fre­ quenzspektrums im Mikrowellenbereich bedient, ist für flächig aufzutragende, d. h. relativ dünnflüssige Leime vorgeschlagen worden, wobei sich diese Methode jedoch weder für Heißleimer noch für höher viskose Auftragun­ gen eignet.

Schließlich soll hier noch auf ein Abtastverfahren hin­ gewiesen werden, bei dem die Leimspur mit Ultraviolett- Licht beaufschlagt wird und die reflektierte Strahlung mittels Lumineszenz-Abtastern erfaßt wird. Dieses Ab­ tastverfahren eignet sich jedoch nur für Dispersions­ leime, denen UV-Aufheller zugesetzt sind, so daß hier­ für die Einsatzmöglichkeiten äußerst beschränkt sind. Streustrahlung und Untergrundstrahlung führen zu hohen Schwankungen in der Meßwertkennung.

Aus der DE 40 37 383 A1 ist ein Verfahren zum kontinu­ ierlichen Messen von sich in axialer Richtung bewegen­ den Profilen bekannt, bei dem Sonden rings um das Pro­ fil mit Abstand und in vorbestimmter Winkellage zuein­ ander angeordnet sind. Mit den Sonden werden nach dem Triangulationsprinzip mittels eines Laserlichtstrahls ein Oberflächensegment in einem bestimmten Meßbereich der jeweiligen Sonde sequentiell kontinuierlich abgeta­ stet und die an der Profiloberfläche reflektierte Strahlung wird von einem feststehenden Empfänger er­ faßt, wodurch aufgrund der geometrischen Beziehungen der Abstand jedes Meßpunktes zur Sonde bestimmt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von einem Verfahren der eingangs genannten Art, die Aussatz- und/oder Fehlerquote bei der Herstel­ lung von Spurauftragungen so zu minimieren, daß prak­ tisch jeder im Fertigungsprozeß auftretende Fehler si­ cher erkannt und damit eliminiert werden kann, unabhän­ gig von der Beschaffenheit oder Farbe der Objektunter­ lagen, auf die die Spurauftragung erfolgt, und unabhän­ gig von den optischen, physikalischen oder chemischen Eigenschaften der Spurauftragung selbst.

Die Lösung dieser Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.

Anspruch 3 kennzeichnet die Vorrichtung zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und die sich daran anschließenden weiteren Unteransprüche kennzeich­ nen Einzelheiten der Ausgestaltung dieser Vorrichtung.

Die Verwendung eines Laserstrahles als Lichtquelle ist besonders vorteilhaft, da sich hierdurch nicht nur sehr genaue reproduzierbare Meßwerte ergeben, sondern sich auch unerwünschte Einflüsse sonstiger Umgebungsstrahlung ausschließen lassen. Besonders vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang auch die senk­ rechte Ausrichtung der Haupteinstrahlrichtung der Empfängeranordnung zum Auflicht-Laserstrahl oder doch wenigstens eine im ausreichenden Winkel hierzu ste­ hende Ausrichtung, damit die Strahlung des Auflichtes die zur Empfängeranordnung hin gerichtete Reflexions­ strahlung der Spurauftragung nicht beeinflußt. Die Abtastung der Spurauftragung erfolgt praktisch träg­ heitslos, wobei durch die periodische Ablenkung des Lichtstrahles mit hoher Frequenz sich auf der Objekt­ unterlage eine beidseitig begrenzte sehr dünne Licht­ linie abbildet, die quer über die eine oder mehrere Spurauftragungen verläuft, und zwar vorzugsweise etwa senkrecht zur Linearbewegung der Spurauftragung.

Mit der Geschwindigkeit der Spurauftragung auf die Objektunterlage bewegt sich diese senkrecht zur La­ serstrahllinie unter der Meßanordnung hindurch, so daß eine kontinuierliche Messung des Spurauftrages sichergestellt ist.

Der Aufbau der Vorrichtung zur Durchführung des er­ findungsgemäßen Verfahrens ist dadurch einfach und relativ kompakt auszuführen. Die Vorrichtung besteht im bevorzugten Ausführungsbeispiel aus einer Laser­ lichtquelle, deren Licht, vorteilhaft mehrfach umge­ lenkt, derart hochfrequent periodisch abgelenkt wird, daß sich auf der Objektunterlage ein scharfer längen­ begrenzter Lichtstrahl in Form einer hellen Linie abbildet, die von einer Empfängervorrichtung bezüg­ lich des reflektierten Strahlenanteiles zu beiden Seiten des Spurauftrages sensoraktiv ist, so daß eine auch schaltungstechnisch wenig aufwendige Auswert­ elektronik in Anwendung gebracht werden kann.

Anhand der beiliegenden Zeichnungen soll die vorlie­ gende Erfindung in schematisierter und beispielhafter Ausführungsform näher erläutert werden, wobei bedeu­ ten:

Fig. 1 eine seitliche Draufsicht auf die Licht­ quellen/Empfänger-Anordnung,

Fig. 2 eine Teildarstellung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine Darstellung gemäß Fig. 2 unter Hinzu­ fügung einer Leimspur,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der Abtast- und Auswer­ te-Elektronik, und

Fig. 5 eine Darstellung zur Verdeutlichung des auszuwertenden Ausgangssignals der Abtast­ elektronik.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Lichtquelle 1 handelt es sich um einen Laser, dessen hochenergetischer Lichtstrahl auf eine Spiegeloberfläche einer Ablenk­ vorrichtung 2 fällt, mit dem der Strahl um 90° umge­ lenkt wird, so daß er nachfolgend senkrecht nach unten geführt werden kann. Der Laserstrahl ist auf die Objektentfernung fokussiert, d. h. er bildet sich ohne Ablenkung auf der Oberfläche des Objektes 13 als scharf definierter Punkt ab.

Wie mit dem Doppelpfeil bei der Ablenkvorrichtung 2 angedeutet, schwingt diese periodisch mit hoher Fre­ quenz derart hin und her, daß sich der im Querschnitt punktförmige Lichtstrahl in der Abbildungsebene als scharf begrenzte Linie 14 abbildet, deren Länge, den Erfassungsbereich 5 der Abtastung definierend, durch die Amplitude der periodischen Auslenkung der Ablenk­ vorrichtung 2 vorgegeben ist. Das Objekt 13 bewegt sich während der Messung senkrecht zur Zeichenebene, also in Richtung aus dieser heraus bzw. in diese hin­ ein, mit einer Geschwindigkeit, die der Auftragsge­ schwindigkeit einer hier nicht dargestellten Spurauf­ tragung entspricht.

Die Ablenkvorrichtung 2 kann, wie dargestellt, ein schwingender Spiegel sein bzw. ein Polygon-Spiegel, ein Resonanz-Frequenzschwinger oder dergleichen dyna­ mische Schwingvorrichtung, die den Lichtstrahl in einen Lichtkegel auffächert, dessen Ebene die Zei­ chenebene ist. Das bewegte Objekt 13 verzeichnet so­ mit eine zickzackförmige Abtastung über seine Erfas­ sungsbreite 5. Dem ruhenden Betrachter erscheint zu­ folge der hochfrequenten Ablenkung des Laserstrahles in der Zeichen- und Objektebene eine stehende scharf ausgeleuchtete Linie 14, wobei die Ablenkfrequenz der Ablenkvorrichtung 2 beispielsweise 1 kHz betragen kann.

Um den Kegelwinkel zwischen Ablenkvorrichtung 2 und Objekt 13 möglichst klein zu halten und damit eine möglichst gleichmäßige Ausleuchtung der Linie 14 bei gleicher Abtastgeschwindigkeit über ihre gesamte Län­ ge zu erzielen und um die Meßanordnung möglichst klein zu dimensionieren und in einem kompakten Gehäu­ se unterbringen zu können, wird vorzugsweise der La­ serstrahl über eine Mehrzahl von Umlenkvorrichtungen hin und her geführt, was bei geringem Abstand der einzelnen Vorrichtungseinheiten zueinander eine maxi­ male Weglänge des Lichtstrahles ermöglicht. Der in der Zeichenebene aufgebündelte Lichtstrahl fällt so­ mit senkrecht auf das Objekt 13, was annähernd auch an den beiden Enden der Linie 14 des Erfassungsberei­ ches 5 gesagt werden kann. Mit der Verlängerung des Weges zwischen Ablenkvorrichtung 2 und Oberfläche des Objektes 13 läßt sich eine hohe Tiefenschärfe auch bei relativ großen Niveau-Änderungen der Oberfläche im Erfassungsbereich 5 durch beispielsweise dicke Spurauftragungen eines Leimes vorgeben. Je länger der Abstand zwischen Ablenkvorrichtung 2 und Objekt 13, desto größer kann auch die Länge der Linie 14, also der Erfassungsbereich 5, gewählt werden trotz extrem spitzwinkligen, d. h. minimalen Auslenkwinkels des Scankegels.

Durch die abtastende Bewegung des Laserstrahles ent­ lang einer Linie der planen Objektoberfläche wird von dieser Oberfläche Strahlung reemittiert, wie das in Fig. 2 mit den Darstellungen gemäß Bezugszeichen 6 angedeutet ist, wobei die Intensität der reemittier­ ten Strahlung durch die Oberflächenbeschaffenheit und die Untergrundfarbe des Objekts 13 erheblich beein­ flußt ist. Es ist jedoch aus der schematischen Dar­ stellung ersichtlich, daß die reemittierte Strahlung im wesentlichen in ihrem Einstrahlbereich verbleibend zurückgestrahlt wird, wobei nur vernachlässigbar ge­ ringe Streustrahlung in andere Richtungen fällt.

Wie aus Fig. 1 bis 3 weiter ersichtlich, sind in der Ebene des Scankegels oberhalb des Objektes 13 liegend zwei Photoempfänger in Stellung gebracht, die zusam­ men eine Empfängeranordnung 3, 4 bilden, wobei der eine Photoempfänger 4 auf der linken und der andere Photoempfänger 3 auf der rechten Seite zum Erfas­ sungsbereich 5 liegen. Die Haupteinstrahlrichtung der Empfängeranordnung und damit sowohl des Photoempfän­ gers 4 auf der linken, wie auch des Photoempfängers 3 auf der rechten Seite gemäß Zeichnungsdarstellung liegt in der Scankegel-Ebene senkrecht zu dem Kegel oder besser dem Lichtband bzw. parallel zur Ebene des Objektes 13. Die reemittierte Strahlung 6 trifft so­ mit nicht bzw. im Streubereich nur zu einem vernach­ lässigbar kleinen Prozentsatz auf die Sensoroberflä­ chen der Empfängeranordnung 3, 4. Die beiden Photo­ empfänger der Empfängeranordnung 3, 4 kennzeichnen sich durch einen breitkegeligen Öffnungswinkel der aus dem Erfassungsbereich 5 dorthin reflektierten Strahlung 15. Abschirmungen 16 sorgen darüber hinaus für eine Begrenzung des Rückstrahlungsbereiches der reemittierten Laserstrahlen. Jede der photoelektri­ schen Sensoren der Empfängeranordnung 3, 4 besteht praktisch aus jeweils einer Sammellinse 17 oder einer entsprechenden kumulierenden Linsenanordnung und ei­ ner Photodiode 3′ bzw. 4′.

In Fig. 3 ist die Wirkung einer im Erfassungsbereich 5 auf die Oberfläche des Objektes 13 aufgebrachten Leimspur 7 dargestellt, von der aus das auffallende Laserlicht sowohl in der Kegelebene als auch von je­ der der Seitenflanken zu der Empfängeranordnung 3, 4 reflektiert wird. Zufolge des zeitlich aufeinander­ folgenden Abtastvorganges zwischen den beiden Seiten­ flanken der Leimspur 7 erscheinen die etwa einer Gaußschen Glockenverteilung entsprechenden Refle­ xionspeaks in den Einstrahlbereichen der linken und rechten Photodioden der Empfängeranordnung 3, 4 hin­ tereinander zeitversetzt, wobei die zeitliche Verset­ zung von der Abtastfrequenz vorgegeben wird.

Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäß diametrale Verschal­ tung der Dioden 3′, 4′, deren Ausgänge an die beiden Eingänge eines Operationsverstärkers 8 gelegt sind, der seinerseits an einen Zentralrechner 10 ange­ schlossen ist. Hier erfolgt die Verarbeitung der auf­ treffenden Signale in einer Form, daß der kontinuier­ liche Abtastvorgang und damit Spurauftragungsverlauf dann unterbrochen wird, wenn die Auftragung der Leim­ spur 7 nicht in Übereinstimmung mit einem hierfür vorgegebenen Muster erfolgt. Durch die diametrale Verschaltung der Dioden 3′, 4′ wird erreicht, daß bei energetisch gleichstarken Signalen sich die Wirkung der Reflexionspeaks zu beiden Seiten der Leimspur 7 aufheben, so daß am Ausgang des Operationsverstärkers 8 kein Signal ansteht. Störende Fremdlichteinflüsse wie Umgebungsstrahlung od. dgl. sind bei dieser Schal­ tungsanordnung ebenso kompensiert wie ansonsten auf­ tretende Meßfehler durch Rückstrahlung der Lichtquel­ le oder durch objektbedingte Oberflächenstrukturen bzw. Einfärbungen.

Mit der schematischen Darstellung gemäß Fig. 5 soll noch gezeigt werden, daß der Amplitudenwert des Si­ gnalpiks der Reflexionsstrahlung eine quantitative Bewertung der Leimspurstärke erlaubt. Wie darge­ stellt, ergibt sich im Spannungs/Zeitdiagramm 11 für die linke und rechte Reflexionsseite der Leimspur 7 je eine gleiche Peakhöhe; der Zeitpunkt tx ent­ spricht, wie aus Fig. 3 ersichtlich, der Mitte, also der maximalen Höhe der Leimspur 7. Die Ansteuerung der Ablenkvorrichtung 2 erfolgt mittels einer von einem Generator vorgegebenen Frequenz, so daß der Zeitpunkt tx für jeden Abtastvorgang über die Länge des Erfassungsbereiches 5, also zwischen der Start­ zeit einer Abtast-Halbperiode und ihrem Umkehr- bzw. Endpunkt auf der gegenüberliegenden Seite des Erfas­ sungsbereiches zur Positionsbestimmung der Leimspur entlang der Linie 5 herangezogen werden kann.

Über die Bestimmung der Parameter Höhe und Breite der rautenförmigen Leimauftragung läßt sich bei entspre­ chender Programmierung des Rechners 10 auch das Volu­ men des Spurauftrages ermitteln und, falls gewünscht, kontinuierlich oder diskontinuierlich registrieren.

Claims (10)

1. Verfahren zum kontinuierlichen Abtasten und Über­ prüfen von Spurauftragungen auf einer bewegten Unterlage oder dergleichen Objekt, beispielsweise einer oder mehrerer aufzutragenden Leimspuren auf einem zu faltenden Schachtelrohling, dadurch gekennzeichnet, daß ein auf Objektentfernung fokussierter Licht­ strahl über mindestens eine periodische Ablenkvor­ richtung (2) senkrecht auf dem Objekt (13) und senkrecht zum Bewegungsrichtung des Spurauftrages (7) gerichtet abgebildet wird und eine mit ihrer Haupteinstrahlungsrichtung im Winkel zur Objekt­ oberfläche ausgerichtete Empfängeranordnung (3, 4) mit breitkegeligem Öffnungswinkel optoelektronisch die reflektierte Strahlung beidseitig des Spurauf­ trages zeitversetzt empfängt und die empfangenen Signale miteinander vergleicht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die periodische Ablenkung des Lichtstrahles mit hoher Frequenz erfolgt, wobei diese in Form einer beidseitig begrenzten Lichtlinie auf der Unterlage abgebildet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, bestehend aus
einer Lichtquelle (1) zur Erzeugung eines fokus­ sierten Lichtstrahles,
mindestens einer Ablenkvorrichtung (2) im Strah­ lengang der Lichtquelle, mit der der Lichtstrahl periodisch in vorgebbar kleinen Winkelbereichen zu einer Linienform abgelenkt ist,
einer photoelektrischen Empfängervorrichtung (3, 4), die beidseitig und oberhalb zum Spurauftrag (7) angeordnet ist, und
einer Auswerteelektronik (3′, 4′, 8, 9, 10), die die reflektierte Strahlung einer Seite des Spurauftra­ ges (7) mit der reflektierten Strahlung der ande­ ren Seite des Spurauftrages (7) vergleicht unter Berücksichtigung der zeitversetzten Abtastung quer zum Spurauftrag (7).

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich­ net, daß die nach dem Scannerprinzip arbeitende Abtastvorrichtung (2) aus wenigstens einem Reso­ nanz-Frequenzschwinger und/oder Polygonspiegel besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Empfängeranordnung (3, 4) aus zwei beidseitig zu dem oder den Spurauftrag(en) angeordneten photoelektrischen Sensoren besteht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Haupteinstrahlungsrichtung der Emp­ fängeranordnung (3, 4) wenigstens annähernd parallel zur Oberfläche des Objektes (13) angeord­ net ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß ein Winkel von annähernd 90° zwischen Haupteinstrahlungsrichtung der Emp­ fängeranordnung (3, 4) und fokussierendem Licht­ strahl der Lichtquelle (1) eingestellt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, da­ durch gekennzeichnet, daß die Auswertelektronik diametral verschaltete Dioden (3′, 4′) aufweist, die elektrisch gleichstarke Signale von den beiden Seiten der Spurauftragung (7) kompensieren.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle eine Laserlichtquelle verwendet wird.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen periodischer Ablenkvorrichtung (2) und Oberfläche des Objektes (13) möglichst groß gewählt ist.