PL229618B1

PL229618B1 - Urządzenie do kontroli powierzchni zewnętrznych i geometrii obiektów na liniach produkcyjnych z wykorzystaniem obserwacji kołowej w pełnym zakresie obwodowym 360°

Info

Publication number: PL229618B1
Application number: PL417147A
Authority: PL
Inventors: Krzysztof MALOWANY; Krzysztof Malowany; Marcin MALESA; Marcin Malesa
Original assignee: Ksm Vision Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2016-05-10
Filing date: 2016-05-10
Publication date: 2018-08-31
Also published as: WO2017196193A1; PL417147A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do kontroli powierzchni zewnętrznych i geometrii obiektów na liniach produkcyjnych, z wykorzystaniem obserwacji kołowej w pełnym zakresie obwodowym 360°. W szczególności urządzenie jest przeznaczone do automatycznej kontroli jakości kontrolowanego obiektu (2) to jest zamknięć opakowań na ciecze, takich jak m.in. nakrętki, kapsle, korki. Urządzenie ma kamerę cyfrową (7) z obiektywem (6) oraz umieszczone w obudowie (4) oświetlacz (5) i parę zwierciadeł (3.1, 3.2), usytuowanych tak, że ich dolna krawędź znajduje się poniżej badanego obiektu (2), który przez otwór w obudowie przemieszcza się między tymi zwierciadłami, wraz z pojemnikiem w trakcie jego ruchu na transporterze maszyny pakującej, a promienie odbite od zwierciadeł wyznaczają całkowity obraz badanego obiektu w pełnym zakresie.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do kontroli powierzchni zewnętrznych i geometrii obiektów na liniach produkcyjnych z wykorzystaniem obserwacji kołowej w pełnym zakresie obwodowym 360°. W szczególności urządzenie jest przeznaczone do automatycznej kontroli jakości zamknięć takich jak m.in. korki, kapsle opakowań na ciecze (m.in. butelki, fiolki). Konstrukcja urządzenia umożliwia kontrolę na liniach produkcyjnych pracujących w trybie ciągłym.

Znane są różne typy urządzeń do obserwacji obwodowej obiektów w trakcie ich przemieszczania się na liniach produkcyjnych.

Ze zgłoszenia patentowego EP0047936 znane jest rozwiązanie umożliwiające obserwację obwodową obiektów kołowo symetrycznych. Do obserwacji wykorzystywana jest para zwierciadeł stożkowych (wklęsłe i wypukłe), które poprzez odbicia wiązki światła formują obraz powierzchni zewnętrznej obiektu kołowo symetrycznego w płaszczyźnie obrazowej kamery. Urządzenie to wykorzystuje kołowy oświetlacz usytuowany na zewnątrz zwierciadeł.

Rozwiązanie ujawnione w patencie US 752227 pokazuje optyczny system do obrazowania powierzchni bocznej badanego obiektu na płaszczyźnie obrazowej układu optycznego. Układ zawiera elementy optyczne redukujące kąt wiązki światła odbitego od obiektu.

W zgłoszeniu międzynarodowym WO2015185318 opisano urządzenie do kontroli zamknięć opakowań, w szczególności nakrętek. Urządzenie to składa się z soczewki, układu oświetlającego i kamery. Soczewka złożona jest z co najmniej dwóch obszarów (w tym jeden asferyczny), dzięki czemu uzyskiwana jest korekcja aberracji sferycznej układu, co wpływa korzystnie na parametry rejestrowanego obrazu.

Jakkolwiek przytoczone powyżej rozwiązania umożliwiają obserwację obwodową powierzchni bocznej i górnej obiektów, to jednak pomijają obserwację ich powierzchni dolnej.

Ze zgłoszenia patentowego WO2014023580 znane jest urządzenie do kontroli zamknięć opakowań, w tym oznaczeń naniesionych na powierzchni górnej zamknięcia. Urządzenie to ma system kilku kamer, umożliwiających pełną, obwodową obserwację zamknięcia z kilku kierunków. Urządzenie umożliwia obserwację wszystkich powierzchni zewnętrznych zamknięcia, jednak w celu obserwacji powierzchni górnej i bocznej nakrętki wymagana jest osobna kamera do obserwacji powierzchni górnej oraz odrębny zestaw kilku kamer (co najmniej trzech) do obserwacji powierzchni bocznej w pełnym zakresie obwodowym.

Ze zgłoszenia patentowego US2013208105 znane jest urządzenie do kontroli opakowań spozycjonowanych na odpowiedniej maszynie. Urządzenie to składa się z kamery z obiektywem, układu oświetlającego zamocowanego w nieruchomej obudowie oraz ruchomego zwierciadła, które w trakcie inspekcji opuszczane jest i obejmuje badany element. Wykorzystany układ optyczny transformuje obrazy obwodowe badanej powierzchni (górny, boczny i dolny) na płaszczyznę kamery. Urządzenie to umożliwia pełną obserwację wszystkich powierzchni zewnętrznych badanego obiektu, jednak ze względu na wykorzystanie ruchomego elementu (w kierunku prostopadłym do kierunku ruchu badanego obiektu) urządzenie to nie może być wykorzystane na ciągłych liniach produkcyjnych, gdzie badany obiekt nie jest zatrzymywany w czasie procesu produkcji. Ponadto wykorzystanie elementu ruchomego komplikuje budowę systemu.

W patencie US 8.937.656 ujawniono urządzenie, które poprzez kołową obserwację nakrętek umożliwia wykrywanie nieprawidłowości na pasku zabezpieczającym nakrętki. Urządzenie ma jedną kamerę i system zwierciadeł umieszczonych w obudowie głównej oraz cztery takie same obudowy cylindryczne, podwieszone pod obudową główną. Konstrukcja taka umożliwia rejestrację obrazu nakrętki z czterech stron przy użyciu pojedynczej kamery, dzięki czemu uzyskiwany jest obraz obwodowy. W urządzeniu wykorzystywane są oświetlacze, umieszczone w cylindrycznych obudowach. Urządzenie zapewnia pełną obserwację wszystkich powierzchni zewnętrznych badanego obiektu, przy czym średnica, na której rozstawione są obudowy cylindryczne, determinuje wielkość pola obserwowanego przez kamerę, a średnica obudowy cylindrycznej determinuje wielkość zwierciadeł, które się w niej znajdują, czyli pośrednio wielkość obrazu badanego obiektu. Cztery takie same obudowy cylindryczne, w których umieszczone są zwierciadła, rozstawione są na obwodzie o dużej średnicy, kilkukrotnie większej niż średnica badanego obiektu i średnica obudów cylindrycznych. Wpływa to niekorzystnie na układ obrazowania, ponieważ obrazy badanego obiektu (rejestrowane z czterech stron) zajmują mały fragment obrazu rejestrowanego przez kamerę.

PL 229 618 B1

Ze zgłoszenia patentowego DE4234768A1 znane jest urządzenie, w którym w obudowie zawierającej oświetlacz umieszczona jest para zwierciadeł a badany obiekt przemieszcza się swobodnie między zwierciadłami przez otwór w obudowie. Urządzenie do obrazowania powierzchni bocznych w pełnym zakresie wykorzystuje element optyczny (soczewka, element holograficzny). Wykorzystanie dodatkowego elementu optycznego o średnicy przybliżonej do średnicy całego urządzenia znacząco komplikuje konstrukcje urządzenia (przede wszystkim trudniejsze wykonanie i justowanie). Wykorzystanie pojedynczego elementu optycznego powoduje powstanie aberracji optycznych, natomiast wprowadzenie dodatkowego układu do korekcji tych aberracji powoduje jeszcze większą komplikacje konstrukcji układu. Ponadto ze względu na zastosowanie dodatkowego elementu optycznego trudniejsze jest oświetlenie badanego obiektu. W przypadku zastosowania oświetlacza umieszczonego pomiędzy kamerą a elementem optycznym, część światła będzie zasłaniana przez układ mocujący element optyczny, natomiast wiązka światła oświetlacza zakrzywiana jest przez element optyczny (należy zaprojektować specjalny oświetlacz). W zgłoszeniu patentowym ujawniono sposób oświetlenia, gdzie specjalny układ obrazowania wiązki światła umieszczony jest na środku elementu optycznego, tego typu układ przysłania powierzchnię górną badanego obiektu, co uniemożliwia obserwację górnej powierzchni badanego obiektu.

Celem przedmiotowego wynalazku jest zapewnienie urządzenia do kontroli powierzchni zewnętrznych i geometrii obiektów na liniach produkcyjnych z wykorzystaniem obserwacji kołowej w zakresie 360°, w szczególności do automatycznej kontroli jakości zamknięć (m.in. nakrętki, kapsle) opakowań na ciecze (m.in. butelki, fiolki), umożliwiającego kontrolę na liniach produkcyjnych pracujących w trybie ciągłym i pozbawionego wad znanych rozwiązań tego rodzaju.

Urządzenie do kontroli powierzchni zewnętrznych i geometrii obiektów na liniach produkcyjnych z wykorzystaniem obserwacji kołowej w zakresie 360°, w szczególności do automatycznej kontroli jakości badanego elementu, w rodzaju nakrętki lub kapsla, zamykającego pojemnik, złożone z obudowy, kamery cyfrowej z obiektywem, oświetlacza z otworem, pary zwierciadeł, między którymi przemieszcza się badany obiekt znamienne tym, że kamera z obiektywem oraz oświetlacz znajdują się bezpośrednio nad badanym obiektem oraz parą zwierciadeł, których dolna krawędź znajduje się poniżej badanego obiektu, a promienie odbite od zwierciadeł oraz górnej powierzchni rejestrowane są bezpośrednio przez kamerę z obiektywem umożliwiając obrazowanie powierzchni zewnętrznych dolnej, bocznej i górnej całego obiektu w zadanym zakresie, w szczególności w pełnym zakresie.

Zgodnie z wynalazkiem zaleca się, aby dwa pęki promieni, o kącie rozwarcia mniejszym niż 180° każdy, wychodzące ze źrenicy wejściowej obiektywu, po odbiciu od zwierciadeł obrazowały badany obiekt w pełnym zakresie 360°, w przekroju prostopadłym do osi optycznej obiektywu.

Jednocześnie zaleca się także, aby dwa pęki promieni wychodzące ze źrenicy wejściowej obiektywu po odbiciu od zwierciadeł obrazowały profil powierzchni bocznej i powierzchni dolnej lub jego wycinek, w przekroju zawierającym oś optyczną obiektywu.

Zaleca się, aby para zwierciadeł umieszczona była w urządzeniu na tej samej wysokości w określonej odległości względem siebie, najlepiej symetrycznie wobec płaszczyzny zawierającej oś symetrii obiektu.

Najlepiej jest, aby zwierciadła posiadały taką samą geometrię powierzchni odbijających.

Korzystnie, odległość pomiędzy zwierciadłami oraz szerokość otworu w obudowie odpowiadają wymiarom pojemnika oraz uwzględniają niedokładności pozycjonowania zarówno pojemnika, jak i badanego obiektu.

Z wykorzystaniem rozwiązania według wynalazku obrazowany i rejestrowany jest wyłącznie obraz powierzchni bocznej z wykorzystaniem górnej części zwierciadła, ponieważ wykorzystywany jest wyłącznie górna część zwierciadeł powierzchnie dolne tych zwierciadeł mogą być umiejscowione na wysokości lub powyżej badanego obiektu.

Korzystne jest umieszczenie pomiędzy obiektywem a badanym obiektem filtru optycznego redukującego intensywność obrazu powierzchni górnej obiektu, który może być przykładowo filtrem szarym lub filtrem polaryzacyjnym.

Zaleca się, aby powierzchnie odbijające światło zwierciadeł były wycinkami ściętego stożka wyciętymi płaszczyzną równoległą do osi stożka, oddaloną od osi stożka, przy czym zwierciadła powinny być położone symetrycznie względem płaszczyzny zawierającej oś optyczną obiektywu, a powierzchnie odbijające światło powinny być skierowane w stronę badanego obiektu.

Korzystnie jest, jeśli w szczególnym wykonaniu wynalazku, w którym powierzchnia zwierciadeł ma geometrię opartą na wycinku stożka, kąt obrazowania (2a) obwodu obiektu wynosi:

PL 229 618 Β1

2a = 2β + 2 X sin¹

Z(r' - x)r' \ r'-2x

gdzie:

r- promień kapsla, r’ - promień łuku,

Ob - środek obiektu 2, punkt przecięcia osi optycznej kamery 6 z płaszczyzną πρ,

Om - środek okręgu, którego wycinkiem jest łuk L, x - odległość między punktem Ob a Om,

2β - kąt pomiędzy promieniami odbitymi od krawędzi łuku,

2a - kąt obrazowania obwodu obiektu 2.

Korzystnie, powierzchnie odbijające światło zwierciadeł są wycinkami ściętego stożka o kącie rozwarcia dobranym do obiektu. Kąt rozwarcia powierzchni odbijających światło zwierciadeł może w szczególności wynosić 120°.

Powierzchnia odbijająca światło każdego ze zwierciadeł może także stanowić zespół co najmniej dwóch połączonych ze sobą wycinków ściętego stożka o różnych kątach nachylenia.

Ponadto powierzchnie odbijające światło zwierciadeł mogą też być wycinkami powierzchni obrotowo symetrycznych takich jak: sfera, stożek eliptyczny lub elipsoida, Najkorzystniej jest (ze względów technologicznych) gdy zwierciadła 3.1 i 3.2 posiadają tę samą geometrię powierzchni zwierciadlanej, oraz położone są symetrycznie względem butelki. Jednak możliwe jest wykorzystanie zwierciadeł o różnej geometrii powierzchni zwierciadlanej, np. wycinka stożka (w zwierciadle 3.1) i wycinka sfery (w zwierciadle 3.2).

Urządzenie według wynalazku jest dostosowane do testowania obiektów w trakcie ich przemieszczania się na liniach produkcyjnych w trybie ciągłym - dzięki odpowiedniemu usytuowaniu w pobliżu badanych obiektów. Układ pary zwierciadeł umieszczonych naprzeciw siebie w odpowiedniej odległości, których krawędź dolna znajduje się poniżej swobodnie przemieszczającego się między nimi badanego obiektu, umożliwia jednoczesną obserwację jego powierzchni dolnej, powierzchni górnej i powierzchni bocznej. Możliwość bliskiego umieszczenia zwierciadeł w stosunku do badanego obiektu stwarza warunki do uzyskiwania wyraźnego i dokładnego obrazu obiektu na kamerze.

Urządzenie jest ergonomiczne, bowiem umożliwia pełną obwodową kontrolę zamknięć opakowań z zastosowaniem tylko jednej kamery, a dzięki temu, że para zwierciadeł służy jednocześnie do oświetlania i rejestrowania obrazu powierzchni bocznej i dolnej badanego obiektu, ogranicza się potrzebę stosowania zespołów dodatkowych, takich jak np. więcej kamer, zwierciadeł, dodatkowe oświetlacze itp. Nadto, poprzez zapewnienie swobodnego ruchu badanego obiektu pomiędzy zwierciadłami, nie wymaga stosowania dodatkowych mechanizmów napędu elementów systemu.

Wynalazek zostanie omówiony szczegółowo na podstawie przykładów jego wykonania, z uwzględnieniem załączonego rysunku, na którym przedstawiono:

Fig. 1 - rysunek schematyczny: przykładowe ustawienie zwierciadeł względem badanego pojemnika na linii produkcyjnej,

Fig. 2 - widok urządzenia od góry, przy czym zaznaczony został kierunek ruchu pojemnika,

Fig. 3 - rzut przekroju urządzenia w płaszczyźnie πζ_1 z Fig. 2,

Fig. 4 - bieg promieni wychodzących ze źrenicy wejściowej obiektywu, po odbiciu od zwierciadeł, w przekroju prostopadłym do osi optycznej obiektywu,

Fig. 5 - bieg promieni wychodzących ze źrenicy wejściowej obiektywu, po odbiciu od zwierciadeł, w przekroju zawierającym oś optyczną obiektywu,

Fig. 6 - przykładowe wykonanie zwierciadeł, gdzie powierzchnie zwierciadlane zwierciadeł są wycinkami stożka,

Fig. 7 - przykładowe wykonanie wynalazku z zastosowaniem zwierciadeł, których powierzchnie zwierciadlane są wycinkami sfery,

Fig. 8 - obraz rejestrowany przez kamerę,

PL 229 618 B1

Fig. 9 - rzut przekroju urządzenia w płaszczyźnie πζ_1 z Fig. 2, z zaznaczonym przebiegiem promieni optycznych,

Fig. 10 - filtr szary,

Fig. 11 - rzut przekroju urządzenia w płaszczyźnie az_1 z Fig. 2, z zaznaczonym przebiegiem promieni optycznych,

Fig. 12 - widok szczegółowy zaznaczonej na Fig. 11 części A urządzenia pokazanego na Fig. 3,

Fig. 13 - rzut przekroju urządzenia w płaszczyźnie az_2 z Fig. 2, z zaznaczonym przebiegiem promieni optycznych,

Fig. 14 - widok szczegółowy części B urządzenia, zaznaczonej na Fig. 13 z uwidocznieniem pokazanego na Fig. 5 biegu promieni z źrenicy wejściowej,

Fig. 15 - schemat obrazowania badanego obiektu przez zwierciadło, w płaszczyźnie równoległej do osi optycznej obiektywu kamery, z zaznaczonym rzutem przebiegu promieni optycznych.

Jak przedstawiono na Fig. 1, Fig. 2 i Fig. 3, urządzenie według wynalazku składa się z kamery cyfrowej 7 z obiektywem 6, oświetlacza 5 oraz pary zwierciadeł 3.1 i 3.2. Oświetlacz 5 oraz para zwierciadeł 3.1 i 3.2 umieszczone są w obudowie 4. Badanym obiektem 2 jest zamknięcie pojemnika 1, który porusza się -- jak pokazano na Fig. 1 - ruchem ciągłym na transporterze maszyny pakującej (urządzenia te są znane i nie wymagają objaśnienia). Odległość pomiędzy zwierciadłami 3.1 i 3.2 oraz otwór w obudowie 4 urządzenia są zaprojektowane tak, aby umożliwić swobodne przemieszczanie się pojemnika 1.

Badany obiekt 2 oświetlany jest przez oświetlacz 5. Jak pokazano na Fig. 3, jego powierzchnia górna 2.1 oświetlana jest bezpośrednio, natomiast powierzchnia boczna 2.2 oraz powierzchnia dolna 2.3 oświetlane są z wykorzystaniem pary zwierciadeł 3.1 i 3.2. Kamera 7 z obiektywem 6 rejestruje promienie odbite od powierzchni obiektu, przy czym obraz powierzchni górnej 2.1 jest rejestrowany przez kamerę 7 bezpośrednio, natomiast obrazy powierzchni bocznej 2.2 i powierzchni dolnej 2.3 (w pełnym zakresie 360°) są rejestrowane poprzez wykorzystanie promieni optycznych odbitych od zwierciadeł 3.1 i 3.2. Do opisu odwzorowania geometrii powierzchni odbijających zwierciadeł 3.1 i 3.2 wykorzystać można dwa przekroje. Jak pokazano na Fig. 4, w przekroju powierzchni zwierciadlanej prostopadłym do osi optycznej obiektywu powstają dwie krzywe L.1 i L.2, od których odbijają się promienie wychodzące ze źrenicy wejściowej obiektywu 6. Układ obrazowania uzyskiwany w urządzeniu zgodnie z wynalazkiem charakteryzuje się tym, że pęk promieni o kącie rozwarcia (2γ) mniejszym niż 180° wychodzących ze źrenicy wejściowej obiektywu, po odbiciu od krzywej L (L.1 lub L.2) obejmuje badaną boczną powierzchnię obiektu w kącie obrazowania (2a) większym niż 180°. Ponieważ w płaszczyźnie tej naprzeciwko siebie znajdują się krzywe, którymi są dwa łuki L.1 i L.2, uzyskuje się obrazowanie bocznej i dolnej powierzchni obiektu w pełnym zakresie 360°. Natomiast w przekroju powierzchni zwierciadlanej zawierającym oś optyczną, jak pokazano na Fig. 5, powstają dwie krzywe K.1 i K.2, od których odbijają się również promienie wychodzące ze źrenicy wejściowej obiektywu 6. Realizowany w urządzeniu według wynalazku układ obrazowania charakteryzuje się tym, że pęk promieni odbijający się od tych krzywych K.1 i K.2 obejmuje badane profile zarówno powierzchni bocznej 2.2 obiektu 2, jak i powierzchni dolnej 2.3 i/lub ich wycinek. Powierzchnie zwierciadlane mogą stanowić między innymi wycinki takich powierzchni jak: stożek, jak pokazano na Fig. 6, albo sfera, jak pokazano na Fig. 7, także może to być stożek eliptyczny lub elipsoida. Zaleca się - ze względów technologicznych - aby zwierciadła 3.1 i 3.2 posiadały taką samą geometrię powierzchni zwierciadlanej oraz aby były usytuowane symetrycznie względem płaszczyzny zawierającej oś optyczną obiektywu. Jest dla fachowca oczywiste, że możliwe jest także wykorzystanie zwierciadeł o różnej geometrii powierzchni zwierciadlanej, np. w zwierciadle 3.1 wycinka stożka i w zwierciadle 3.2 wycinka sfery.

W urządzeniu według wynalazku występuje efekt nierównomiernego rozkładu intensywności w obrazie rejestrowanym przez kamerę 7 w obszarach odpowiadających różnym fragmentom powierzchni obserwowanego obiektu 2. Wynika to z faktu, że, jak to pokazano na Fig. 8, do rejestracji obrazu 2.1' powierzchni górnej 2.1 obiektu 2 wykorzystywane jest światło bezpośrednio odbite od tej powierzchni, a do rejestracji obrazów 2.2' i 2.3' powierzchni bocznej 2.2 i powierzchni dolnej 2.3 obiektu 2 wykorzystane jest światło odbite przez zwierciadła 3.1 i 3.2. Na obrazie zarejestrowanym przez kamerę 7 w obrazie powierzchni górnej 2.1' obiektu 2 obserwowana będzie duża intensywność względem obrazów powierzchni bocznej 2.2' i powierzchni dolnej 2.3' obiektu 2, co wpływa niekorzystnie na analizę rejestrowanego obrazu. W związku z powyższym korzystne staje się użycie w urządzeniu według wynalazku filtra optycznego 8 redukującego intensywność obrazu powierzchni górnej 2.1' obiektu 2.

PL 229 618 B1

Uzyska się wtedy wyrównanie intensywności odwzorowania wszystkich powierzchni obiektu 2, w obrazach 2.1', 2.2' i 2.3' rejestrowanych przez kamerę 7. Na Fig. 9 pokazano przykład realizacji urządzenia według wynalazku, w którym pomiędzy obiektywem 6 a badanym obiektem 2 umieszczono filtr optyczny 8. Filtr ten usuwa na obrazach rejestrowanych przez kamerę 7 powstałe na powierzchni górnej

2.1 obiektu 2 prześwietlenia. Filtr optyczny 8 może być filtrem szarym (filtr neutralny, o dostosowanym zakresie wartości transmisji), jak pokazano na Fig. 10. Filtr szary 8 ma kształt powierzchni filtrującej 9, który w płaszczyźnie położenia filtru 8 zmniejsza intensywność tylko promieni obrazujących powierzchnię górną 2.1 obiektu 2. Filtr optyczny może być również filtrem polaryzacyjnym, który może zostać wykorzystany do obserwacji obiektu 2 o niemetalowej powierzchni górnej 2.1.

Poniżej opisano projekt opracowania przykładowego wykonania urządzenia według wynalazku przystosowanego do kontroli powierzchni obiektu 2 w postaci kapsla stanowiącego zamknięcie fiolki, przemieszczającego się, jak to schematycznie pokazano na Fig. 1, ruchem prostoliniowym na transporterze maszyny pakującej.

Oś optyczna obiektywu 6 kamery 7 jest współosiowa z osią symetrii kontrolowanego kapsla 2 o średnicy zewnętrznej 18 mm, szerokości dolnego połączenia zagniatanego 2 mm (powierzchnia dolna kapsla) i wysokości 6 mm. Badany kapsel 2 jest oświetlony przez oświetlacz 5. Kamera 7 bezpośrednio rejestruje obraz powierzchni górnej 2.1 kapsla 2, natomiast wykorzystując zwierciadła 3.1 i 3.2 rejestrowano pełny obraz obwodowy (w zakresie 360°) powierzchni bocznej 2.2 i powierzchni dolnej 2.3 (połączenia zagniatanego) kapsla 2. Zwierciadła 3.1 i 3.2 posiadają taką samą geometrię. Powierzchnie odbijające światło zwierciadeł 3.1 i 3.2 są wycinkami ściętego stożka o kącie rozwarcia 120°, o promieniach podstawy górnej 35,5 mm i podstawy dolnej 24 mm, wyciętymi płaszczyzną równoległą do osi stożka, odległą od osi stożka o 14 mm. Zwierciadła 3.1 i 3.2 są położone symetrycznie względem płaszczyzny zawierającej oś optyczną obiektywu, powierzchnia odbijająca światło skierowana jest w stronę badanego kapsla 2. Odległość pomiędzy osią optyczną obiektywu 6 a osią stożka ściętego, którego wycinkiem jest powierzchnia odbijająca zwierciadła 3.1, wynosi 4 mm. Analogicznie odległość pomiędzy osią optyczną obiektywu 6 a osią stożka ściętego, którego wycinkiem jest powierzchnia odbijająca zwierciadła 3.2, wynosi 4 mm. Odległość pomiędzy zwierciadłami 3.1 i 3.2 wynosi 20 mm. Krawędzie dolne zwierciadeł 3.1 i 3.2 są położone o 16 mm poniżej krawędzi dolnej kapsla 2. Taki kształt i położenie zwierciadeł 3.1 i 3.2 umożliwia pełne obrazowanie obwodowe (w zakresie 360°) powierzchni bocznej

2.2 i powierzchni dolnej 2.3 kapsla 2, jednocześnie umożliwiając swobodne poruszanie się pomiędzy zwierciadłami 3.1 i 3.2 fiolki 1 (o średnicy 18 mm) z kapslem 2.

Realizowalność i walory wynikające z uzyskania pełnego obrazowania powierzchni kapsla przy pomocy urządzenia według wynalazku w trakcie jego eksploatacji znajdują swoje potwierdzenie w podanym poniżej przykładzie realizacji wynalazku z przywołaniem wzorów opisujących określenie kąta obrazowania obwodu kapsla z uwzględnieniem kąta pomiędzy promieniami odbitymi od krawędzi łuku L powstałego w wyniku przecięcia płaszczyzny prostopadłej do osi optycznej z powierzchnią odbijającą światło od zwierciadła 3.1.

Jak to opisano powyżej, w dowolnej płaszczyźnie prostopadłej (^p) do osi optycznej obiektywu 6 kamery 7 przecinającej powierzchnię odbijającą zwierciadła 3.1 promienie optyczne biegnące pomiędzy kapslem 2 a źrenicą wejściową obiektywu 6 odbijały się od łuku L, jak to pokazano na Fig. 15, z przywołaniem niżej wskazanych parametrów układu optycznego uwzględnionych we wzorach określających kąt obrazowania 2a.

Kąt obrazowania 2a obwodu kapsla 2, uzyskany z wykorzystaniem łuku L, określają poniżej przedstawione wzory:

PL 229 618 Β1

2<z = 2β + 2 χ sin ¹

2β = 2 X tan ¹

gdzie:

r- promień kapsla, r’ - promień łuku,

Ob - środek kapsla, punkt przecięcia osi optycznej kamery 7 z płaszczyzną πρ,

Om - środek okręgu, którego wycinkiem jest łuk L, x - odległość między punktami Ob a Om, d - odległość między krawędziami łuku a punktem Ob,

2β - kąt pomiędzy promieniami odbitymi od krawędzi łuku,

2a - kąt obrazowania obwodu kapsla 2.

Do wyznaczenia powyższych wzorów został wykorzystany wzór opisujący odbicie światła od powierzchni sferycznej. Uzyskane wartości są w związku z tym przybliżone, a na błąd wpływa m.in. aberracja sferyczna.

W obliczeniach wzięto pod uwagę dwa skrajne przypadki obrazowania kapsla 2:

(i) pierwszy: powierzchnia boczna o średnicy 18 mm, obrazowana przez łuk o promieniu 35,5 mm. Dla tego przypadku kąt obrazowania 2a wynosi 242°;

(ii) drugi: powierzchnia dolna o średnicy minimalnej 14 mm, obrazowana przez łuk o promieniu 24 mm. Promienie łuków 35,5 mm i 24 mm wyznaczają krawędzie górna i dolna zwierciadła

3.1. Kąt obrazowania 2a w tym przypadku wynosi 260°. Kąty obrazowania są w tym przykładzie wykonania takie same dla zwierciadła 3.2, a ponieważ zwierciadła 3.1 i 3.2 są położone symetrycznie naprzeciwko siebie, zatem powierzchnia boczna 2.2 i powierzchnia dolna 2.3 kapsla 2 są zobrazowane w pełnym zakresie kątowym. Ponadto część powierzchni bocznej

2.2 i powierzchni dolnej 2.3 kapsla 2 jest zobrazowana przez obydwa zwierciadła 3.1 i 3.2; były to „zakładki”, dzięki którym system kontroli jakości oparty na urządzeniu według wynalazku okazał się być odporny na niedokładności pozycjonowania fiolki 1.

Promienie optyczne biegnące pomiędzy kapslem 2 a źrenicą wejściową obiektywu 6 odbijają się również w płaszczyznach πζ, które zawierają oś optyczną obiektywu 6. Promienie optyczne w płaszczyznach πζ odbijają się od powierzchni zwierciadła zgodnie z prawami optyki geometrycznej: światło padające na powierzchnię zwierciadlaną ulega odbiciu, przy czym promień padający, normalna do powierzchni odbijającej i promień odbity leżą w jednej płaszczyźnie, a kąt padania jest równy kątowi odbicia. W przykładowym układzie obrazowania wykorzystano obiektyw o ogniskowej 25 mm, odległość pomiędzy źrenicą wejściową obiektywu 6 a górną powierzchnią kapsla wynosi 305 mm. Odległość pomiędzy dolnymi krawędziami zwierciadeł 3.1 i 3.2 a górną powierzchnią kapsla 2 wynosiła 22 mm. Brano pod uwagę dwa skrajne przypadki obrazowania kapsla 2:

(i) pierwszy, w którym powierzchnia obrazowana kapsla 2 znajduje się najbliżej zwierciadeł 3.1 i 3.2 - płaszczyzna πζ_1 przechodzi przez środek łuku L, (ii) drugi, w którym powierzchnia obrazowana kapsla 2 znajduje się najdalej od zwierciadeł 3.1 i 3.2 - płaszczyzna πζ_2 przechodzi przez jedną z krawędzi łuku L (brano pod uwagę krawędź dolną zwierciadeł 3.1 i 3.2).

Rzut promieni, które odbijają się na krawędziach utworzonych przez przecięcie płaszczyzn πζ_1 i πζ_2 ze zwierciadłem 3, pokazano odpowiednio na Fig. 11 i na Fig. 12 (gdzie uwidoczniono w powiększeniu fragment A przebiegu promieni kierowanych na powierzchnię boczną i dolną kapsla) oraz na Fig. 13 i na Fig. 14 z uwidocznionym w powiększeniu fragmentem B przebiegu promieni kierowanych na

PL 229 618 B1 powierzchnie boczną i dolną kapsla. Zwierciadła 3.1 i 3.2 w obydwu przypadkach obrazowania kapsla 2 zapewniają obrazowanie powierzchni bocznej 2.2 i powierzchni dolnej 2.3.

Pokazany na Fig. 8 obraz rejestrowany przez kamerę 7 odwzorowuje bezpośrednio otrzymany obraz powierzchni górnej 2.1' kapsla 2, natomiast na obrazie zwierciadeł 3.1' i 3,2' widoczne są obrazy odwzorowania powierzchni bocznej 2.2' i powierzchni dolnej 2.3' kapsla 2. W rejestrowanym obrazie obszar powierzchni górnej 2.1' kapsla 2 posiada dużo większą intensywność niż obszary powierzchni bocznej 2.2' i powierzchni dolnej 2.3' kapsla 2. W celu wyrównania intensywności w rejestrowanych obszarach wykorzystano filtr szary o współczynniku transmisji 30%. Filtr ten usytuowano w odległości 31 mm od źrenicy wejściowej obiektywu 6, w płaszczyźnie filtra pęk promieni obrazujący powierzchnię górną 2.1 kapsla 2 zajmował obszar o średnicy 2 mm. Filtr szary 8 miał kształt koła 9 o średnicy 4 mm, dzięki czemu uzyskano wyrównanie intensywności w rejestrowanych obszarach, natomiast błędy pozycjonowania pojemnika 1 i badanego obiektu 2 nie mają niekorzystnego wpływu na rejestrowany obraz.

Lista oznaczeń liczbowych

1. - pojemnik

2. - obiekt

2.1. - powierzchnia górna obiektu

2.2 - powierzchnia boczna obiektu

2.3. - powierzchnia dolna obiektu

2.1'. - obraz powierzchni górnej obiektu, rejestrowany przez kamerę 7

2.2'. - obraz powierzchni bocznej obiektu, rejestrowany przez kamerę 7

2.3'. - zwierciadło pierwsze

3.2. - obraz zwierciadła 3.1, rejestrowany przez kamerę 7

3.2'. - obudowa

5. - oświetlacz

6. - obiektyw kamery 7

7. - kamera

8. - filtr optyczny

9. - powierzchnia filtrująca filtru szarego r' - promień łuku,

Ob - środek kapsla, punkt przecięcia osi optycznej kamery 7 z płaszczyzną ^p,

2β - kąt pomiędzy promieniami odbitymi od krawędzi łuku,

2a - kąt obrazowania obwodu kapsla 2.

L.1 i L.2 - krzywe utworzone w przekroju powierzchni zwierciadlanej prostopadłym do osi optycznej obiektywu

K.1 i K.2 - krzywe utworzone w przekroju powierzchni zwierciadlanej zawierającym oś optyczną obiektywu.

Claims

1. Urządzenie do kontroli powierzchni zewnętrznych i geometrii obiektów na liniach produkcyjnych z wykorzystaniem obserwacji kołowej w zakresie 360°, w szczególności do automatycznej kontroli jakości badanego elementu, w rodzaju nakrętki lub kapsla, zamykającego pojemnik, złożone z obudowy, kamery cyfrowej z obiektywem, oświetlacza z otworem, pary zwierciadeł, między którymi przemieszcza się badany obiekt znamienne tym, że kamera (7) z obiektywem (6) oraz oświetlacz (5) znajdują się bezpośrednio nad badanym elementem (2) oraz parą zwierciadeł (3.1 i 3.2), których dolna krawędź znajduje się poniżej badanego obiektu (2), a promienie odbite od zwierciadeł (3.1 i 3.2) oraz górnej powierzchni rejestrowane są bezpośrednio przez kamerę (7) z obiektywem (6) umożliwiając obrazowanie powierzchni zewnętrznych dolnej, bocznej i górnej całego obiektu w zadanym zakresie, w szczególności w pełnym zakresie.

PL 229 618 Β1

Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że para zwierciadeł (3.1 i 3.2) umieszczona jest symetrycznie względem płaszczyzny zawierającej oś optyczną obiektywu na tej samej wysokości w określonej odległości względem siebie.

Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że odległość pomiędzy zwierciadłami (3.1 i 3.2) oraz szerokość otworu w obudowie (4) odpowiadają wymiarom pojemnika (1) oraz uwzględniają niedokładności pozycjonowania zarówno pojemnika (1) jak i badanego obiektu (2). Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że obrazowany i rejestrowany jest wyłącznie obraz powierzchni bocznej (2.2) z wykorzystaniem górnej części zwierciadła (3.1 i 3.2), ponieważ wykorzystywana jest wyłącznie górna część zwierciadeł (3.1 i 3.2), powierzchnie dolne tych zwierciadeł mogą być umiejscowione na wysokości lub powyżej badanego obiektu. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że pomiędzy obiektywem (6) a badanym obiektem (2) znajduje się filtr optyczny (8) redukujący intensywność obrazu powierzchni górnej (2.1 j obiektu (2).

Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że filtr optyczny (8) jest filtrem szarym. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że filtr optyczny (8) jest filtrem polaryzacyjnym. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że dla powierzchni zwierciadeł (3.1 i 3.2) o geometrii opartej na wycinku stożka kąt obrazowania (2a) obwodu obiektu (2) wynosi:

2a = 2β + 2 x sin ¹ (r' - x)r' (' r‘ — 2x r' +x gdzie:

r- promień kapsla, r’ - promień łuku,

Ob - środek obiektu 2, punkt przecięcia osi optycznej kamery 7 z płaszczyzną πρ,

Om - środek okręgu, którego wycinkiem jest łuk L, x- odległość między punktami Ob a Om,

2β - kąt pomiędzy promieniami odbitymi od krawędzi łuku,

2a - kąt obrazowania obwodu obiektu 2.

. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zwierciadła (3.1 i 3.2) posiadają taką samą geometrię powierzchni odbijających.

. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnie odbijające światło zwierciadeł (3.1 i 3.2) są wycinkami ściętego stożka wyciętymi płaszczyzną równoległą do osi stożka, oddaloną od osi stożka, przy czym zwierciadła (3.1 i 3.2) są położone symetrycznie względem płaszczyzny zawierającej oś optyczną obiektywu, a powierzchnia odbijająca światło skierowana jest w stronę badanego obiektu (2).

. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnie odbijające światło zwierciadeł (3.1 i 3.2) są wycinkami ściętego stożka o kącie rozwarcia dobranym do obiektu (2).

. Urządzenie według zastrz. 10, znamienne tym, że kąt rozwarcia powierzchni odbijających światło zwierciadeł (3.1 i 3.2) wynosi 120°.

. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnia odbijająca światło każdego ze zwierciadeł (3.1 i 3.2) stanowi zespół co najmniej dwóch połączonych ze sobą wycinków ściętego stożka o różnych kątach nachylenia.

. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że powierzchnie odbijające światło zwierciadeł (3.1 i 3.2) są wycinkami powierzchni obrotowo symetrycznych, takich jak: sfera, stożek eliptyczny lub elipsoida.