用於監視和檢測塑料包裝密封部中的缺陷的方法和設備的製作方法
2023-09-21 06:39:55 1
專利名稱：用於監視和檢測塑料包裝密封部中的缺陷的方法和設備的製作方法
技術領域：
本發明一般涉及用於檢測塑料密封中的缺陷的方法和設備，更具體地來說，涉及使用紅外成像系統檢測塑料密封中的缺陷的方法和設備。
背景技術：
數以千計的不同產品採用多種塑料容器來包裝。食品業將它們用於諸如速凍匹薩、速凍蔬菜和蘇打水等貨品。醫療業中將塑膠袋用於TV溶液和血液。在一些情況中，失效的密封部可能影響產品的保存期或使汙染物進入。在另一個情況中，如裝片狀洗滌劑，失效的密封部對於用戶來說恰好是麻煩。在任何情況中，失效的密封部最終反映供應商的質量形象，這可能導致將來銷售的下滑。
對於一些應用來說，產品密封在內部，而對另一些應用來說，產品是專業塑膠袋。無論最終產品中進行密封還是僅僅執行密封來製成密封袋，加工過程都是相似的。沿著生產線將產品編索引(index)，產品進入熱壓裝置。壓裝置夾住要密封的區域，然後施熱，直到塑料部分熔化在一起為止。在釋放壓裝置之前，移除熱裝置以啟動冷卻循環。對編索引到位置的下一個部件重複該循環。製造商儘可能快的運行該循環，以使產出率最大化，但是遺憾的是密封缺陷隨著該循環速度的增加而增多。
熱成像系統既可以用作增加循環速度的工具，也可以用作自動故障檢測系統。
在結合附圖閱讀下文時，本發明的目的、特徵和優點將變得顯而易見。
圖1是根據本公開內容的一個實施例、構造用於檢測塑料密封部中缺陷的紅外成像系統的一個示例的立體圖；圖2是圖1的紅外成像系統的框圖；圖3是從圖1的紅外成像系統獲得的多個密封部的局部熱像的示例；以及圖4是使用圖1的紅外成像系統監視並檢測熱密封部中的缺陷的一個示範操作的流程圖。
本文描述的方法和設備易於設想到多種修改和備選構造，而附圖中示出的是其某些示範實施例，下文將對這些示範實施例予以描述。但是，應該理解並沒有意圖要將本發明局限於所公開的特定形式，相反，本發明要涵蓋落在公開內容和所附權利要求的精神和範圍內的所有修改、備選構造和等效物。
具體實施例方式
現在參考附圖，具體參考圖1，參考編號20一般性地指示根據本公開內容的原理構造的紅外成像系統。本文如圖所示，成像系統20包括基於紅外線的熱成像攝像機22，它在通信上耦合到如通用PC或控制器的計算部件24，計算部件24包括用於實施成像系統的應用軟體。控制器24可以設在攝像機22外部，如圖1和2所示，或可以設在攝像機內部(圖2中以虛線所示)。用於將PC與攝像機22耦合的接口26、如數字幀抓取器26可以設在控制器24和攝像機22之間。如圖1一般性圖示的以及圖4中詳細圖示的，熱成像器22捕捉一個或多個最近形成的密封部28的熱像。然後由預編程的控制器24處理和評估熱像以確定密封部28是否屬於可接受的質量。
不同供應商提供可適用於此應用的熱成像器。一種常見類型的紅外攝像機是基於微測輻射熱計技術的，它具有7至14微米的典型光譜響應範圍。大多數包裝材料使用具有此區域中透射度變化的薄塑料。透射越大，攝像機看到非包裝材料的背景越多。塑料具有一部分基本比另一部分更不透明的各區域。有許多塑料配方將移位最不透明區域所在的位置。為了使攝像機對密封部28中缺陷的靈敏度最大化，攝像機的光譜響應應該針對目標材料。當縮小光譜範圍時攝像機性能有所折損，所以最好是使光譜範圍儘可能寬。對於微測輻射熱計攝像機，好的折中是7.5至8.2微米的區域。但是，對於其他類型的攝像機，以接近3.4微米為中心的區域可能工作得更好。
如圖2所示，攝像機22包括在操作上連接到檢測器或檢測器陣列32的鏡頭30。攝像機22還可以包括光譜過濾器，用於精密地與密封部28或目標材料的輻射特徵匹配。鏡頭30以光學方式壓縮密封部28的熱像並將其引導到檢測器或檢測器陣列32。典型陣列32具有產生76800個測量點或像素的320×240像素的視頻格式，但是其他陣列設計可以使用其他格式，包括但不限於640×480和160×120。陣列32在操作上連接到多個陣列電子元件34，這些電子元件34將陣列32每部分中的信息轉換成電子信號。
在一個示範實施例中，通過數字幀抓取器26將結果填充在控制器24中的存儲塊來將檢測器輸出數位化。例如，幀抓取器26可用於將視頻信息數位化和/或存儲在位圖中。幀抓取器可以是單獨的單元或可以是內置於攝像機22中的視頻圖形板中的功能。
預編程並存儲在控制器24中的應用軟體可以具有一個或多個組件。應用軟體的一個組件是部件檢測例行程序。可以使用外部信號以在每個塊進入視線時向塊發出信號，但是軟體的自動檢測邏輯可以簡化客戶接口要求。例如，因為包含密封部28的部件或目標在攝像機22的視場中移動，所以由於目標上的熱活動而將有一些像素顯示信號的升高。與之相對的，一些像素將由於目標上發生的自然熱衰減而顯示信號的下降也是事實。當目標為固定時，此類熱衰減也是存在的。因此，讀取信號的下降可能是不可靠的檢測運動的方式。
其中三個變量可能影響這種技術的可靠性。一個變量是熱成像攝像機22中的固有噪聲，可以通過溫度閾值德爾塔調整來計及(account for)或覆蓋所述固有噪聲。另一個變量是慢速移動目標，這可能不會顯示幀之間的足夠信號變化。可以通過在信號改變超過噪聲閾值之前需要最小幀數量的設置來計及該變量。最後，可以通過絕對最小閾值溫度調整來防止或計及誤啟動或誤觸發。
應用軟體的另一個組件是圖像過濾例行程序。圖像噪聲過濾依賴如下概念，熱的物體將以指數衰減速率冷卻，直到它與其環境達到熱均衡為止。當目標是固定的時，例行程序從每個幀收集每個像素上的數據，通常為76800個點。使用標準曲線擬合技術(例如高斯減法)為每個個體像素位置計算最佳擬合曲線。使用此類等式，得到具有變化率的淨熱像。甚至使用這些等式對於任何時間點外推圖像圖案是可能的。變化率對於檢測某些類型的密封錯誤(fault)來說是重要的。務必注意的是，雖然指數等式對於外推觀察期以外的圖像是最佳的，但是簡單的線性等式對於錯誤檢測邏輯通常也是足夠的。
應用軟體的另一個組件通常在視覺行業稱為斑點分析(blobanalysis)。斑點結果由轉換圖像的視覺系統的常見功能產生，以使它僅包含黑像素和白像素，並由此從圖像移除任何灰影。這通過將每個原始像素值與某個閾值比較來實現。如果值大於閾值，則使對應的斑點像素為白，否則將其設為黑。所得到的斑點圖案有時更易於結合定位部件和對部件執行量綱分析來使用。
換言之，根據熱成像器22獲得的熱像生成二值圖案。如果像素超過某個閾值，則將其設為1，否則將其設為0。斑點圖案由密封部缺陷分析處理的像素來定義。在一些場合中，生成密封部區域的完整熱輪廓是可能的，其中包括缺陷區域，因為所有這些區域都被加熱了。因此，無需參考圖像或數據，因為密封部分析可以通過彼此相對地比較或分析密封部區域和密封部28的各部分來完成。
在其他場合中，將需要依賴來自已知良好的參考圖像的斑點數據。在現實過程中，圖像位置將稍微從一個部件移位到另一個部件。不使用參考的好處在於，無需軟體重新將測試圖像與參考圖像對齊。不使用參考圖像的缺點在於很少有失效檢測標準供選擇。當然用戶可以選擇同時使用基於參考的方案和基於非參考的方案，以便減少誤缺陷信號或漏檢的錯誤。
應用軟體的另一個組件提供斑點圖案的細化處理，以便使斑點圖案在熱錯誤檢測方案中有用。具體來說，接近密封部28邊緣的數據可以指示實質上低於它們應該處在的溫度的溫度。這主要是因為實際的密封部邊界並不與攝像機的像素邊界對齊，但是也可能是因為向相鄰較冷區域的漏熱或其他因素所致。因此，軟體可以使用斑點變瘦(thin)或斑點變胖(fat)例行程序來影響密封部28的邊界。
一種變瘦方案基於查看任何特定像素的8個周圍像素。如果周圍像素全是1，則將1寫入新斑點，否則寫入0。其他修剪或變瘦方案可能在某些環境下證明是有用的。例如，如果密封部28恰好是水平條，可能只想查看密封部28上面和下面的像素。
用於將斑點圖案與參考斑點對齊的一種變胖方案例如包括，查看像素的8個周圍像素，並且如果任何一個周圍像素是1，則寫入1，如果它們全是零，則寫入0。然後將圖像相對於參考圖像向上、向下、向左和向右遞增合理數量的像素。然後假定調整的對齊是產生最高相關性的位置。
另一種斑點細化方案允許用戶以手動方式編輯對圖像的參考斑點添加或減少，但是除了本文公開的這些以外，還可以使用許多其他斑點化方案。
應用軟體的另一個組件提供對密封部28中的錯誤或失效的檢測。可以使用參考或非參考檢測方案來檢測這些錯誤。
有兩個方案用於在不比較參考的情況下檢測錯誤。這兩種方案分別僅查看斑點圖案具有1的位置處的熱數據值。第一種方案查看絕對溫度，如果有任何像素低於某個可調閾值，則指示錯誤。第二種方案查看像素的變化速率，如果有任何像素低於某個可調閾值，則指示錯誤。變化率方案最適合檢測在密封部區域中發生的源自額外材料的錯誤。額外材料可以來自塑料中的褶皺或其他雜物。該材料在壓裝置中仍達到相同絕對溫度，但是較大的質量使冷卻速率減慢，因此被檢測到。
當與參考比較時有多種錯誤檢測方案可以實現。一種技術是計算測試圖像與參考圖像之間的相關性。僅使用對應於厚斑點結果的熱數據可以提高此技術的靈敏度。其他技術可以包括標準偏差或圖像之間的最大偏差，但是除了本文公開的這些以外，還可以使用許多其他錯誤檢測方案。
能以多種方式在邏輯上組合每種檢測方案的結果以產生單個通過失敗指示。系統可以提供將通過/失敗結果通知給用戶的一個或多個方法。兩個常用輸出可以是基於繼電器觸點和TCP/IP的通信。還能以多種其他方式通過多種類型的輸出裝置來利用這些檢測方案的結果。例如，控制器24的輸出能以通信方式耦合到監視器或顯示器以供查看密封部28。
在操作中，可以使用成像系統20來檢測密封部28中的錯誤，並可以使用成像系統20來測量密封部28的質量。密封部28可以採用許多形狀和形式，並可以應用於廣泛的多種應用和環境中，但是為了簡明，本文所用的密封部28是如圖3所示由兩個塑料層接合構成的簡單密封部。
在密封部形成和密封部檢查過程中，兩層塑料可以置於傳送系統31上(圖1)等。隨著密封部28進入熱成像攝像機22的視線，成像系統20可以獲取密封部28的一個或多個熱像。熱像可以用於索引或定位密封部28(框100)，但是還可以用於後續分析。
或者可以在框102獲取用於分析密封部28的的單獨熱像。一旦獲取了熱像，成像系統20就可以啟動過濾例行程序以增強圖像質量(框104)。在框106，可以將熱像轉換成斑點圖像或圖案，然後可以在框108進行細化。使用參考或非參考方法，分別如框112和110所示，成像系統20可以檢查密封部28以確定密封部28中是否存在錯誤或其他非期望的質量，或確定密封部28是否滿足要求。例如，如圖2所示，由密封部28產生的圖像可以顯示冷點或冷區36，指示密封部28可能太薄或在密封成型過程中在密封部28中產生了空洞。與此相反，由密封部28產生的圖像可以顯示熱點或熱區38，指示密封部28可能太厚或額外的塑料層或雜物層形成了密封部28的一部分。然後能以多種方式利用來自檢查密封部28得到的信息。例如，如果密封部28的質量是不可接受的，則在框118將信息存儲在通信上耦合到成像系統20的PC或控制器24或其他電子裝置上，在框114可以使用該信息激活信號或警報、例如「良好」或「不良」和/或在框116可以使用該信息來調整或改變製造過程。但是如果密封部28的質量是可接受的，則繼續檢查其他密封部。
雖然成像系統20的某些實施例在本文中是根據本公開內容原理來描述的，但是本專利的覆蓋範圍並不局限於此。相反，本專利涵蓋完全落在容許的等效物的範圍內的本公開內容原理的所有實施例。
權利要求書(按照條約第19條的修改)1.一種用於監視並檢測熱密封缺陷的設備，包括沿生產線安裝的熱成像器，在所述生產線上傳輸具有至少一個最近形成的熱密封部的物體；具有輸入和輸出的控制器，所述輸入在通信上耦合到所述熱成像器用於接收所述熱密封部的熱像數據，所述控制器編程為檢測所述熱密封部上的熱區和冷區的至少一個區，並且所述控制器編程為獲得所述至少一個區的熱變化率信息；以及在通信上耦合到所述控制器的輸出的輸出裝置，其中所述輸出裝置指示密封部檢測的結果。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述輸出裝置是指示所述密封部檢測的顯示器。
3.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述輸出裝置是在檢測到所述熱區和所述冷區的至少一個區時被激活的警報。
4.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為利用所述熱變化率信息來產生斑點圖案。
5.如權利要求1所述的設備，還包括位於所述控制器外部的索引裝置，其中所述索引裝置沿生產線安裝，並相對於所述熱成像器將所述物體編索引。
6.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為使根據所述密封部的熱像產生的斑點圖案變瘦。
7.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為使根據所述密封部的熱像產生的斑點圖案變胖。
8.如權利要求1所述的設備，還包括用於與所述熱像數據進行比較的參考圖像。
9.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為利用根據所述物體的熱像產生的斑點圖案相對於所述熱成像器將所述物體編索引。
10.如權利要求1所述的設備，還包括光譜過濾器，用於精密地與所述物體的輻射特徵匹配。
11.一種用於沿生產線監視並檢測熱密封缺陷的方法，包括捕捉在所述生產線上傳輸的物體上最近形成的熱密封部的熱像；將所述熱像轉換成多個像素；捕捉最近形成的熱密封部的第二熱像；獲得所述多個像素的至少其中之一的熱變化率；將所述像素分組成至少第一組和第二組；以及分析所述第一組和所述第二組的像素。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，分析所述像素包括將所述第一組和所述第二組的至少其中之一的像素與參考圖像比較。
13.如權利要求11所述的方法，還包括相對於所述熱成像器將所述物體編索引。
14.如權利要求11所述的方法，還包括使根據所述像素產生的圖像變瘦。
15.如權利要求11所述的方法，還包括使根據所述像素產生的圖像變胖。
16.如權利要求11所述的錯誤檢測系統，還包括將所述熱像元素的元素與指數等式的陣列擬合，然後使用所述指數等式來產生由至少一個錯誤檢測算法處理的圖像。
17.一種用於在生產線上將多種材料熔合在一起而產生的熱密封部的錯誤檢測系統，包括熱成像攝像機；以及在操作上耦合到所述熱成像攝像機和輸出裝置的控制器；所述控制器編程為存儲與所述錯誤檢測系統相關的應用軟體，所述控制器編程為處理從所述熱圖像攝像機接收的圖像，以及所述控制器編程為獲得所述圖像的熱變化率信息，所述控制器編程為使用所處理的圖像來檢測所述熱密封部中的錯誤。
18.如權利要求17所述的錯誤檢測系統，其特徵在於，所述熱成像器包括光譜過濾器，用於精密地與目標材料的輻射特徵匹配。
19.如權利要求17所述的錯誤檢測系統，其特徵在於，所述控制器編程為將所述熱像的像素分成至少第一組和第二組。
20.如權利要求17所述的錯誤檢測系統，其特徵在於，所述控制器編程為將所述熱像與參考圖像比較。
權利要求
1.一種用於監視並檢測熱密封缺陷的設備，包括沿生產線安裝的熱成像器，在所述生產線上傳輸具有至少一個最近形成的熱密封部的物體；具有輸入和輸出的控制器，所述輸入在通信上耦合到所述熱成像器用於接收所述熱密封部的熱像數據，所述控制器編程為檢測所述熱密封部上的熱區和冷區的至少一個區；以及在通信上耦合到所述控制器的輸出的輸出裝置，其中所述輸出裝置指示密封部檢測的結果。
2.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述輸出裝置是指示所述密封部檢測的顯示器。
3.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述輸出裝置是在檢測到所述熱區和所述冷區的至少一個區時被激活的警報。
4.如權利要求1所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為根據所述熱像數據產生斑點圖案。
5.如權利要求1所述的設備，還包括位於所述控制器外部的索引裝置，其中所述索引裝置沿生產線安裝，並相對於所述熱成像器將所述物體編索引。
6.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為使根據所述密封部的熱像產生的斑點圖案變瘦。
7.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為使根據所述密封部的熱像產生的斑點圖案變胖。
8.如權利要求1所述的設備，還包括用於與所述熱像數據進行比較的參考圖像。
9.如權利要求4所述的設備，其特徵在於，所述控制器編程為利用根據所述物體的熱像產生的斑點圖案相對於所述熱成像器將所述物體編索引。
10.如權利要求1所述的設備，還包括光譜過濾器，用於精密地與所述物體的輻射特徵匹配。
11.一種用於監視並檢測熱密封缺陷的方法，包括沿生產線設置熱成像器，在所述生產線上傳輸具有至少一個最近形成的熱密封部的物體；捕捉所述熱密封部的熱像；將所述熱像轉換成多個像素；將所述像素分組成至少第一組和第二組；以及分析所述第一組和所述第二組的像素。
12.如權利要求11所述的方法，其特徵在於，分析所述像素包括將所述第一組和所述第二組的至少其中之一的像素與參考圖像比較。
13.如權利要求11所述的方法，還包括相對於所述熱成像器將所述物體編索引。
14.如權利要求11所述的方法，還包括使根據所述像素產生的圖像變瘦。
15.如權利要求11所述的方法，還包括使根據所述像素產生的圖像變胖。
16.如權利要求11所述的錯誤檢測系統，還包括將所述熱像元素的元素與指數等式的陣列擬合，然後使用所述指數等式來產生由至少一個錯誤檢測算法處理的圖像。
17.一種用於在生產線上將多種材料熔合在一起而產生的熱密封部的錯誤檢測系統，包括熱成像攝像機；以及在操作上耦合到所述熱成像攝像機和輸出裝置的控制器；所述控制器編程為存儲與所述錯誤檢測系統相關的應用軟體，所述控制器編程為處理從所述熱圖像攝像機接收的圖像，以及所述控制器編程為使用所處理的圖像來檢測所述熱密封部中的錯誤。
18.如權利要求17所述的錯誤檢測系統，其特徵在於，所述熱成像器包括光譜過濾器，用於精密地與目標材料的輻射特徵匹配。
19.如權利要求17所述的錯誤檢測系統，其特徵在於，所述控制器編程為將所述熱像的像素分成至少第一組和第二組。
20.如權利要求17所述的錯誤檢測系統，其特徵在於，所述控制器編程為將所述熱像與參考圖像比較。
全文摘要
一種用於監視並檢測熱密封缺陷的設備包括熱成像器、控制器和輸出裝置。熱成像器沿生產線安裝，該生產線傳輸具有至少一個最近形成的熱密封部的物體。該控制器包括輸入和輸出，該輸入在通信上耦合到熱成像器用於接收熱密封部的熱像數據。該控制器編程為檢測熱密封部上的熱區和冷區的至少一個區。輸出裝置在通信上耦合到所述控制器的輸出，並指示密封部檢測的結果。
文檔編號G01J5/00GK101027548SQ200580028565
公開日2007年8月29日 申請日期2005年6月23日 優先權日2004年6月24日
發明者S·伊納託維茨 申請人:埃爾康公司