透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置及方法
2023-12-08 20:21:26 2
專利名稱：透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種玻璃瓶壁厚檢測裝置及方法，尤指一種適用於對無色透明玻璃瓶和棕色、綠色等深色半透明玻璃瓶的瓶壁厚度進行檢測的裝置和方法。
背景技術：
在玻璃瓶生產加工過程中，需要準確測量玻璃瓶瓶壁厚度，以保證玻璃瓶體的加
工質量。目前，國內大多數玻璃瓶生產廠家仍採用接 觸式的測量儀器對玻璃瓶進行壁厚測量，這種接觸式的測量方法存在精度不高、耗費人力物力、不利於在線檢測等缺點。已有非接觸式的光學測量方法主要採用光電管或其他光敏元件來接收雷射在瓶壁表面的反射光線，通過計算將接收的反射光線轉換成的相應信號的峰值間距來得到瓶壁厚度。但是，由於玻璃瓶瓶體表面大多為圓弧形曲面，因此，雷射入射到瓶體表面的光點易發生偏移，並且，當瓶體內外壁不平整時，雷射在內外壁的反射角度的偏移就更大，很容易造成測量不準確。另外，對於棕色、綠色等深色半透明玻璃瓶進行檢測時，由於玻璃瓶透光率較低，因此，這種非接觸式的光學測量方法檢測壁厚的難度很大。針對上述問題，目前已出現使用CCD相機接收雷射在玻璃瓶瓶體內外壁上形成的光斑，通過測量雷射發射點在瓶體內外壁上分別形成的光斑間的像素距離，來計算出瓶體壁厚的光學檢測方法，該光學檢測方法為雷射發射器I水平放置，向玻璃瓶5 —側發射雷射光束，該雷射光束是一種發散光，射到瓶壁上會形成一條線狀光線，如圖I，E點為雷射發射點，雷射發射點E點發射出的雷射經由玻璃瓶5外壁反射後射出的反射光線Pl由CCD相機2接收，EF為入射光線，發射的雷射在反射點F點上形成一條線狀光斑41，CCD相機2實際拍攝到的是光斑41以及雷射發射點E點相對於玻璃瓶5外壁的鏡像E』點，而雷射發射點E點折射入瓶體內並經由玻璃瓶5內壁反射後，再經由外壁折射而射出，如圖1，G點為入射瓶體內的雷射光線在內壁上進行反射的反射點，在反射點G點上也形成一條線狀光斑42，P3為經由G點反射出的光線對應的實際出射光線，CCD相機2實際接收的光線為出射光線P2 (用肉眼看的話，以為G點在G』點上)，如圖I所示，C⑶相機2實際拍攝到的是光斑42以及雷射發射點E點相對於玻璃瓶5內壁的鏡像E」點。也就是說，CCD相機2拍攝到的圖像中有兩條平行的光斑41、42和兩個鏡像E』點和E」點，如圖2所示，通過測量兩個光斑
41、42間的像素距離，並根據事先設定好的像素距離與實際距離間的轉換關係，來計算出瓶體壁厚HL但是，從圖2中可以看出，E』點與光斑41重疊，E」點與光斑42距離很近，因此，發生眩光的E』和E」點會分別影響對光斑41、42的辨識，因而無法準確測量光斑41、42間的像素距離，得到的瓶壁壁厚也便不準確。由此可見，此種光學檢測方法也具有測距不準確的缺陷。
發明內容
本發明的目的在於提供一種透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置及方法，該裝置和方法可準確測量出透明和半透明玻璃瓶的壁厚，為玻璃瓶質量檢測提供依據。為了實現上述目的，本發明採用以下技術方案一種透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於它包括雷射發射器、圖像攝取裝置，該雷射發射器與該圖像攝取裝置相對於待檢測玻璃瓶上的檢測點處的法線相對應設置，其中該雷射發射器的發射端朝向該待檢測玻璃瓶上的該檢測點且該雷射發射器的發射端的中軸線與水平面呈一個銳角，該雷射發射器的發射端的中軸線與該待檢測玻璃瓶上的該檢測點處的法線之間的夾角為銳角，該圖像攝取裝置接收該雷射發射器發射出的雷射光線經由該待檢測玻璃瓶的內、外壁發生反折射後射出的光線，該雷射發射器、圖像攝取裝置的控制端分別與計算機控制系統的相應控制端連接。所述圖像攝取裝置為圖像攝取器，該圖像攝取器位於所述雷射發射器發射出的激 光光線經由所述檢測點處進行反射後射出的反射光線所處的方向上，該圖像攝取器的攝取端朝向所述檢測點且該圖像攝取器的攝取端的中軸線與所述檢測點處的法線之間的夾角等於所述雷射發射器的發射端的中軸線與所述檢測點處的法線之間的夾角。或者，所述圖像攝取裝置包括圖像攝取器和反射鏡，該反射鏡位於所述雷射發射器發射出的雷射光線經由所述檢測點處進行反射後射出的反射光線所處的方向上，該圖像攝取器與該反射鏡相對應設置，該圖像攝取器通過該反射鏡接收所述雷射發射器發射出的雷射光線經由所述待檢測玻璃瓶的內、夕卜壁發生反折射後射出的光線。所述雷射發射器的發射端的中軸線與水平面所呈銳角的範圍為5度至30度。所述雷射發射器的發射端的中軸線與所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點處的法線之間的夾角的範圍為30度至60度。所述雷射發射器為具有雷射整形透鏡的線性雷射發射器；並且，當對半透明玻璃瓶壁厚進行檢測時，所述雷射發射器為中心波長大於580nm且小於650nm的大功率線性紅色雷射發射器，發散角在I度至5度之間。所述待檢測玻璃瓶在傳送裝置上傳送，該傳送裝置將所述待檢測玻璃瓶傳送到檢測位置，使在該檢測位置上，所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點接受所述雷射發射器和所述圖像攝取裝置進行的壁厚檢測。所述傳送裝置上安裝有自轉裝置，所述待檢測玻璃瓶放置在該自轉裝置上。一種基於所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置實現的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測方法，其特徵在於，它包括步驟所述雷射發射器向所述待檢測玻璃瓶上的檢測點發射雷射，該雷射經由所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點對應的內外壁進行反折射後射出，所述圖像攝取裝置拍攝該雷射在該外壁、內壁上分別形成的線狀光斑，從而根據所述圖像攝取裝置拍攝圖像的像素距離與實際距離間的轉換關係，所述計算機控制系統通過測量平行的該兩個光斑間相距的像素距離來計算得到所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點處的壁厚。所述方法還包括在發射雷射前，首先根據所述被檢測玻璃瓶的光學吸收和反射特點，分別調節所述雷射發射器和圖像攝取裝置與所述待檢測玻璃瓶之間的方位角度、距離。本發明的優點是本發明通過在垂直方向上，雷射傾斜入射壁面的方式，解決了現有技術中雷射在壁面產生的鏡像與光斑融合所帶來的光斑幹擾問題，在本發明中，壁面產生的光斑與發生眩光的鏡像不重合，兩者間互不幹擾，光斑可準確辨識出，從而使得本發明通過測量兩個光斑間的像素距離便可實現對壁厚的精確計算。本發明適用於對無色透明玻璃瓶和棕色、綠色等深色半透明玻璃瓶的瓶壁厚度進行快速、準確、非接觸式的實時檢測。
圖I是基於CXD相機實現的光學檢測方法的測量原理示意圖；圖2是在基於CXD相機實現的光學檢測方法中，CXD相機拍攝到的圖像示意圖；圖3是本發明透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置的組成示意圖；圖4是本發明透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測方法的檢測原理示意圖；
圖5是從圖4中A方向看去，本發明透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測方法的檢測原理示意圖；圖6是本發明透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測方法中的C⑶相機拍攝到的圖像示意圖。
具體實施例方式如圖3至圖5所示，本發明提出了一種透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，它包括雷射發射器10、圖像攝取裝置，該雷射發射器10與該圖像攝取裝置相對於待檢測玻璃瓶50上的檢測點(此檢測點位置的壁厚即為將要測量的壁厚)60處的法線MO (O點為待檢測玻璃瓶的橫截面中心，法線MO為光線在該檢測點60所處外壁上進行反射時的法線)相對應設置，其中該雷射發射器10的發射端朝向該待檢測玻璃瓶50上的該檢測點60且該雷射發射器10的發射端的中軸線11與水平面呈一個銳角β，該雷射發射器10的發射端的中軸線11與該待檢測玻璃瓶50上的該檢測點60處的法線MO之間的夾角α為銳角，該圖像攝取裝置接收該雷射發射器10發射出的雷射光線經由該待檢測玻璃瓶50的內、外壁發生反折射後射出的光線，該雷射發射器10、圖像攝取裝置的控制端分別與計算機控制系統(圖中未示出)的相應控制端連接。如圖4，該圖像攝取裝置可僅由圖像攝取器20構成，該圖像攝取器20位於雷射發射器10發射出的雷射光線經由檢測點60處進行反射後射出的反射光線所處的方向上，該圖像攝取器20的攝取端朝向檢測點60且該圖像攝取器20的攝取端的中軸線與檢測點60處的法線MO之間的夾角α 』等於雷射發射器10的發射端的中軸線11與檢測點60處的法線MO之間的夾角α。如圖3，該圖像攝取裝置可包括圖像攝取器20和反射鏡30，該反射鏡30位於雷射發射器10發射出的雷射光線經由檢測點60處進行反射後射出的反射光線所處的方向上，在檢測點60處反射的光線的反射角α』等於入射角α，該圖像攝取器20與該反射鏡30相對應設置，該圖像攝取器20通過該反射鏡30接收雷射發射器10發射出的雷射光線經由待檢測玻璃瓶50的內、外壁發生反折射後射出的光線。如圖3，該反光鏡30的設置可以使圖像攝取器20的位置可調，從而使整個壁厚檢測裝置的結構變得緊湊，更適合工業現場的要求。在實際設計中，雷射發射器10的發射端的中軸線11與水平面所呈銳角β的範圍為5度至30度，例如，β取5、20、30度，雷射發射器10與圖像攝取裝置不處於同一水平面內。這樣的傾斜設計可實現雷射光束在內壁形成的線狀光斑402與雷射光束相對於內壁的鏡像Α」點間的分離，鏡像Α」點與線狀光斑402不會重疊，使得鏡像Α」點的眩光不會對線狀光斑402產生幹擾，光斑402便於辨識，從而可準確的計算兩個光斑401、402間的像素距離。在實際設計中，該雷射發射器10的發射端的中軸線11與待檢測玻璃瓶50上的檢測點60處的法線MO之間的夾角α的範圍為30度至60度，以保證雷射光束的反射光強為最大，內壁反射更接近全反射，例如，α取30、45、60度。在本發明中，該雷射發射器10為具有雷射整形透鏡的線性雷射發射器。並且，當對半透明玻璃瓶壁厚進行檢測時，雷射發射器進一步選為中心波長大於580nm且小於650nm的大功率線性紅色雷射發射器,發散角在I度至5度之間。大於580nm且小於650nm的中心波長保證了半透明玻璃瓶，尤其是棕色玻璃瓶的透光率可達到最高，小發散角保證 了雷射線長合適，照射到瓶壁上的光線線寬足夠細。在本發明中，雷射發射器10是一種發射發散光的點光源，照射到瓶壁上的雷射光束為線狀，如圖5所示。在實際設計中，圖像攝取裝置和雷射發射器10均可安裝在相應的調節部件上，通過該調節部件的移動，可調節圖像攝取裝置和雷射發射器10與待檢測玻璃瓶50上的檢測點60之間的距離以及所成角度等。圖像攝取裝置和雷射發射器10分別距檢測點60的距離應視實際檢測要求而定，一般地，應使雷射發射器10照射到瓶壁上的光線線寬滿足檢測要求，以及應使圖像攝取裝置攝取到的圖像清晰度滿足檢測要求。如圖3，待檢測玻璃瓶50可在傳送裝置40上傳送，該傳送裝置40將待檢測玻璃瓶50傳送到檢測位置，使在該檢測位置上的待檢測玻璃瓶50上的檢測點60接受雷射發射器10和圖像攝取裝置進行的壁厚檢測，該傳送裝置40的控制端與計算機控制系統的相應控制端連接。傳送裝置40的設計可以實現對多個玻璃瓶壁厚的連續檢測，並且，還保證了檢測壁厚時的待檢測玻璃瓶與雷射發射器和圖像攝取裝置間的相對位置關係不變，避免了因待檢測玻璃瓶與雷射發射器和圖像攝取裝置間的相對位置移動所導致的測量誤差。進一步地，該傳送裝置40上可安裝有自轉裝置(圖中未示出)，待檢測玻璃瓶50放置在該自轉裝置上，該自轉裝置的控制端與計算機控制系統的相應控制端連接。該自轉裝置的設計使得到達檢測位置的待檢測玻璃瓶50可以進行自身壁厚360度的檢測，實現對瓶體壁厚的全方位檢測。基於上述透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，本發明還提出了一種透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測方法，它包括步驟雷射發射器10向待檢測玻璃瓶50上的檢測點60發射雷射，該雷射經由待檢測玻璃瓶50上的檢測點60對應的內外壁進行反折射後射出，圖像攝取裝置拍攝該雷射在該外壁、內壁上分別形成的線狀光斑401、402，從而根據事先計算好的圖像攝取裝置拍攝圖像的像素距離與實際距離間的轉換關係，計算機控制系統通過測量平行的該兩個光斑401、402間相距的像素距離來計算得到待檢測玻璃瓶50上的該檢測點60處的壁厚。隨後，便可通過比較實際檢測出的壁厚值與標準壁厚值的差異，來判定該待檢測玻璃瓶是否合格。在實際檢測中，在發射雷射前，首先應根據待檢測玻璃瓶50的光學吸收和反射特點，分別調節雷射發射器10和圖像攝取裝置與待檢測玻璃瓶50之間的方位角度、距離。
另外，在實際檢測過程中，由於瓶壁本身材質的不均勻性及雜質點的存在，玻璃瓶內、外壁的線性光斑的成像可能受到影響，會產生散光，因此，可利用濾波來去除散光產生的雜散信號。還有，在折射率較高的透明玻璃瓶瓶壁上，由於雷射的多重反射可能在玻璃瓶內外壁上產生多重線性光斑，因此，可通過計算機控制系統智能判斷多重線性光斑的強度，來對光斑進行篩選，從而得到準確的壁厚值。如圖4至圖6所示，下面詳細描述本發明的檢測原理。如圖4，與水平面呈傾斜狀設置的雷射發射器10向待檢測玻璃瓶50上的檢測點60發射雷射光束，A點為雷射發射點，AB為入射光線，雷射發射點A點發射出的雷射分為兩部分。一部分光線經由外壁反射後射出，B點為發射的雷射光束在待檢測玻璃瓶50的外壁上的反射點，當雷射照射到外壁上時，在反射點B點處形成一條線狀光斑401,經由外壁反射後射出的反射光線為LI，反射光線LI被圖像攝取器20接收，入射角α等於出射角α』。另一部分光線射入待檢測玻璃瓶50的瓶壁內，並經由內壁進行反射、外壁折射後射出，BC為入射瓶壁內的光線，C點為在內壁上的反射點，當雷射入射到內壁上時,在反射點C點處 形成一條線狀光斑402，L3為經由C點反射出的光線對應的實際出射光線，圖像攝取器20實際接收到的光線為出射光線L2，如圖4所示。如圖6，圖像攝取器20實際拍攝到的是光斑401和402，以及雷射發射點A點分別相對於外壁、內壁的鏡像Α』點和Α」點。在圖像攝取器20拍攝到的圖像中可以看出，呈線狀的光斑401與光斑402平行並各自表現為亮帶，鏡像Α』點和Α」點分別遠離光斑401、402。在這裡需要提及的是，與已有的基於C⑶相機實現的光學檢測方法相比，在本發明中，正是因為雷射發射器10不是水平設置，而是雷射發射器10的發射端的中軸線11與水平面傾斜設置(傾斜角度β )的原因，才使得線狀光斑402與鏡像Α」點兩者之間遠離，發生眩光的鏡像Α」點不會與線狀光斑402重疊，因而不會干擾對光斑402的辨識，同樣地，鏡像Α』點也不會干擾對線狀光斑401的辨識。根據雷射三角測量法原理可知，光束在玻璃瓶內外壁表面反射所產生的光斑位移與玻璃瓶壁厚尺寸存在一定關係。因而，計算機控制系統測量光斑401與光斑402之間相距的像素距離d，並根據事先計算好的圖像攝取器20拍攝圖像的像素距離與實際距離間的轉換關係(轉換關係的確定以及幾何結構的計算為本領域的公知技術)，便可最終計算出待檢測玻璃瓶50上檢測點60處的壁厚，即線段BD的長度。本發明通過在垂直方向上，雷射傾斜入射壁面的方式，解決了現有技術中雷射在壁面產生的鏡像與光斑融合所帶來的光斑幹擾問題，在本發明中，壁面產生的光斑與發生眩光的鏡像不重合，兩者間互不幹擾，光斑可準確辨識出，從而使得本發明通過測量兩個光斑間的像素距離便可實現對壁厚的精確計算。本發明適用於對無色透明玻璃瓶和棕色、綠色等深色半透明玻璃瓶的瓶壁厚度進行快速、非接觸式的實時檢測。上述是本發明的較佳實施例及其所運用的技術原理，對於本領域的技術人員來說，在不背離本發明的精神和範圍的情況下，任何基於本發明技術方案基礎上的等效變換、簡單替換等顯而易見的改變，均屬於本發明保護範圍之內。
權利要求
1.一種透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於它包括雷射發射器、圖像攝取裝置，該雷射發射器與該圖像攝取裝置相對於待檢測玻璃瓶上的檢測點處的法線相對應設置，其中 該雷射發射器的發射端朝向該待檢測玻璃瓶上的該檢測點且該雷射發射器的發射端的中軸線與水平面呈一個銳角，該雷射發射器的發射端的中軸線與該待檢測玻璃瓶上的該檢測點處的法線之間的夾角為銳角，該圖像攝取裝置接收該雷射發射器發射出的雷射光線經由該待檢測玻璃瓶的內、外壁發生反折射後射出的光線，該雷射發射器、圖像攝取裝置的控制端分別與計算機控制系統的相應控制端連接。
2.如權利要求I所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於 所述圖像攝取裝置為圖像攝取器，該圖像攝取器位於所述雷射發射器發射出的雷射光線經由所述檢測點處進行反射後射出的反射光線所處的方向上，該圖像攝取器的攝取端朝向所述檢測點且該圖像攝取器的攝取端的中軸線與所述檢測點處的法線之間的夾角等於所述雷射發射器的發射端的中軸線與所述檢測點處的法線之間的夾角。
3.如權利要求I所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於 所述圖像攝取裝置包括圖像攝取器和反射鏡，該反射鏡位於所述雷射發射器發射出的雷射光線經由所述檢測點處進行反射後射出的反射光線所處的方向上，該圖像攝取器與該反射鏡相對應設置，該圖像攝取器通過該反射鏡接收所述雷射發射器發射出的雷射光線經由所述待檢測玻璃瓶的內、外壁發生反折射後射出的光線。
4.如權利要求I所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於 所述雷射發射器的發射端的中軸線與水平面所呈銳角的範圍為5度至30度。
5.如權利要求I所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於 所述雷射發射器的發射端的中軸線與所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點處的法線之間的夾角的範圍為30度至60度。
6.如權利要求I所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於 所述雷射發射器為具有雷射整形透鏡的線性雷射發射器；並且，當對半透明玻璃瓶壁厚進行檢測時，所述雷射發射器為中心波長大於580nm且小於650nm的大功率線性紅色雷射發射器，發散角在I度至5度之間。
7.如權利要求I所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於 所述待檢測玻璃瓶在傳送裝置上傳送，該傳送裝置將所述待檢測玻璃瓶傳送到檢測位置，使在該檢測位置上，所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點接受所述雷射發射器和所述圖像攝取裝置進行的壁厚檢測。
8.如權利要求7所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置，其特徵在於 所述傳送裝置上安裝有自轉裝置，所述待檢測玻璃瓶放置在該自轉裝置上。
9.一種基於權利要求I至8中任一項所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置實現的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測方法，其特徵在於，它包括步驟 所述雷射發射器向所述待檢測玻璃瓶上的檢測點發射雷射，該雷射經由所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點對應的內外壁進行反折射後射出，所述圖像攝取裝置拍攝該雷射在該外壁、內壁上分別形成的線狀光斑，從而根據所述圖像攝取裝置拍攝圖像的像素距離與實際距離間的轉換關係，所述計算機控制系統通過測量平行的該兩個光斑間相距的像素距離來計算得到所述待檢測玻璃瓶上的所述檢測點處的壁厚。
10.如權利要求9所述的透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測方法，其特徵在於 所述方法還包括在發射雷射前，首先根據所述被檢測玻璃瓶的光學吸收和反射特點，分別調節所述雷射發射器和圖像攝取裝置與所述待檢測玻璃瓶之間的方位角度、距離。
全文摘要
本發明公開了一種透明和半透明玻璃瓶壁厚檢測裝置及方法。該裝置包括雷射發射器、圖像攝取裝置，雷射發射器與圖像攝取裝置相對於待檢測玻璃瓶上的檢測點處的法線相對應設置，雷射發射器的發射端朝向檢測點，雷射發射器的發射端的中軸線與水平面呈銳角且與檢測點處的法線之間的夾角為銳角，圖像攝取裝置接收雷射發射器發射出的雷射光線經由待檢測玻璃瓶的內外壁發生反折射後射出的光線。該方法基於該裝置實現，通過測量拍攝到的在內外壁形成的兩個平行光斑間的像素距離，來計算得到檢測點處的壁厚。本發明適用於對無色透明玻璃瓶和棕色、綠色等深色半透明玻璃瓶的瓶壁厚度進行快速、準確、非接觸式的實時檢測。
文檔編號G01B11/06GK102809351SQ201210277480
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月6日 優先權日2012年8月6日
發明者田立勳, 劉婕宇, 潘津, 趙棟濤, 孫榮, 楊菲, 王亞鵬, 杜戊 申請人:北京大恆圖像視覺有限公司