专利名称：用于检测瓶子尤其是贴标机中的瓶子上的凸起和/或凹陷的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种根据专利权利要求1的前序部分所述的用于检测瓶子上的凸起 和/或凹陷的设备，以及一种利用该设备的方法。
背景技术：
在瓶子表面上，例如在瓶体的模缝和浮雕状压印即所谓的压花处，可能会出现凸 起和/或凹陷。优选地，具有模缝的瓶子如饮料瓶必须被贴标签为使得模缝不被标签覆盖。此外， 标签可相对于压花来定向。为了检测模缝或压花的位置并允许瓶子随后旋转到理想的位 置，众所周知的是检查在瓶子的各个旋转位置处形成在瓶体上的不规则灯光反射。在这个 过程中，通过灯光反射通常仅能够分别检测到模缝或压花的一部分。例如，DE 10 2004 040 164 Al描述了一种半圆形的均勻照明灯罩，该灯罩环绕待 检查的瓶子的对称轴共轴设置，并且包括一孔口，借助摄像机，通过该孔口来检查瓶子表面 的不规则反射。但是，在异型瓶子表面的情况下，光反射的边缘可能具有不规则的形状，并 且很难在低对比度表现(low-contrastr印resentation)中对其进行精确地检测。此外，模 缝可能仅表现在光反射的边缘处的一个小范围内。因此，采用已知的技术，未必总是能够可 靠地检测到模缝。优选地，压花设置在瓶子肩部的区域中。在摄像机的一般水平观看方向上，则压花 通常被定位在灯光反射的外部。因此，在压花处形成了相对低对比度的不规则反射，压花的 形状在瓶子旋转时变化。由于这些问题，因此需要利用额外微调来检测瓶子。这需要额外的检验设备以及 贴标机中更多的空间，而这并非是理想的。
发明内容
因此，本发明的目的是在瓶壁的最大范围内对模缝进行可靠地检测，和尽可能可 靠地在瓶子的各个旋转位置处对压花进行定位。这通过在照明单元的光屏上形成不同亮度的区域来实现。这些不同亮度的区域在 反射中与待检测的结构重叠并且导致了不同亮度的反射区，尤其是暗背景上具有亮线而亮 背景上具有暗线。这便于对模缝和压花进行检测。优选地，所述不同亮度的区域以条纹图案设置。从而，在反射中提供了增强图像对 比度的规则图案。在一个实施例中，所述条纹图案包括2至4个暗条纹。这改善了基本上为筒形的 瓶子形状的表现，该瓶子形状成像为垂直结构与水平结构相比清晰度更高并且更紧凑。优选地，所述不同亮度的区域在水平方向上交替。这改善了对主要导致水平方向 上的反射干扰的垂直走向的模缝的检测。
优选地，所述不同亮度的区域之间的亮度转变是渐进的。这支持对经带通滤波器 滤波的摄像机图像进行估算(evaluation)。在一个优选实施例中，所述不同亮度的区域具体体现为不同光传输的区域。从而， 可以容易地实现遮暗区域。优选地，所述光屏包括薄片(foil)，所述不同亮度的区域形成在所述薄片上或中。 这允许例如通过印刷薄片来廉价而灵活地实现不同亮度的区域，并且允许不同亮度的图案 之间的容易变化。在一个优选实施例中，所述照明单元还包括光源，所述光屏还包括漫射屏，所述薄 片设置在所述光源和所述漫射屏之间。以这种方式，可以使薄片的非理想的印刷产物例如 重叠的图案和条纹变得平滑。优选地，所述光屏具有朝向所述瓶子开口的漏斗形状。以这种方式，可以在瓶子筒 形部上以及瓶子的肩部上产生片状的扩散反射。在一个优选实施例中，所述摄像机朝向所述瓶子的底部倾斜，并且所述摄像机的 光轴与所述瓶子的主轴线成最大为80°的夹角。因此，不仅可以使大范围的模缝成像，而且 灯光反射还允许瓶子的肩部区域的尤其有益的表现。优选地，所述设备还包括传输装置，其使所述瓶子移动通过所述摄像机的图像记 录区域；和旋转支座，其设置在所述传输装置上，用于保持所述瓶子。这样，可以对处于各个 旋转位置的一连串瓶子进行检验。另一实施例包括计算单元，所述计算单元用于估算检测到的所述反射、定位所述 凸起和/或凹陷，以及确定所述瓶子的实际旋转位置。从而，随后可以使瓶子移动到理想的 旋转位置。本目的还通过一种应用根据本发明的设备的方法来实现，其中，利用所述光屏来 照亮所述瓶子，以使所述光反射至少暂时与待检测的所述凸起和/或凹陷重叠；和利用摄 像机来使所述反射成像。待检测结构和光屏的不同亮度的区域的重叠导致了不同亮度的反 射区，尤其是暗背景上具有亮线而亮背景上具有暗线。这便于对模缝和压花进行检测。优选地，在该过程中使所述瓶子移动通过所述摄像机的图像记录区域，同时使所 述瓶子绕其纵轴线旋转，从而在所述瓶子的各个旋转位置处使所述反射成像。从而，可以对 处于各个旋转位置的一连串瓶子进行检验。在一个优选实施例中，计算单元估算所述摄像机图像，检测所述凸起和/或凹陷 的位置并且据此来确定所述瓶子的实际旋转位置。从而，随后可以使瓶子移动到理想的旋 转位置。
优选实施例表现在附图中并且将在下文中进行说明。在附图中图1示出了通过图2的割平面C-C看到的第一实施例的示意性平面图；图2示出了通过图1的割平面A-A看到的第一实施例的示意性侧视图；图3示出了通过图1的割平面B-B看到的第一实施例的示意性正视图；图4示出了用于分别检测待检查的瓶子上的凸起或凹陷的具有光反射的摄像机 图像的示意性表示；
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图5示出了通过图6的割平面E-E看到的第二实施例的示意性平面图；和图6示出了通过图5的割平面D-D看到的第二实施例的示意性侧视图。
具体实施例方式在图1和图2中可以看出，根据本发明的检验设备1包括三个摄像机3，每一个摄 像机具有由虚线表示的成像区域(image area) 3a，用于使旋转传输装置5 (见箭头G)上的 瓶子7通过摄像机3成像。摄像机3与漏斗形光屏11、多个灯13和安全屏14 一起被集成 在照明单元9中。通过旋转支座6，例如具有可升降的定心装置的电机驱动的转盘，使瓶子 7保持直立并且相对于瓶子7的主轴线7a居中。虚线示出了用于更多瓶子7的支座6以对 一连串瓶子进行检查。图中没有显示出支座6的驱动器，而以箭头F表示。光屏11包括位于其面朝瓶子7的一侧的诸如乳色玻璃屏或半透明塑料屏的漫射 屏15，和位于其面朝灯13的一侧的薄片17，薄片17的各部分印刷有不同强度的着色剂19。 为了更好地理解，着色剂19的层厚在附图中采用非�？浯蟮姆绞奖硎荆渲校蟛愫袂� 对应于低亮度区域，反之亦然。着色剂19的光传输沿光屏11在水平方向上重复变化，以使 在光屏11上，在水平方向上具有低级别亮度的暗区域21a与具有高级别亮度的亮区域21b 交替。从暗区域21a到亮区域21b的亮度转变是渐进的，反之亦然。尤其根据图3中的平 行立体图，变得明显的是不同亮度的区域21a、21b在光屏11上形成基本上垂直定向的条 纹图案21。从图1中还可看出，照明单元9包括侧向镜(lateral mirror) 22，优选地，侧向镜 22具体体现为附着到透明镜体22a上的镜箔。这些侧向镜22反射从光屏11朝向瓶子7发 射出的光28。根据图2，摄像机3朝向瓶子的底部7b倾斜，其光轴3b与瓶子的主轴线7a成最大 为80°的夹角α。此处，摄像机3通过光屏11中的摄像窗口 23斜向下观看到瓶子的肩部 7c与瓶子7的筒形部7d的过渡区域。因此，利用摄像机3，获得了具有图4中示意性表示 的光反射27的摄像机图像25，这是经瓶子7畸变的光屏11的反射图像。此处，光反射27 的暗条纹27a或亮条纹27b基本上对应于条纹图案21的区域21a、21b。反射27分别包含额外的暗条纹27a'和亮条纹27b'，它们对应于在镜子22处经 反射的区域21a、21b。反射27的在镜子22处经反射的部分在图1中用光线28示意性表 示。在反射27中反射条纹27a'和27b'的数量取决于照明单元9的尺寸设计和光屏11 和瓶子7之间的距离。在本例子中，如果该距离连续增加，则反射27的侧边缘会向内移动， 首先外条纹27b'被“切出(cutout)”反射27，然后与其相邻的条纹27a'被“切出”反射 27。此外，在图4中，示出了模缝7e及压花7f，它们具体体现为瓶子7上的浮雕和/或 凹陷。在(未描述的)计算单元29中对例如在每隔30°距离的各个旋转位置φ处分别拍 摄到的摄像机图像25进行估算以对模缝7e和/或压花7f进行定位，并以这种方式确定瓶 子7的实际旋转位置Φι。通常情况下，为了实现此目的，将瓶子表面7c、7d完全置于摄像机 3的前方。在摄像机图像25中，模缝7e和压花7f的轮廓被清晰地显示为，例如暗条纹27a、 27a'上的亮线或亮条纹27b、27b'上的暗线。相比之下，条纹27a、27a'、27b、27b'之间的转变是渐进的，如同条纹图案21的区域21a、21b之间的转变。这支持在估算摄像机图像 25时进行带通滤波，以在模缝7e或压花7f的轮廓和条纹27a、27a'、27b、27b'之间进行 区分。由于瓶子7在水平方向基本上成筒形，反射27的条纹27a、27a'、27b、27b'相对于 光屏的区域21a、21b立体地畸变，看上去像是被压缩了似的。反射27中暗条纹27a、27a'的数量优选为3至8个。从而，可对模缝7c和压花 7d进行同等检测。根据在镜子22处经反射的且可在反射27中利用的暗区域21a的数量， 光屏11的区域21a的数量优选为1至8个，在本发明的尤其有益的进一步改进中为2至4 个。但是，该设备不限于上述分别提到的暗条纹27a、27a'或21a的数量。为了能够尽可能可靠地检测模缝7e，条纹27a、27a'、27b、27b'基本上平行于模 缝7e定向。但是，也可将条纹27a、27a'、27b、27b'相对于模缝7e倾斜定向，例如成大到 10°的角。这改善了位于摄像机图像25的中心处的模缝检测。在这种情况下，区域21a、 21b必须相应地倾斜地布置于光屏11上，例如相对于垂直方向成大到10°的角。“基本上垂直定向的”条纹图案21是指在直立瓶子7上，条纹图案21产生具有基 本上平行于瓶子7的模缝7e或主轴线7a定向的条纹27a、27a'、27b、27b'的反射27。在 偏离检查位置，光屏11上的条纹图案21的定向将必须作相应调整。在一般情况下，可以在光屏11上设置其他亮度分布，例如，基本上水平定向的条 纹图案或环状图案，以尤其能够可靠地检测瓶子7上特殊成形的凸起和/或凹陷。使摄像机3倾斜，以使在摄像机图像25中不仅可观察到大范围的模缝7e。此外， 反射27则尤其适合于检测瓶子的肩部区域7c中的压花7f。根据瓶子形状，角度α可以 为，例如30°至80°，如果需要的话，也可以为80°至90°。优选地，反射27完全包括在 垂直方向上的压花7f，以便反射27可以在瓶子7的不同旋转位置处被可靠地检测到。为了将检验设备1简单调节到不同的待测瓶型和/或结构7e、7f，尤其为了反射 27的高度调节，照明单元9优选为具体体现为高度可调。根据本发明的设备1可配备有多个摄像机3，摄像机3的图像记录区域3a横向重 叠，以使当瓶子7在支座6上旋转的同时，通过摄像机3使瓶子7在其整个外周上的各个预 定旋转位置φ处成像。摄像机3的数量并不限于所示的例子。优选地，摄像机3之间的距离 最小以确保尽可能标准化的成像条件。光屏11为漏斗形，并且其表面尽可能大以尽可能大地接收反射27，反射27从瓶子 7的筒形部7d平稳地传递到瓶子7的肩部。从而，可将可靠检测瓶子7所需的摄像机图像 25的数量减至最少。光屏11和薄片17包括多个优选为平坦的部分。这允许容易地将印刷薄片17集 成入光屏11中。但是，光屏11也可一体式形成和/或包括弯曲表面，如椭圆形部分。亮度从区域21a到区域21b的渐进转变，反之亦然，优选为对应于波形图案，例如 为正弦曲线。可将着色剂19印刷到薄片17的任一侧，或印刷到薄片17的两侧。也可以将着色 剂加到薄片17中。还可以想象到的是，将着色剂19直接涂覆到漫射屏15的面朝灯13的 一侧。然而，使用薄片17的有益之处在于可容易地使各个条纹图案21之间变化，以使设 备适应于瓶子表面上的某些瓶子形状和/或结构。有益地，着色剂19主要具有光吸收效应，以形成具有低级别亮度的区域21a。但是，借助荧光着色剂19还可形成具有高级别亮度的区域21b。区域21a、21b也可以通过吸 收和/或荧光着色剂19的组合来形成。例如，光源13为LED背景灯。但是，也可使用其他类型的灯。光源13的排列并不 限于图1和图2中的例子。也可以在照明单元9中仅使用一个光源13。作为替代方案，可通过光屏11的各部分的不同亮度的照明来产生暗区域21a和亮 区域21b。为此，光源13可具体体现为LED矩阵，该LED矩阵的LED元件发射不同级别亮度 的光。根据元件的数量和大�。匦虢庑┰柚迷诰嗦淦�15合适的距离处，从而形 成具有亮度渐进转变的平滑亮度图案21。利用此变型，还可在不进行任何改变的情况下产 生不同的图案21。优选地，照明单元9包括例如已知的乌布利希球(Ulbricht sphere)的反射或高 后向散射内壁9a，从而提高光效率和/或确保光屏11的均勻照明。这提高了短曝光时间的摄像机图像的质量。为此，照明单元还可以设置有额外的 镜子和/或后向散射分隔壁(未显示)。屏14保护照明单元9以免其弄脏，但是，屏14不 是必要的。透明镜体22a，尤其与反射或后向散射内壁9a合作，使光屏11从不同的方向被照 亮，因此即使是在镜子22的过渡区域，也具有最佳的均勻亮度。因此，避免了在从光屏11 向镜子22的过渡处以及在反射27的相应区域中分别出现暗且清晰的线。传输装置5优选为如图1和图2中示出的旋转式传输带。但是，它也可以是直线 式的或弯曲式的。支座6的旋转方向F和传输装置5的旋转方向G，优选为是相同的，但是 它们也可以是反向的。以下，将对第二实施例进行描述，它与第一实施例的不同点主要在于光屏11的 替代漏斗形和未设置侧向镜22。如果没有相反的陈述，则其他特征对应于第一实施例中的 特征，因此不再对其进行描述，而且其中的一些特征在图5和图6中没有设置附图标记。正如在图5中可以看出的，第二实施例的光屏11在平面图中也具有漏斗形。例如， 它可以由五个平坦部分Ila至lie形成，每一个平坦部分面朝在图像记录区域3a内的瓶子 7的检查位置。在第二实施例中，区域21a、21b不仅具体体现在中央部分llb、lld、lle上， 而且具体体现在侧向部分IlaUlc上。因此，其中，当照射瓶子7时，还产生了图4所示的 反射27，然而，在第二实施例中，通过对瓶子7进行直接照射所产生的另外的条纹27a、27b 取代了通过在镜子22处反射所产生的第一实施例的条纹27a'、27b'。相应地，在第二实 施例中，光屏11的暗区域21a的优选数量为3至8个。根据光屏11的设计，可使暗区域21a和亮区域21b相对于垂直方向倾斜成不同的 角度，从而在反射27中产生基本上垂直定向的条纹27a、27b。在正视图中，条纹21a和/或 21b优选为与垂直方向或平行透视方向的瓶子7的主轴线7a成最大为45°的夹角。在模 拟中，通过预定漏斗形状的光线跟踪可计算出适合的条纹图案21，以便在待检查瓶型上产 生预定的反射27。可以将所描述的实施例的特征加以结合。特别地，光屏11的设计并不限于所显示 的例子。例如，可以将屏垂直倾斜，使得它们的平面图变成侧视图，反之亦然。同样，区域 21a、21b可以具体体现在(未描述的)光屏11的弯曲部分上。可利用根据本发明的检验设备如下工作
使固定在支座6上的瓶子7沿着传输轨道5移动进入摄像机3的记录区域3a中， 同时使瓶子7绕其纵轴线7a旋转。只要瓶子7位于摄像机3的成像区域3a内，则将在瓶 子7的预定旋转位置φ处或以预定间隔分别拍摄反射27的记录(recording) 25，并且在计 算单元29中利用图像估算对这些记录作进一步的处理。当瓶子7在其整个外周可被检查 到之前离开摄像机3的成像区域3a时(分别取决于传输装置5或支座6的传输速度或旋 转速度)，另一个摄像机3的至少一个另外的成像区域3a紧随在成像区域3a的后面，以便 重叠，直到摄像机记录25已经检测到瓶子的整个外周。通过在计算单元29中估算记录25， 检测到模缝7e和/或压花7f的位置，并且确定出瓶子7或支座6的实际旋转位置φι，从而 随后可使瓶子7移动到理想的旋转位置CPs。
权利要求
一种用于检测瓶子(7)尤其是贴标机中的瓶子上的凸起和/或凹陷(7e，7f)的检验设备(1)，包括-照明单元(9)，其具有光屏(11)，用于在待检查的瓶子(7)上产生光反射(27)；和-至少一个摄像机(3)，其用于检测所述光反射(27)；其特征在于在所述光屏(11)上形成有不同亮度的区域(21a，21b)。
2.根据权利要求1所述的检验设备，其特征在于，所述不同亮度的区域(21a，21b)以条 纹图案(21)设置。
3.根据权利要求2所述的检验设备，其特征在于，所述条纹图案(21)包括2至4个暗 条纹(21a)。
4.根据前述权利要求中的至少一项所述的检验设备，其特征在于，所述不同亮度的区 域(21a，21b)在水平方向上交替。
5.根据前述权利要求中的至少一项所述的检验设备，其特征在于，所述不同亮度的区 域(21a，21b)之间的亮度转变是渐进的。
6.根据前述权利要求中的至少一项所述的检验设备，其特征在于，所述不同亮度的区 域(21a，21b)具体体现为不同光传输的区域。
7.根据前述权利要求中的至少一项所述的检验设备，其特征在于，所述光屏(11)包括 至少一个薄片(17)，所述不同亮度的区域(21a，21b)形成在所述至少一个薄片(17)中和/ 或上。
8.根据权利要求7所述的检验设备，其特征在于，所述照明单元(9)还包括至少一个光 源(13)，所述光屏(11)还包括漫射屏(15)，并且所述薄片(17)设置在所述光源(13)和所 述漫射屏(15)之间。
9.根据前述权利要求中的至少一项所述的检验设备，其特征在于，所述光屏(11)具有 朝向所述瓶子(7)开口的漏斗形状。
10.根据前述权利要求中的至少一项所述的检验设备，其特征在于，所述摄像机(3)朝 向所述瓶子的底部(7b)倾斜，并且所述摄像机(3)的光轴(3b)与所述瓶子(7)的主轴线 (7a)成最大为80°的夹角(α)。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的检验设备，其特征进一步在于-传输装置(5)，其使所述瓶子(7)移动通过所述摄像机(3)的图像记录区域(3a)；和-旋转支座(6)，其设置在所述传输装置(5)上，用于保持所述瓶子(7)。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的检验设备，其特征进一步在于-计算单元(29)，其用于估算检测到的所述反射(27)、定位所述凸起和/或凹陷(7e， 7f)，以及确定所述瓶子(7)的实际旋转位置(φΟ。
13.一种利用根据前述权利要求中的任一项所述的设备来检测瓶子(7)尤其是贴标机 中的瓶子上的凸起和/或凹陷(7e，7f)的方法，包括以下步骤_利用所述光屏(11)来照亮所述瓶子(7)，以使所述光反射(27)至少暂时与所述凸起 和/或凹陷(7e，7f)重叠；和_利用至少一个摄像机(3)来使所述反射(27)成像。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，使所述瓶子(7)移动通过所述摄像机(3)的图像记录区域(3a)，同时使所述瓶子(7)绕其纵轴线(7a)旋转，使得在所述瓶子(7) 的各个旋转位置(φ)处使所述反射(27)成像在摄像机图像(25)中。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，计算单元(29)估算所述摄像机图像 (25)、检测所述凸起和/或凹陷(7e，7f)的位置并且据此来确定所述瓶子(7)的实际旋转 位置(((J1)。
全文摘要
本发明涉及一种用于检测瓶子尤其是贴标机中的瓶子上的凸起和/或凹陷的设备，该设备包括照明单元，其具有光屏，用于在待检查的瓶子上产生光反射；和至少一个摄像机，其用于检测所述光反射。通过形成在光屏上的不同亮度的区域，可以在大范围的瓶壁上可靠地检测到模缝，并且可以在瓶子的各个旋转位置处对压花进行定位。本发明还涉及一种应用该设备的方法。
文档编号G01N21/892GK101887029SQ20101017822
公开日2010年11月17日 申请日期2010年5月11日 优先权日2009年5月12日
发明者雷纳·奎安特 申请人:克朗斯股份公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
