Устройство для проверки прозрачных стеклянных изделий

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК Ц 14 З С 01 К 21/90 Й КОМИТЕТ СССР РЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙГОСУДАРСТВЕ ПО ДЕЛАМ ИЗ ВСЕСОЮЗНАЯ 13," ",13 ИНФО") ".иИСАНИЕ БРЕТЕНИ К ПАТЕНТУ 4) УСТРОЙСТВО ДЛЯ1 Х СТЕКЛЯННЫХ ИЗ7) Изобретениентроля прозрачньнапример экраубок, в целях в РОВЕ ПРОЗРАЧпредназначено для и изделий из сте нов телевизионных к л е влен(72) Роберт Джон Бирингер (ПБ)(56) Патент Японии У 5-8415,кл. С 01 Б 21/90, 1982,Патент Великобритании В 2121537кл С О 1 .Я 21/90, 1983. в изделиях оптических дефектов. Цельизобретения - повышение чувствитель"ности контроля. Конструкция источникосвещения обеспечивает его пространсвенную инвариантность и формированиемножества коллимированных пучков света, ориентированных в различных на"правлениях. Равномерно освещеннаярассеивающая свет пластина с наложенной на ней маской обеспечивает выявление преломляющих дефектов определенной степени и при этом делаетсистему нечувствительной в отношениидефектов с более низкими преломляющими эффектами. Выявление дефектовобъекта осуществляется камерой, вкоторой используется линейная решетка светочувствительных диодов и которая имеет определенный угол зрения.1 з.п. ф-лы, 16 ил.с оставитель Ю,Гриневаехред Л.Олийнык ектор Н.Король едактор ИДулла аэ 547 дписное роизводственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 847 П ВНИИПИ Государственного комитета ССС по делам изобретений и открытий 3035, Москва, Ж, Раушская наб., д, 0 50 1 И3 ББВИзобретение относится к контролюизделий из стекла, например бутылокили банок, на наличие оптических дефектов.Цель изобретения - повышение чув"5ствительности определения преломляющих дефектов.На фиг, 1 приведено схематическипредлагаемое устройство; на фиг. 2схема работы устройства; на фиг, 3разрез А-А на фиг. 1; на фиг4система контроля стеклянных сосудов,общий вид; на фиг, 5 - разрез Б-Б нафиг. 3; на фиг, 6 - часть оптическойследящей системы предлагаемого устройства так, как эта часть видна поразрезу Б-Б; на фиг. 7 - график из"мерений интенсивности проходящегочерез изделие света, полученный сиспользованием части следящей оптической системы, показанной на фиг. 6;на фиг. 8 - разрез В-Вна фиг. 3 нафиг. 9 - часть оптической следящейсистемы предлагаемого устройства так, 25как эта часть видна по разрезу В-В;на фиг, 10 - график измерений интенсивности света, проходящего черезчасть изделия, показанную на фиг. 6и регистрируемого частью следящей оп"тической системы, показанной нафиг. 9; на фиг. 11 - разрез Г-Г нафиг. 4(стенка сосуда, на котором виден скрытый в стенке пузырек); нафиг. 12 - поле зрения камеры, направленной на часть стенки проверяемойстеклянной бытылки, изображенной нафиг, 11; на фиг. 13 - график выходного сигнала камеры, в поле зрениякоторои находится часть стенки проверяемой бутылки, показанной нафиг. 12; на фиг, 14 - разрез Д-Д нафиг. 3, (часть изделия на которомвидно вкрапление в стенке постороннего материала); на фиг. 15 - полезрения камеры, направленной на частьизделия, показанную на фиг. 14; нафиг. 16 - график выходного сигналакамеры, в поле зрения которой находится часть изделия, показаннаяфиг. 15.Осветительная система (фиг, 1)предназначена для подсветки экранателевизионной трубки в целях селективного обнаружения преломляющихдефектов, а также вкраплений посто 55ронних материалов, скрытых пузырьков,раковин и других функциональных дефектов в стекле,Поскольку телевизионные экраны имеют значительные размеры и искрив лены в двух взаимно перпендикулярных направлениях, для контроля их качества более подходит трехканальная система, Под экраном 1 смежно один другому в одну линию, поперечную ширине экрана, располагаются три источника света (фиг, 3), Каждый источник света располагается так, что его центральная ось ориентируется перпендикулярно части поверхности экрана 1, напротив которой данный источник уста новлен, Каждый из источников 2 света действует в паре с соответствующей камерой 3, ось зрения которой совпадает с централБной осью соответствующего источника так, что в камеру,попадает свет, проходящий через практически плоский участок экрана, освещаемый снизу соответствующим источником света, Поле зрения линейной решетки светочувствительных элементов каждой из камер представляет собой часть узкой полоски поверхности экрана 1, перпендикулярной ширине экрана, включая и загнутые вверх края экрана. На практике экрана 1 во время его проверки фиксируется на подвижной рамке (не показана) и движется по дугообразной траектории. Геометрический центр дуги, на которой движется опорная рамка с установленным на ней экраном 1, совпадает с осью кривизны экрана 1 в направлении его длины. При движении экрана 1 по дугообразной траектории его поверхность полностью проходит между источниками 2 света и камерами 3, благодаря чему обеспечивается контроль всей видимой части экрана, Использование в осветительной системе (фиг, 1) трех отдельных источников света позволяет применять в системе линзы Френеля меньших размеров и ориентировать центральные оси источников так, что результирующая поверхность осветительной системы более полно соответствует искривленной поверхности экрана 1, Однако в конструкции источника рассеянного света, рассчитанном на освещение экрана по всей его ширине, может быть использована одна линза Френеля, но в этом случае линза должна иметь достаточные размеры.При изготовлении стеклянной посуды на обычных формовочных машинах всегда существует вероятность появле 143342 бния в иэделиях различных дефектов, которые не поглощают падающий на них свет. Такие, образующиеся в процессе формирования иэделий, поверхностные дефекты подразделяются на три категории.Примером таких дефектов является нитевидная складка на поверхности из" ,делия, кроме того, пустоты, которые в зависимости от размеров иногда называются пузырьками или зернами. К другим дефектам относятся такие, которые связаны с неоднородностью материала. В общем случае все указанные дефекты вызывают преломление или отражение попадающего на них света,Обнаружение преломляющих дефектов в объектах, имеющих простую геометрию, например в листовомстекле, 20 осуществляется сравнительно простыми средствами. При обратной подсветке плоского стекла сфокусированным пучком света установления с противоположной стороны стекла оптическая 25 система с ограниченным полем зрения воспринимает участки стеклянного листа, где проходящий свет преломляется, в виде затемненных участков поверхности. Чувствительность такой системы в отношении дефектов проверяемого объекта зависит от величины угла зрения объектива и угловых размеров пучка света обратной подсветки. Кро" ме того, обнаружение преломляющих дефектов в объектах более сложных форм, например, дефектов в стеклянных сосудах, является достаточно сложной проблемой. Преломление света при его прохождении через стеклянный сосуд обус- о ловлено не только наличием отражающих дефектов, но главным образом самой формой сосуда. Кроме того, внутренняя поверхность стеклянных сосудов формируется свободно. т. е. без воздействия формовочной поверхности, поэтому внутренние поверхности . годных для использования сосудов могут иметь значительные искривления. Искривления внутренней поверхности стеклянных сосудов можно обнаружить обычными способами, например, как плоского стекла.. Контроль экранов телевизионных трубок в целях выявления оптических де 5 фектов, которые делают экраны непригодными для их использования по назначению, начинается до операции окончательной полировки, когда необходимо определить имеются ли на наружной стороне экрана мелкие поверхностные трещины, Такие мелкие поверхностные трещины, когда они освещаются пучком света с ограниченным угловым спектром, вызывают преломление проходящего через экран света.Для эффективности подсветки, обеспечивающей возможность оптического обнаружения дефектов, необходимо применение источника света с более широким угловым распределенчем, например источника рассеянного света. В системах выявления дефектов, которые поглощают падающий на них свет, нежелательные эффекты, вызываемые преломлением света, в значительной степени могут быть определены путем использования изотропного освещения объекта и наблюдением проходящего через объект света. Если производится проверка прозрачного сосуда, имеющего приблизительно цилиндрическую боковую стенку, когда источник света располагается по одну сторону конвейера, на котором движутся проверяемые сосуды, а камера располагается с противоположной стороны конвейера, камера регистрирует свет от источника после прохождения его через две стенки сосуда. При использовании в системе источника рассеянного света изображение ближайшей к камере стенки сосуда существенно не отличается от ее иэображения в случае отсутствия второй, более удаленной стенки сосуда. Таки% образом, для простоты можно исключить удаленную от камеры и ближайшую к источнику света стенку проверяемого сосуда и рассматривать принцип выявления дефектов на системе, в которой проверяемый сосуд имеет только одну стенку, иэображение которой воспринимается камерой, В большинстве случаев изготавливаемые на стеклоформовочных машинах сосуды имеют осадочную волну, которая обычно образуется ниже средней плоскости сосуда, но несколЬко выше дна сосуда. Дефект в виде осадочной волны образуется во время выдувания бутылки из грушевидной заготовки в форме вследствие того, что стекло в кольцевой части заготовки, смежной дну форме, обычно холоднее, чем в других частях заготовки, и поэтому распределяется не так равномерно, как в других частях. Таким образом,5 14334осадочная волна представляет собойнесколько утолщенную нижнюю кольцевую часть боковой стенки стеклянногососуда и лишь несколько изменяети5внешнии вид стеклянного сосуда, Есливнешний вид сосуда не является определяющим фактором пригодности сосудадля его использования по назначению,то осадочную волну можно как дефектне рассматривать, а как плавный, преломляющий оптический дефект боковойстенки сосуда,На фиг, 2 показана двухмерная схема прохождения света через изделиеиэ стекла и приема проходящего черезиэделие света камерой 3, имеющей уголзрения Д, и формирующей изображениеокрестности точки С на поверхностиизделия. Если с обращенной к источнику 2 света стороны изделие имеетплоскую поверхность, обозначеннуюпунктирной линией 4, то свет, воспринимаемый камерой 3 от точки С, излучается участком А источника 2 света. 25Если обращенная к источнику 2 светасторона изделия имеет искривленнуюповерхность, обозначенную сплошнойлинией 5 (фиг. 2), ось зрения камеры3 в результате преломления света от- ЗОклоняется на угол Я и камера 3 воспринимает от точки С свет, излучаемый в данном случае участком А источника 2 света, Если последний является изотропным и имеет одинаковуюЗБяркость по всей площади, то яркостьизображения точки С в отсутствии поглощения света в случае преломленияпроходящего через изделие светаостается неизменной. Факт преломления света можно установить путем/маскирования участка А источника 2света. Такое маскирование последнегообеспечивает затенение участка А ивследствие этого изображение точкиС, формируемое камерой 3, представляется темным пятном на ярко освещенном фоне. Таким образом, в системепреломляющие дефекты изделия вызывают уменьшение кажущегося пропускания1света подобно тому, как это показанодля точки С, т. е. действуют подобносветопоглощающим дефектам. Применение масок в дефектоскопии ограничивается тем, что они лишают системыпространственной инвариантности, Прииспользовании маски четкость и яркость изображения данного дефекта зависит от относительного расположения 26 6точки С и края маски 6 так, что четкость и яркость изображения дефектаоказываются в зависимости от поперечного положения дефекта в поле зрениякамеры и от расстояния объекта отмаски. Таким образом, даже умеренныйпреломляющий дефект, находящийся вданной части поля зрения, может вызвать ослабление проходящего черезнего света, одинаковое с ослаблениемсвета, проходящего через более крупный преломляющий дефект, но расположенный в другой части поля зрения, аэто означает, что система представляет собой пространственно-вариантнуюсистему.Указанные ограничения можно обойти, если кажущееся пропускание светав точке С зави"ит только от угла О.,на который в результате преломлениясвета отклоняется ось зрения,Использование для подсветки объекта источника света, имеющего равно-.мерную яркость-"по всей площади и неизотропное распределение интенсивностиинтенсивность проходящегочерез)объект света независима от местоположенияточки А на источнике и, следовательно, от относительного расположения точек С и А, что дает требуемуюпространственную инвариантность. Можно добиться, чтобы источник рассеянного светаимел пространственное распределениеинтенсивности, трансформируемое настороне линзы, обращенной к объекту,в угловое распределение. В этом случае задача селективного подавлениявидимости плавных поверхностных дефектов может быть решена оптическимисредствами, Поскольку плавные поверхностные дефекты характеризуются малыми углами преломления света, они становятся невидимыми, если при такихмалых углах источника света имеетсяравномерное распределение интенсивности или равномерный угловой спектр. Специальный источник света (фиг. 3) имеет требуемый угловой спектр и оборудован оптической насадкой, В данном случае источник 2 рассеянного света включает матовое. стекло 7, за которым располагаетсямножество ламп 8 накаливания. Матовое стекло 7 располагается на расстоянии от линзы 9, фокус:.ое расстояние которой равно Г. Каждая точка источника 2, например точки Х и У, за линзой 9 формирует7 14 коллимированный пучок света, Точка Х дает коллими 11 ованный пучок 1 О света, а точка У - коллимированный пучок 11 света. Коллимированный пучок 10 света. ориентирован параллельно линии, проходящей от точки Х через оптический центр линзы 9Также коллимированный пучок 11 света ориентирован параллельно линии, проходящей от точки У через оптический центр линзы 9, Если источник 2 света является изотропным и имеет равномерное распреде ение яркости по всей площади, то плотность потока света в двух коллимированных пучках одинаковая. Если на источник рассеянного света установить маску 6 шириной а = 2 Р сц 6 то угловой спектр света между линзой и объектом ограничивается углами, равными или меньшими, чем + Я Таким образом, изменением ширины маски 6 можно изменить величину угла Я однако нет необходимости в том, чтобы двухмерный угловой спектр в плоскости перед линзой был изотропным, т.е. этот спектр может иметь произвольную конфигурацию, которую можно выбирать изменением формы маски 6.Система подсветки с неизотропным угловым спектром наиболее подходит в случае контроля прозрачных бутылок, поскольку в профиль они не имеют круговой симметрии. Таким образом, использование подсветки (фиг. 3) обеспечиваетвозможность контроля пространственно-инвариантной системы подсветки с использованием маскированного источника, являющейся вариантом указанной пространственно-вариантной системы подсветки, в которой также используется маскированный источник света, Основной эффект этой системы подсветки состоит в том, что она обладает повышенной чувствительностью в отношении преломляющих дефектов, характеризующихся большими углами преломления света, и обеспечивает более точное выявление преломляющих дефектов. Камера 3, поскольку в ней используется вертикальная линейно сканирующая. решетка светочувствительных элементов, фокусируется на линии, находящейся в пространстве, через которое движутся подлежащие проверки объекты. Источник 2 света имеет наи- больший размер в направлении Й, т.е. в направлении движения проверяемого объекта или перпендикулярно оси стек 33426 Я 30 35 ра линзы, благодаря чему для всехточек перед линзой угловой спектрсвета получается одинаковым, т.е, подсветка получается пространственноинвариантной. Система подсветки позволяет производить выбор требуемогоуглового спектра света. Угловойспектр света должен выбираться такимобразом, чтобы это обеспечивало максимальную чувствительность системы вотношении преломляющих дефектов, которые требуется обнаруживать, однакодля допустимых плавных преломляющихдефектов свет с таким угловым спект.ром должен оставаться достаточно рассеянным. Если свет источника подсветки сликом рассеян, все преломляющиедефекты размываются и обнаружить ихне удается. В поле зрения камеры, используемой в рассматриваемой систЕме,в каждый данный момент находитсятолько узкая вертикальная полоска поверхности движущегося относительнокамеры исследуемого объекта. 40 45 5055 5 10 15 20 лянного сосуда (фиг. 4). В другомнаправлении источник 2 света может.иметь значительно меньший размер. Врассматриваемой системе свет , попадающий на обратную сторону объекта,представляет собой ориентированныйпучок света со сравнительно небольшим спектром углов рассеяния, тогдакак при использовании рассеивающегоэлемента лучи света оказываются ориентированными во всех направлениях.Угловая направленность подсветки определяется в соответствии с физическими и оптическими характеристикамиисследуемого объекта и достигаетсявыбором соответствующего угла зрениякамеры и фокусного расстояния линзыв функции размеров маски. Используемая в конструкции источника светалинзы обеспечивает направленность излучения источника. Каждая точка источника 2 рассеянного света является источником множества элементарных лучей, которые испускаются всей поверхностью линзы в виде папаллельного пучка, ориентированного в направлении линии, проходящей от данной точки источника черезоптический центр линзы. Каждая точкаисточника света генерирует семействоэлементарных лучей, направления которых определяются различием положения точки относительно оптического цент26 10 9 14334Получаемый в осветительной системе угловой спектр света обеспечивает высокую чувствительность системы в отношении резко выраженных преломляющих дефектов и подавление чувствитель 5 ности системы в отношении плавных поверхностных дефектов например де,фектов стеклянных сосудов и других ,изделий из прозрачного стекла движуР щихся через поле зрения камеры 3,Линза 9 может иметь достаточно большой диаметр, обеспечивающий воз можность освещения проверяемого сосу- да по всей его высоте (фиг, 4), Для проверки сосуда по всей окружности его боковой стенки (фиг. Ф) его после первого прохода в поле зрения камеры 3 следует повернуть вокруг вертикальОной оси на 90 и затем повторить про верку, В системе должны быть предусмотрены электронные средства, обеспечивающие исключение выходных сигналов смонтированных в камере свето" чувствительных элементов, которые 2 Б генерируются при попадании в камеру света, проходящего через. закраины проверяемого сосуда. Иаска 6 устанавливаемая на рассеивателе источника света, может быть приведена в соответст- ЗО ,вие с конфигурацией проверяемого со-. суда так, чтобы, кроме боковой стенки сосуда, обеспечивался контроль суживающейся части и горловины сосуда. В данном случае маска 6 может быть выполнена в виде бабочки с раскрытыми крыльями так, чтобы широкая часть маски соответствовала скошен,ной суливающейся части проверяемого сосуда. 40На фиг. 5 и 8 показаны разрезы астей экрана телевизионноч трубки сумя различными поверхностными дефектами, которые могут возникнуть в поцессе изготовления экранов. На поверхности стекла имеется тонкая канавка, края которой имеют различный угол наклона относительно плоскости экрана (фиг. 5). Верхняя. стенка канавки имеет большой угол наклона ( а нижняя стенка - сравнительно не-большой угол наклона Ц, Верхняястенка канавки, имеющая угол наклонаД вызывает преломление проходящегочерез нее света, в результате чеговертикальный ряд светочувствительныхэлементов 12 (фиг, 4 вырабатывает выходной сигнал (фнг, 7) Угол О, намного больше угла И и поэтому проходящий через верхнюю стенку канавки свет на соответствующие светочувствительные элементы не попадает (фиг. 5), Кроме того, угол наклона нижней стенки канавки Я меньше угла Д , поэтому преломление проходящего через эту стенку света получается сравнительно небольшим, т.е, на соответствующие светочувствительные элементы камеры свет попадает почти без ослабления.На фиг. 8 показан разрез части экрана телевизионной трубки с поверхностным дефектом в виде небольшого выступа, скаты которого имеют угол наклона 0 , величина которого меньше угла В . В данном случае, как и в случае нижней стенки канавки на поверхности экрана (фиг. 5), попадающий на соответствующие светочувствительные элементы 12 свет не ослабля-. ется, что представлено диаграммой выходных сигналов, на которой все сигналы имеют одинаковый уровень (фиг. 10).На фиг. 11 показан разрез части экрана телевизионной трубки с дефек-. том в виде скрытого в стекле пузырька В. Свет от источника подсветки,проходя через пузырьковый дефект, преломляется, в результате отклоняется от нормального направления осей зрения нескольких светочувствительных элементов в линейной решетке камеры, что и позволяет обнаруживать дефект. Однако свет, проходящий через центр пузырькового дефекта, не преломляется (фиг. 13).На фиг, 12 показано, что пузырьковый дефект В ослабляет попадающий в камеру свет источника подсветки, а на фиг. 13 - форма выходного сигнана камеры, показывающая уровни выходных сигналов светочувствительных элементов. Уровень интенсивности проходящего через исследуемый объект света в отсутствии преломляющих или поглощаю" щих свет дефектов составляет 1007.,однако в случае полного преломления(фиг,. 5 и 11), уровень интенсивности проходящего через объект света падает почти до нуля, Нижняя стенка канавки на поверхности экрана (фиг. 5) имеет малый угол наклона, при вь 1 бранном освещении преломление света на нижней стенке канавки получается недостаточным для его обнаружения.На фиг. 14 показан дефект экрана телевизионной трубки в виде вкрапле 1334 ния 5, которое полностью блокирует прохождение света, так как это вкрапление представляет собой непрозрачный элемент, появляющийся в стекле5 во время его варки и состоящий иэ не- расплавившихся компонентов шихты, Такие вкрапления в стекле являются концентраторами напряжений и, следовательно, представляют собой потенциальные источники разрушения стекла под действием ударных нагрузок или резких перепадов температуры, Таким образом, стеклянные сосуды с дефектами в виде вкраплений должны от 5 рако б вываться, так как всегда существует вероятность их разрушения во время затаривания или при транспортировке. Вкрапления посторонних материалов в экранах телевизионных трубок являются недопустимыми функциональными дефектами. Дефекты экранов телевизион ньгх трубок в виде пузырьков и вкраплений (фиг, 11 и 15 соответственно) посторонних материалов всегда нежела тельны, так как они мешают нормальному восприятию телевизионного изображения.На фиг. 15 и 16 показан эффект присутствия в стекле вкрапления по- Эо стороннего материала на проходящий 26через проверяемый экран свет, который выражается в том, что вкрапление Б полностью закрывает от света сразу несколько светочувствительных элементов,формула изобретения1. Устройство для проверки прозрачных стеклянных изделий на наличие преломляющих дефектов, содержащее источник рассеянного света равномерной яркости, средство для перемещения иэделия по горизонтали и вертикальную линейную решетку светочувствительных элементов, о т л и ч а ю - щ е е с я тем, что, с целью повышения чувствительности определения преломляющих дефектов, оно снабжено двояковыпуклой линзой, установленной перед источником рассеянного света на расстоянии, равном ее фокусному расстоянию.2, Устройство по и. 1, о т л и - ч а ю щ е е с я тем,.что непосредственно перед источником рассеянного света установлена маска, закрывающая периферийные части источника рассеянного света и ограничивающая угол коллимации.