DE3628088A1 - Einrichtung zur optischen ueberpruefung der oberflaeche von stabfoermigen rauchartikeln und/oder filterstaeben fuer die tabakindustrie - Google Patents
Einrichtung zur optischen ueberpruefung der oberflaeche von stabfoermigen rauchartikeln und/oder filterstaeben fuer die tabakindustrieInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur optischen Überprüfung
der Oberfläche von stabförmigen Rauchartikeln und/oder Filterstä
ben für die Tabakindustrie der im Oberbegriff des Anspruchs 1
angegebenen Gattung.
Im folgenden sollen die bei der optischen Überprüfung von stab
förmigen Rauchartikeln und/oder Filterstäben auftretenden Proble
me anhand der Überprüfung von Cigaretten erläutert werden. Ähn
liche Probleme ergeben sich jedoch auch bei Cigarren, Cigarillos
oder Filterstäben.
Bei der Herstellung von Cigaretten müssen sehr enge Toleranzen
für die verschiedenen Abmessungen, insbesondere den Durchmesser
und die Länge, eingehalten werden, damit die gewünschte, möglichst
gleichbleibende und definierte Produktqualität sichergestellt
wird.
Verschiedene Ausführungsformen von optischen Inspektionseinrich
tungen, die in der Tabakindustrie eingesetzt werden können, gehen
aus der DE-OS 25 42 082, der DE-AS 23 32 813, der DE-AS 24 51
199, der US-PS 40 93 866, der US-PS 41 49 089 und der US-PS 38 12
349 hervor.
Während mit diesen Inspektionseinrichtungen nur eine stichproben
artige Überprüfung einzelner Rauchartikel möglich ist, können
mit der gattungsgemäßen Einrichtung zur optischen Überprüfung
der Oberfläche von stabförmigen Rauchartikeln und/oder Filterstä
ben für die Tabakindustrie nach der DE-PS 30 30 140 auch bei den
heutigen, hohen Produktionsgeschwindigkeiten in der Größenordnung
von etwa 6000 Stäben pro Minute alle Oberflächenfehler erfaßt
werden, also nicht nur Schwankungen in den Abmessungen, sondern
auch Löcher oder Schmutzflecken auf der Oberfläche des Cigaretten
papiers, Änderungen in der Kontur, Knicke sowie Schwankungen in
der Lage bzw. der exakten Ausbildung eines Stempels.
Zu diesem Zweck weist die bekannte Einrichtung eine die Stäbe
senkrecht zu ihrer Längsrichtung transportierende Fördereinrich
tung, im allgemeinen eine Transporttrommel, die sich an einer
geeigneten Stelle in der Cigaretten-Herstellungsanlage befindet,
eine Lichtquelle für die Bestrahlung der Oberfläche eines in der
Prüflage befindlichen Stabes, eine Reihe von photoelektrischen
Wandlern, die gleichzeitig einen zeilenförmigen Oberflächenbereich
in Längsrichtung des Stabes abtasten, eine Speichereinheit für
die Bildpunkte mehrerer, nebeneinander liegender Abtastzeilen
und zweidimensionale Integratoren für die zweidimensionale Signal
verarbeitung auf, die auch den Produktionstakt berücksichtigt.
Eine ähnliche Einrichtung geht aus der DE-OS 34 20 470 hervor,
wobei auf einer ersten Fördereinrichtung ein erster Prüfzonenab
schnitt und auf einer zweiten Fördereinrichtung ein zweiter Prüf
zonenabschnitt vorgesehen sind. Auf jedem Prüfzonenabschnitt sind
wenigstens zwei optische Prüfmittel unter verschiedenen Winkeln
zur Förderebene ausgerichtet, die benachbarte achsparallele Um
fangsabschnitte der den jeweiligen Prüfzonenabschnitt durchlau
fenden Stäbe ausleuchten und abtasten. Jedes optische Prüfmittel
besteht aus einer den achsparallelen Umfangsabschnitt der Stäbe
ausleuchtenden Lichtquelle und einem opto-elektronischen Sensor
mit wenigstens einer Reihe opto-elektrischer Detektoren zum Erfas
sen des an der Artikeloberfläche reflektierten Lichtes. Die beim
Durchgang durch den Prüfzonenabschnitt verdeckten Umfangsbereiche
der Stäbe sind beim Durchgang durch den zweiten Prüfzonenabschnitt
den optischen Prüfmitteln zugewandt, so daß, anders als bei der
Einrichtung nach der DE-PS 30 30 140, die gesamte Oberfläche eines
Stabes erfaßt werden kann.
Detaillierte Untersuchungen einer solchen Inspektionseinrichtung
haben jedoch gezeigt, daß noch Raum für Verbesserungen besteht.
Insbesondere läßt noch die Genauigkeit bei der Erfassung von Ober
flächenfehlern bei den erwähnten hohen Prcduktionsgeschwindigkei
ten, die mittlerweile bis zu 8000 Stäben pro Minute reichen kön
nen, zu wünschen übrig.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Einrich
tung zur optischen Überprüfung der Oberfläche von stabförmigen
Rauchartikeln und/oder Filterstäben für die Tabakindustrie der
angegebenen Gattung zu schaffen, bei der die oben erwähnten Nach
teile nicht auftreten.
Insbesondere soll eine Einrichtung vorgeschlagen werden, die auch
bei extrem hohen Verarbeitungsgeschwindigkeiten von etwa 8000
Stäben pro Minute und mehr alle in der Praxis auftretenden Oberflä
chenfehler mit hoher Genauigkeit erfaßt.
Dies wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 angegebenen Merkmale erreicht.
Zweckmäßige Ausführungsformen werden durch die Merkmale der Unter
ansprüche definiert.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile beruhen auf der Abstim
mung der einzelnen Komponenten des Gesamtsystems, nämlich der
Beleuchtungseinrichtung, der auch als "Kamera" bezeichneten Reihe
von photoelektrischen Wandlern und der Signal-Vorverarbeitung
und- Auswertung, im Sinne einer Optimierung, um die optisch/elek
trische Verhältnisse so zu gestalten, daß auch geringfügige Ober
flächenfehler mit hoher Genauigkeit erfaßt werden können.
Zu diesem Zweck wird zunächst eine einzige Lichtbogenquelle, insbe
sondere eine Kurzbogen-Hochdrucklampe verwendet, die einen nahezu
punktförmigen Lichtabgabebereich hat und deshalb schon von der
Lichterzeugerseite her eine große Homogenität gewährleistet. Diese
Weißlicht-Lampe wird in senkrechter Lage betrieben, so daß sich
im Vergleich mit den bisher üblichen Ausführsformen eine extrem
lange Lebensdauer ergibt.
Zur Erhöhung der Lebensdauer trägt auch eine starke Kühlung mit
hohem Luftdurchsatz durch einen "Spezialluftkonvektions-Kamin"
bei. Denn die eigentliche Lichtquelle ist in einem Zweikammer-Sy
stem angeordnet, wobei der als Kamin ausgestaltete innere Primär-
Kreislauf dicht ist, d.h. die in unmittelbaren Kontakt mit der
Weißlicht-Lampe kommende Luft steigt in dem so gebildeten "Kamin"
nach oben und wird dadurch umgewälzt. Dieser innere, nach außen
abgedichtete Primär-Kreislauf ist von dem Sekundär-Kreislauf umge
ben, der mit der Umgebung verbunden ist, so daß über einen Lüfter
ein ständiger Luftaustausch erfolgt und dadurch die von der Hoch
drucklampe an das innere Gehäuse abgegebene Wärme nach außen ab
transportiert werden kann.
Dieser optische Teil der Lichtquelle befindet sich in einem Guß
gehäuse, so daß sich ein sehr stabiler und damit weitgehend er
schütterungsfreier Aufbau ergibt.
Das von der Hochdrucklampe abgegebene Licht wird über einen die
Hochdrucklampe umgebenden Spezialhohlspiegel auf einen Umlenkspie
gel mit IR-Filter zum Auslaß reflektiert; die auf dem Umlenkspie
gel vorgesehene Spezialschicht dient zur Ausblendung von IR-Strah
lung und damit als Wärmesenke.
Ein weiteres IR-Wärmefilter befindet sich in Strahlenrichtung
gesehen vor dem Auslaß, so daß das nach außen abgegebene Licht
praktisch keine IR-Strahlung mehr enthält.
An dem im Gußgehäuse vorgesehenen Ausgang erscheint also ein fokus
siertes und damit konzentriertes Strahlenbündel ohne jeden
IR-Anteil.
Aus Sicherheitsgründen ist am Auslaß eine Schutzklappe vorgesehen,
die elektromechanisch betätigt und in den Strahlengang geschwenkt
werden kann. Diese Betätigung kann entweder manuell oder selbsttä
tig erfolgen, bspw. beim Abziehen des noch zu erläuternden Licht
wellenleiter-Kabels vom Ausgang des Gehäuses der Lichtquelle.
An die Ausgangsöffnung des Gehäuses der Lichtquelle ist das be
reits erwähnte Bündel von Lichtwellenleitern angeschlossen, das
eine Länge von etwa 2 m haben kann und mit dem eigentlichen Sensor
block verbunden ist, der einen weiteren optischen Teil, der das
von dem Lichtwellenleiter abgegebene Licht auf die Oberfläche
des Stabes richtet, sowie die im folgenden auch als "Kamera" be
zeichnete Reihe von photoelektrischen Wandlern enthält. Dieser
Sensorblock ist als Einheit ausgebildet und auf einem Gußteil
aufgebaut, das als optische Bank und gleichzeitig als Teil des
Gehäuses dient; dadurch ergibt sich ein kompakter Aufbau, der
verstellt und an die jeweiligen Gegebenheiten angepaßt werden
kann. Gleichzeitig können auch Wärmeausdehnung, Wärmeableitung
usw. berücksichtigt werden.
Eine optische Präzisionsbank gewährleistet eine hohe Vibrations
festigkeit des optischen Teils; außerdem können Wechselobjektive
vorgesehen und der Abstand zwischen Kamera und Optik nach Bedarf
variiert werden, und zwar mit hoher Präzision.
Das mit der eigentlichen Lichtquelle verbundene Bündel von Licht
wellenleitern wird auf vier Teilbündel aufgeteilt und einer Quer
schnittswandlung unterworfen, so daß einerseits zwei etwa streifen
förmige Lichtaustrittsbereiche und andererseits am Rand noch zwei
zusätzliche Lichtwellenleiter-Bündel entstehen, die zur Eckenbe
leuchtung dienen, wie noch erläutert werden soll.
Auf diese Weise ergibt sich eine sehr homogene Lichtverteilung
in Längsrichtung des Stabes, indem das die beiden streifenförmigen
Lichtaustrittsbereiche der beiden Lichtwellenleiter verlassende
Licht über ein Linsen-Array, eine Zylinderlinse, einen Umlenkspie
gel und eine weitere Zylinderlinse von oben bzw. von unten auf
einen streifenförmigen Bereich der Oberfläche des Stabes gerichtet
wird. Gleichzeitig fällt über Umlenkspiegel Licht von den beiden
kleinen Lichtwellenleiter-Bündeln auf die Endenbereiche der Ober
fläche des Stabes, wodurch sich eine starke Randbeleuchtung ergibt,
die ebenfalls zur homogenen Lichtverteilung, auf die gesamte Ober
flächenprojektion des sichtbaren Teils des Stabes gesehen, bei
trägt.
Der gesamte Tiefenschärfe-Bereich der Kamera wird also sehr gleich
mäßig ausgeleuchtet, so daß nun insbesondere genaue Durchmesser-
Messungen möglich sind.
Der Lichtschärfepunkt des optischen Teils sollte nicht auf der
Oberfläche des Stabes liegen, da sonst die Struktur der Lichtwel
lenleiter-Querschnittswandler, insbesondere defekte Glasfasern,
sowie der optischen Komponenten abgebildet werden. Es hat sich
deshalb als zweckmäßig herausgestellt, wenn der Schärfepunkt der
Beleuchtung in Strahlenrichtung gesehen etwas hinter dem Stab
liegt.
Das an der Oberfläche des Stabes reflektierte Licht passiert ein
Farbfilter, so daß bestimmte Farben, bspw. der Stempelaufdruck,
ausgeblendet oder hervorgehoben werden können, wenn die Oberfläche
des Stabes mit Mehrfarben-Licht, also Weißlicht, bestrahlt wird.
Es können auch Teilbereiche gefiltert werden, indem entsprechende
unterschiedliche Filter eingesetzt werden. Um auch hier eine große
Flexibilität zu erreichen, sollte das Farbfilter auswechselbar
sein, so daß es bspw. an bestimmte Cigaretten-Marken angepaßt
werden kann.
Das Farbfilter sollte sich möglichst nahe bei der Aufnahmeebene,
also bei der Oberfläche des Stabes, befinden, um auch Teilbereiche
gut abgrenzen zu können. Um angestrebte, unscharfe Filterübergänge
zu erreichen, muß dieses Farbfilter in der Nähe des optischen
Teils vorgesehen werden, während sich die erwähnte Grundfilterung
für die IR-Strahlung direkt an der Lichtquelle befindet. Die Aus
filterung der IR-Strahlen ist nicht nur aus Wärmeschutz-Gründen,
sondern auch wegen der IR-Empfindlichkeit der Kamera wesentlich.
Die Zylinderlinsen und das in horizontaler Richtung verlaufende
Linsen-Array bzw. -Raster tragen ebenfalls zur angestrebten homo
genen Lichtverteilung für die Beleuchtungsebene auf der Oberfläche
des Stabes aus der Sicht der Kamera bei. Jeder Lichtwellenleiter-
Querschnittswandler und die in Strahlenrichtung gesehen hintere
Zylinderlinse können für den Strahlenabgleich verstellt werden,
während die vordere Zylinderlinse, das Linsen-Array, der Umlenk
spiegel und die Zylinderlinse am Lichtaustrittsfenster ortsfest
sind.
Der photoelektrische Wandler wird durch ladungsgekoppelte bzw.
CCD-Elemente in einer Linescan-Kamera gebildet, wobei die Video
signale zeilenweise produktionstaktgesteuert ausgelesen werden;
dadurch ergibt sich eine konstante Belichtungszeit, d.h. das Aus
lesen der Ladungen der einzelnen Pixels aus der Linescan-Kamera
erfolgt in einem festen Zeitraster, während die Restzeit bis zur
nächsten Zeilenauslesung variabel ist, nämlich von der Produk
tionsgeschwindigkeit abhängt. Dadurch wird eine sehr exakte Durch
messer-Erkennung auch bei Änderungen der Fördergeschwindigkeit
der Stäbe möglich.
Bei einem Prototyp einer solchen optischen Inspektionseinrichtung
sind insgesamt 1024 CCD-Elemente vorgesehen, so daß das Videosignal
aus maximal 1024 analogen Einzelsignalen bestehen kann. Dieses
Signal kann entweder insgesamt oder gruppenweise durch Zusam
menfassen von Pixeln verarbeitet werden, bspw. in vier Gruppen
von jeweils 256 einzelnen Pixel-Signalen, wodurch sich eine Art
"Lupeneffekt" erzielen läßt. Auf diese Weise können nämlich nun
bestimmte Bereiche der Oberfläche ausgewählt und mit hoher d.h.
maximaler Auflösung verarbeitet und damit erfaßt werden, wie es
bspw. für die Überprüfung des Stempelaufdruckes erforderlich ist.
Ist eine solche extrem hohe Genauigkeit nicht erforderlich, so
können die 1024 Einzelsignale gruppenweise, bspw. paarweise oder
in Vierer-Gruppen, zusammengefaßt und dadurch mit entsprechend
geringerer Genauigkeit weiterverarbeitet werden.
Die Auflösung in Transportrichtung ist bei allen Geschwindigkeiten
gleich, weil eine starre Kopplung zwischen dem Zeilentakt, nämlich
128 Zeilen, und der Produktionsgeschwindigkeit eingehalten wird;
dadurch wird die auf der Kamera erzeugte Abbildung in Objekttrans
portrichtung immer gleich hell und gleich groß.
Die CCD-Kamera besitzt zwei Video-Ausgangskanäle, wobei die Bild
informationen Bildpunkt für Bildpunkt bzw. Pixel für Pixel ausge
lesen werden. Das Auslesen einer Zeile geschieht seriell, wobei
der Kanal B die Signale der ungeradzahligen Bildpunkte und der
Kanal A die Signale der
geradzahligen Bildpunkte zeitlich versetzt ausschiebt. Auch die
weitere Verarbeitung erfolgt zumindest teilweise zweikanalig mit
einer Frequenz von jeweils 10 MHz, so daß sich eine Verarbeitungs
geschwindigkeit von 2× 10 MHz ergibt; dadurch kann im Vergleich
mit den bisher üblichen Ausführungsformen die Verarbeitungsge
schwindigkeit aus Sicht der Kamera beträchtlich erhöht werden.
Es hat sich als zweckmäßig herausgestellt, wenn in longitudinaler
Richtung Streiflicht auf die Oberfläche des Stabes fällt, da man
aus eventuellen Schatten Vorsprünge und damit Oberflächenfehler
erkennen kann. Durch entsprechende Auslegung der räumlichen Anord
nung der Umlenkspiegel läßt sich dies problemlos erreichen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf die schematischen Zeichnungen
näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Prinzip-Darstellung des mechanischen und optischen
Teils einer Einrichtung zur optischen Überprüfung von
Cigaretten,
Fig. 2 in Form eines Blockschaltbildes eine Ansicht des Ge
samt-Aufbaus dieser Einrichtung,
Fig. 3 einen senkrechten Schnitt durch die Lichtquelle,
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Sensorblocks mit
der CCD-Kamera,
Fig. 5 eine Block-Darstellung der CCD-Kamera mit dem Video-Sig
nalfluß,
Fig. 6 eine Prinzip-Darstellung der Signalaufbereitung,
Fig. 7 eine Prinzip-Darstellung der Signal-Vorverarbeitung
und -Auswertung, und
Fig. 8 ein Funktions-Diagramm des als "HVP II" bezeichneten
Rechners.
Wie man in Fig. 1 erkennt, weist die Einrichtung 10 zur optischen
Überprüfung von Cigaretten eine durch das Bezugszeichen 16 ange
deutete sog. "Linescan-Kamera" auf, die eine zeilenförmig angeord
nete Reihe von lichtempfindlichen Elementen enthält, nämlich "la
dungsgekoppelte Elemente" (CCD), wobei insgesamt 1026 lichtempfind
liche Elemente eine für die weitere Verarbeitung ausreichende
Auflösung liefern.
Vor der Reihe von lichtempfindlichen Elementen befindet sich ein
schematisch angedeutetes Objektiv 110, das die Scharfeinstellung
der Abbildung auf die lichtempfindlichen Elemente ermöglicht.
Die zu überprüfenden Cigaretten 11 werden mittels einer Zuführtrom
mel (nicht dargestellt) auf eine Transporttrommel 14 aufgebracht,
die sich an einer geeigneten Stelle in der Cigaretten-Herstellungs
anlage befindet. Als Transporttrommel 14 kann bspw. eine Prüftrom
mel für die Untersuchung der Luftundurchlässigkeit von Cigaretten
verwendet werden, wie sie bei einigen Cigaretten-Herstellungsma
schinen vorgesehen ist.
Die Transporttromel 14 muß nur die Bedingung erfüllen, daß die
Oberflächen der von hier erfaßten Cigaretten 11 zumindest teilweise
freiliegen und dadurch von einer noch zu erläuternden Lichtquelle
12 beaufschlagt werden können. Bei der oben erwähnten Prüftrom
mel liegen etwa 50% der Oberfläche jeder Cigarette frei, so daß
ein für die statistische Auswertung ausreichender Teil der Ciga
rettenoberfläche abgetastet werden kann.
Die Cigaretten 11 werden von der Trommel 14 in Richtung des Pfeils
mitgenommen, bis sie zu der Stelle gelangen, an der die Oberflä
che der Trommel 14 direkt dem Objektiv der Linescan-Kamera 16
zugewandt ist. An dieser Stelle wird die Trommeloberfläche durch
eine Lichtquelle 12 bestrahlt, deren detaillierter Aufbau aus
Fig. 3 ersichtlich ist.
Das an den Cigaretten 11 reflektierte Licht der Lichtquelle 12
fällt durch das Objektiv 110 der Linescan-Kamera 16 auf die CCD-
Elemente, so daß es in entsprechende elektrische Signale umgewan
delt wird, deren Amplitude von der Intensität des reflektierten
Lichtes abhängt.
Diese analogen Video-Signale werden in einer Verarbeitungselektro
nik 18 verschiedenen, noch zu erläuternden Umwandlungen unterzo
gen, so daß insbesondere mit Fehlern behaftete Cigaretten 11 er
kannt und über eine an der Cigaretten-Herstellungsanlage vorgesehe
ne Ausstoßeinrichtung 28 ausgeworfen werden. Parallel hierzu kön
nen Abbildungen bestimmter, ausgewählter Cigaretten 11 in einen
Bildspeicher 20 gespeichert und auf einem Monitor 22 dargestellt
werden.
Über eine mit einem Display kombinierte Tastatur 24 können Steuer
daten eingegeben werden. Ein Drucker 26 dient als Ausgabeeinheit
und ermöglicht insbesondere die Ausgabe von statistisch relevanten
Daten.
Fig. 2 zeigt die Gesamt-Konfiguration, nämlich eine Lichtquelle
30, die über ein bis zu zwei Meter langes Lichtleitkabel 32 mit
einem Sensorblock 34 verbunden ist, der die Linescan-Kamera 16
sowie eine weitere, noch zu erläuternde Optik enthält. Dieser
Sensorblock 34 ist über ein sieben bis zehn Meter langes Kabel
mit einem Rechner 18 verbunden, der über ein weiteres, sieben
bis zehn Meter langes Kabel an die Lichtquelle 30 angeschlossen
ist. Die Netzzuleitung des Rechners 18 ist aus Fig. 2 ebenfalls
ersichtlich.
Der Rechner 18 ist außerdem an einen Leitrechner für die gesamte
Cigaretten-Herstellungsanlage, an die Cigaretten-Herstellungs
maschine (nicht dargestellt) sowie über ein sieben bis zehn Meter
langes Kabel an die Anzeige 24 angeschlossen, die bestimmte aus
wählbare Daten anzeigt, bei dem in Fig. 2 dargestellten Beispiel
die Körperlänge einer Cigarette.
Diese "Dezentralisierung" der Einrichtung 10 zur Überprüfung der
Oberfläche von Cigaretten, also die Aufteilung der Einrichtung
in mehrere Komponenten, die über elektrische bzw. optische Kabel
miteinander verbunden sind, ermöglicht die flexible Aufstellung
der einzelnen Komponenten an geeigneten Stellen der Cigaretten-Her
stellunganlage.
Die aus Fig. 3 ersichtliche Lichtquelle 30 weist ein als Gußteil
ausgebildetes Gehäuse 36 auf, das einstückig mit einem abgeschlos
senen Innengehäuse 38 ausgebildet ist. Gehäuse 36 und Innengehäuse
38 enthalten eine Durchgangsöffnung, in die eine Fassung 40 für
den Anschluß des Lichtwellenleiterkabels 32 eingesetzt ist.
An der Oberseite des Gehäuses 36 befindet sich ein Lüfter 42 für
das Umwälzen bzw. den Austausch der Luft in dem Spalt zwischen
Innengehäuse 38 und Gehäuse 36.
In dem nach außen abgeschlossenen Innengehäuse 38 ist im Bereich
seines Bodens eine Halterung 44 für eine Kurzbogen-Hochdrucklampe,
bspw. Xenon-Lampe vorgesehen, die in vertikaler Richtung in einem
Ellipsoid-Spiegel 48 angeordnet ist, und zwar in der Weise, daß
sich der Lichterzeugungspunkt der Xenon-Hochdrucklampe 46 in einem
Brennpunkt des Ellipsoid- Spiegels 48 befindet. Wie man in Fig.
3 erkennt, ist sowohl über als auch unter der Xenon-Hochdrucklampe
46 eine Lampenhalterung 44 vorgesehen.
Der Strahlengang des von der Xenon-Hochdrucklampe 46 abgegebenen
Lichtes ist in Fig. 3 durch die Linien 50 angedeutet. Man kann
erkennen, daß das von der Lampe 46 abgegebene Licht an dem Ellip
soid-Spiegel 48 nach oben zu einem Umlenk-Spiegel 52 mit IR-Band
paß-Filter und von diesem zu dem Lichtwellenleiterkabel 32 reflek
tiert wird. Im zweiten Brennpunkt des Ellipsoid-Spiegels 48, der
sich bei dem dargestellten Strahlengang hinter dem Umlenkspiegel
52 befindet, ist eine schwenkbare Strahlunterbrechungsplatte 54
mit einem zugehörigen Antriebsmotor 56 angeordnet. Entweder manuell
ausgelöst oder selbsttätig kann die Strahlenunterbrechungsplatte
54 in den Strahlengang geschwenkt werden, um den Lichtaustritt
aus dem Innengehäuse 38 zu unterbinden und dadurch jede Gefahr
durch das hochkonzentrierte Licht auszuschließen.
Im Strahlengang zwischen dem Umlenkspiegel 52 und dem Lichtwellen
leiter 32 befindet sich ein weiteres IR-Filter 58, so daß die
das Gehäuse 36, 38 verlassenden Lichtstrahlen praktische keine
IR-Strahlen mehr enthalten.
Der plane Umlenkspiegel 52 läßt sich mittels einer Antriebseinrich
tung 60 nach oben bzw. unten verstellen, wie es zur Justierung
des Strahlengangs in Bezug auf das Lichtwellenleiterkabel 32 erfor
derlich werden kann.
Wie man in Fig. 3 erkennt, ist die Halterung 62 für den Ellip
soid-Spiegel 48 auf einem umlaufenden Ring 64 an der Innenfläche
des Innengehäuses 38 befestigt.
Während die Luft in dem Zwischenraum zwischen dem Innengehäuse
38 und dem Gehäuse 36 mittels des Lüfters 42 ständig gegen Umge
bungsluft ausgetauscht und dadurch umgewälzt wird, wodurch die
entstehende Wärme abgeleitet wird, ist, wie erwähnt, das Innenge
häuse 38 nach außen abgeschlossen; in diesem Innengehäuse 38 befin
det sich ein senkrechter Hohlzylinder 66, der sich nach oben an
den Ellipsoid-Spiegel 48 anschließt, so daß sich eine Art "Kamin-
Effekt" ergibt; die durch die Wärmeabgabe der Xenon-Hochdrucklampe
46 erwärmte Luft im Innengehäuse 38 steigt im Innern des Zylinders
36 nach oben und strömt dann in dem Spalt zwischen der Wand des
Innengehäuses 38 und dem Zylinder 66 nach unten, bis sie schließ
lich durch eine Öffnung 68 am unteren Ende des Ellipsoid-Spiegels
48 wieder in den Ellipsoid-Spiegel 48 und dabei an der Xenon-Hoch
drucklampe 46 vorbeiströmt, um diese zu kühlen. Der Primär-Luft
stromweg im Innengehäuse 38, der sich durch diese Kamin-Wirkung
ergibt, wird durch die gestrichelten Pfeile angedeutet.
Diese Lichtquelle 30 kann als selbständige Baueinheit an einer
geeigneten Stelle aufgebaut und über das Lichtwellenleiterkabel
32 mit dem Sensorblock 34 verbunden werden, der so in Bezug auf
die Trommel 14 angeordnet werden muß, daß das von dem Sensorblock
34 abgegebene und an der Oberfläche der Cigarette 11 reflektierte
Licht auf die Linescan-Kamera 16 fällt.
Der Aufbau des Sensorblockes 34, der ebenfalls als selbständige
Einheit ausgebildet ist, läßt sich aus Fig. 4 erkennen. Das Licht
wellenleiterkabel 32 besteht aus einer Vielzahl von feinen Glasfa
sern, die in die beiden, aus Fig. 4 ersichtlichen Licht
wellenleiter 68 und 70 aufgeteilt sind, die oben bzw. unten in
das Gehäuse 72 des Sensorblockes 34 eingeführt werden. Jeder Licht
wellenleiter 68, 70 mündet in einen Querschnittwandler 74, 76,
d.h. die ankommenden Glasfasern der Lichtwellenleiter 68, 70
werden einer solchen Querschnittsveränderung unterworfen, daß
sich eine streifenförmige Lichtaustrittsöffnung ergibt, die sich
im wesentlichen über die Breite des Gehäuses 72 des Sensorblockes
34 erstreckt.
Im Strahlengang des von den streifenförmigen Lichtaustrittsberei
chen der beiden Querschnittswandler 74, 76 ausgehenden Lichtes
befinden sich jeweils hintereinander eine Zylinderlinse 78, 80,
ein Linsenarray bzw. eine Rasterlinse 82, 84, eine weitere Zylin
derlinse 86, 88, ein Umlenkspiegel 90, 92, der das streifenförmige
Strahlenbündel nach unten bzw. nach oben richtet, und eine weitere
Zylinderlinse 94, 96, die das streifenförmige Strahlenbündel von
oben bzw. von unten auf einen streifenförmigen Bereich der Ober
fläche der Cigarette 11 konzentriert.
In Fig. 4 sind außerdem in der vertikalen Mitte zwischen den
beiden Querschnittswandlern 74, 76, also etwa auf der vertikalen
Höhe der Cigarette 11, an den beiden Seiten zwei weitere, aus
dem Kabel 32 abgezweigte Lichtwellenleiter 98, 100 dargestellt,
deren Lichtstrahlen über entsprechende Ecken-Umlenkspiegel 102,
104 von der Seite her auf die Cigarette 11 gerichtet werden und
dadurch in den für die homogene Ausleuchtung immer kritischen
Randbereichen der Cigarette 11 eine gleichmäßige Ausleuchtung
gewährleisten.
Das als Gußteil gefertigte Gehäuse 72 des Sensorblocks 34 dient
als optische Bank für die Justierung einzelner Komponenten. Das
an der Cigarette 11 reflektierte Licht gelangt über ein Farbfilter
106, das mittels einer Halterung 108 auswechselbar in dem Gehäuse
72 befestigt ist, zu dem Objektiv 110 der Linescan-Kamera 16.
Das Farbfilter 106 ist austauschbar in dem Gehäuse 72 befestigt,
so daß die Filterwirkung an den jeweiligen Cigarettentyp angepaßt
werden kann.
Wie in Fig. 5 angedeutet ist, besteht die Linescan-Kamera 16
aus einem einzigen Chip mit hier bspw. 1024 CCD-Elementen, dem
erforderlichen Vorverstärker und der Ansteuerungselektronik. Die
CCD-Linescan-Kamera besitzt zwei Video-Ausgangskanäle A und B,
wobei die analogen Bildsignale Bildpunkt für Bildpunkt ausgelesen
werden. Das Auslesen der Bildpunkte einer Zeile geschieht seriell,
wobei die Signale für die ungeradzahligen (odd) Bildpunkte auf
dem Kanal B und die Signale für die geradzahligen (even) Bildpunkte
auf dem Kanal A zeitlich versetzt ausgeschoben werden. Zur Steue
rung dieses Vorganges sind die drei aus Fig. 5 ersichtlichen
Kamera-Ansteuersignale erforderlich, nämlich ein Schiebetakt,
ein Übernahmetakt und ein Beleuchtungstakt. Diese Steuersignale
garantieren den funktionsgerechten Ablauf für die Erzeugung der
analogen Videosignale auf den beiden Kanälen A und B.
Die Videosignale auf den beiden Kanälen A und B werden über Impe
danzwandler 110, 112 dem Kabel 35 zugeführt, das an den Rechner
18 angeschlossen ist.
In dem Rechner 18 werden die analogen Videosignale auf den beiden
Kanälen A, B über Ausgangsverstärker und (Koax-)Kabeltreiber,
die in Fig. 5 schematisch angedeutet sind, einem Analog/ Digital-
Wandler ADC zugeführt, der aus den analogen Videosignalen entspre
chende digitale Videosignale bildet.
Die beiden Analog/Digital-Wandler ADC besitzen Einrichtungen zum
Nullwertabgleich und zur Signalnormierung, wie sie auf diesem
Gebiete üblich sind.
Wie man aus Fig. 6 erkennt, in der das Grundprinzip der Signal
aufbereitung dargestellt ist, schließen sich an die Analog/Digi
tal-Wandler ADC Zwischenspeicher an, die nach dem "FIFO"-Prinzip
arbeiten und durch "FIFO" gekennzeichnet sind. Die digitalen Video
signale aus den Zwischenspeichern "FIFO" werden in einem Mit
telwertbildner AVER ("Averager") zusammengeführt und dann auf
die Signalverarbeitung gegeben. Eine Synchronisationseinheit SYNC
und ein Zeitgeber TIMER der Signalaufbereitung sowie die Analog/Di
gital-Wandler ADC und die Zwischenspeicher FIFO werden über einen
S4-Steuerbus konfiguriert bzw. gesteuert. Die Synchronisations
einheit SYNC, die als Sync-Board ausgebildet sein kann, übernimmt
die Aufgabe der Steuerung nach außen, also im wesentlichen für
die Linescan-Kamera 16 und das Maschinen-Interface, während der
Zeitgeber TIMER, der als Timer-Board ausgebildet sein kann, den
zeitlichen Ablauf und die Synchronisation nach innen übernimmt,
also im wesentlichen für den S4-Steuerbus, den VME-Bus und die
Zentraleinheit CPU.
Ein weiterer, an die Zwischenspeicher FIFO und den Mittelwertbild
ner AVER angeschlossener Bus VIDEO BUS dient dazu, das digitale
Video-Signal auf der Vorverarbeitungsstrecke abzunehmen und einem
Service-Rechner zuzuführen.
Wie bereits oben erwähnt wurde, wird im Mittelwertbildner AVER
der Signalstrom von den beiden Kanälen A, B, nämlich von den bei
den Zwischenspeichern FIFO, zusammengeführt und über den S4-Steuer
bus konfiguriert in geeigneter Weise der nachgeschalteten Signal
vorverarbeitung zur Verfügung gestellt. Der S4-Steuerbus wird
über das S4-Interface vom VME-Bus aus bedient, wie man aus Fig.
6 erkennt.
Der weitere Signalfluß, nämlich die Signal-Vorverarbeitung und
-Auswertung ist aus Fig. 7 ersichtlich; die digitalen Videosigna
le von dem Mittelwertbildner AVER werden der Signal-Vorverarbeitung
zugeführt, die aus einem ersten Rechner HVP I, einem zweiten Rech
ner HVP II, einem weiteren Zwischenspeicher FIFO und einem Spe
zial-Prozessor besteht, die jeweils über den S4-Steuerbus ange
steuert werden.
Die Funktion des ersten Rechners HVP I wird in der DE-PS 30 30
140 erläutert.
Die Signalauswertung erfolgt über die Zentraleinheit CPU, eine
serielle Input-Output-Schnittstellenkarte SIO und das Maschinen-
Interface, die im "Verbund" die wesentliche Ergebnisse liefern,
nämlich
Statistikprotokolle
Warnung/Alarm
Auswurf
Maschinen Stop
Warnung/Alarm
Auswurf
Maschinen Stop
Hierbei übernimmt der zweite Rechner HVP II die Summation von
Linien in horizontaler und vertikaler Richtung, wobei die Bildung
von Bereich, Ort und Algorithmus in dem Rechner HVP II vom Spe
zielprozessor aus generiert wird.
Die serielle Input-Output-Schnittstellenkarte SIO bedient die
"Peripherie", wie bspw. das Anzeigenpanel 24, den µ-Terminal,
den Leitrechner und die Service-Kommunikation.
Das Grundprinzip der Signal-Vorverarbeitung und -Auswertung wird
bereits in der DE-PS 30 30 140 beschrieben, so daß zur Vermeidung
von Wiederholungen auf die dortigen Ausführungen, nämlich insbe
sondere die zweidimensionale Signalverarbeitung mit Hilfe von
zweidimensionalen Integratoren, verwiesen werden darf.
Das Auslesen der analogen Videosignale aus den CCD-Elementen der
Linescan-Kamera 16 erfolgt unter Steuerung des Produktionstaktes,
wodurch eine konstante Belichtungszeit erreicht wird; das Auslesen
der Ladungen der einzelnen Bildpunkte aus den einzelnen CCD-Elemen
ten erfolgt in einem festen Zeitraster, d.h. der Auslesezeitraum
für jeden Bildpunkt ist konstant, während die Restzeit bis zur
nächsten Zeilenauslesung variabel ist, nämlich abhängig von der
jeweiligen Produktionsgeschwindigkeit.
Dadurch lassen sich auch bei einer Änderung der Produktionsge
schwindigkeit die Durchmesser der einzelnen Cigretten 11 mit hoher
Genauigkeit erkennen.
Der zweite Rechner HVP II dient zur Bildauswertung in Echtzeit (Fig. 8).
Dabei werden Byte-orientierte Daten mit einer Datenrate von
10 MHz verarbeitet, wobei die Art der Verarbeitung/Funktion in
einem Mikroprogramm (MP) festgelegt und die Abfolge der Funktionen
im Mikroprogramm-Sequenzer dynamisch gesteuert werden. Dadurch
wird auch ein zyklischer, bildsynchroner Betrieb ohne Host-Interak
tion möglich.
Folgende Funktionen sind implementiert und können simultan ausge
führt werden:
Aufnahme eines Bildes vom Daten-Eingang "S3 Input"
Aufnahme eines Bildes in den Bildspeicher, alternativ zu den genannten Aufnahmen, die Ausgabe aus dem Bildspeicher für die Verarbeitung
Summation über Elemente einer Zeile
Summation über Elemente mehrerer Spalten, wenn die Elemente in einer Zeile angeordnet sind
Ausgabe eines Bildes zum Ausgang "S3-Output"
Ausgabe der Spalten-/Zeilen-Summen zum Ausgang "S3-Output"
Ausgabe von Steuercodes des Mikroprogramms MP zum Ausgang "S3-Output"
Aufnahme eines Bildes in den Bildspeicher, alternativ zu den genannten Aufnahmen, die Ausgabe aus dem Bildspeicher für die Verarbeitung
Summation über Elemente einer Zeile
Summation über Elemente mehrerer Spalten, wenn die Elemente in einer Zeile angeordnet sind
Ausgabe eines Bildes zum Ausgang "S3-Output"
Ausgabe der Spalten-/Zeilen-Summen zum Ausgang "S3-Output"
Ausgabe von Steuercodes des Mikroprogramms MP zum Ausgang "S3-Output"
Abgesetzt von der Verarbeitung erfolgt die Parametrierung und
der Funktionstest über das S4-Bus-Interface. Die Parametrierung
umfaßt
die Anwahl eines Mikroprogramms
die Bestimmung der MP-Sequenzenbetriebsart
Laden der Zeilenkontrollspeicher
Auswahl eines dieser Zeilenkontrollspeicher
Laden des Parameter-Speichers
die Bestimmung der MP-Sequenzenbetriebsart
Laden der Zeilenkontrollspeicher
Auswahl eines dieser Zeilenkontrollspeicher
Laden des Parameter-Speichers
Die Inhalte der Zeichenkontrollspeicher und des Parameterspeichers
bestimmen voneinander unabhängige Bildteile, über die die oben
genannte Verarbeitungsfunktionen ausgeführt werden.
So bestimmt ein Satz von insgesamt nur vier Werten, nämlich der
Startpunkt in X-Richtung, die Länge in X-Richtung, der Startpunkt
in Y-Richtung und die Länge in Y-Richtung aus dem Parameterspeicher
eines von mehreren "Fenstern", nämlich rechteckigen Bildausschnit
ten aus der Gesamtdarstellung. Dieses Fenster wirkt nun auf die
Bildaufnahme in den Speicher, so daß nur ein Teil des angebotenen
Bildes übernommen wird, oder auf die Ausgabe, so daß nur ein Teil
des Bildspeichers ausgelesen wird, oder auf die Summationen.
Überlagert wird diese Steuerung von den Steuersignalen des Zeilen
kontrollspeichers, die für jeden einzelnen Bildpunkt festlegen,
ob er zur Summe beiträgt, und zwar jeweils unterschieden nach
Zeilen- und Spalten-Summation.
Die typische Anwendung des Rechners HVP II ist so ausgelegt, daß
ein Bild in den Bildspeicher geschrieben und gleichzeitig ausge
wertet wird, und zwar in Abhängigkeit von den jeweiligen Parame
tern. In der Pause bis zum Beginn des nächsten Bildes erfolgt
die Ausgabe der ermittelten Summen und die Auswertung weiterer,
kleinerer Fenster.
Auf diese Weise läßt sich eine Art "Lupeneffekt" erzielen, indem
nicht alle 1024 analogen bzw. digitalen Bildsignale, die den ein
zelnen Bildpunkten zugeordnet sind, verarbeitet, sondern diese
digitalen Bildsignale zu Gruppen zusammengefaßt werden, bspw.
zu vier Gruppen von jeweils 256 digitalen Bildsignalen. Aus diesen
Gruppen lassen sich bestimmte Bereiche auswählen und mit erhöhter
Auflösung darstellen, so daß man bspw. den Filter oder aber den
Stempelaufdruck sehr exakt überprüfen kann.
Die Auflösung in Transportrichtung ist bei allen Geschwindigkeiten
gleich, weil eine starre Kopplung zwischen dem Zeilentakt, bspw.
128 Zeilen, und der Produktionsgeschwindigkeit vorliegt; d.h.
also, daß alle Bilder und auch alle "Fenster" immer gleich hell
und gleich groß sind.
Claims (17)
1. Einrichtung zur optischen Überprüfung der Oberfläche von stab
förmigen Rauchartikeln und/oder Filterstäben für die Tabakindu
strie
- a) mit einer die Stäbe senkrecht zu ihrer Längsrichtung transpor tierenden Fördereinrichtung,
- b) mit einer Lichtquelle für die Bestrahlung der Oberfläche eines in der Prüflage befindlichen Stabes,
- c) mit einer Reihe von photoelektrischen Wandlern, die gleichzei tig einen zeilenförmigen Oberflächenbereich in Längsrichtung des Stabes abtasten, und
- d) mit einer durch den Produktionstakt gesteuerten Anordnung für die durch Vergleichsbildung erfolgende Feststellung von Ober flächen-Fehlern aus den vom Reflexionsvermögen des zeilenförmi gen Bereiches der Oberfläche abhängenden Ausgangssignalen der photoelektrischen Wandler,
gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:
- e) die eine einzige Hochdrucklampe (46) aufweisende Lichtquelle
(12, 30) ist über ein Lichtleitkabel (32) mit einem Sensorblock
(34) verbunden, der
- e1) ein weiteres optisches System, das die aus dem Lichtleit kabel (32) austretenden Lichtstrahlen auf den zeilenförmi gen Bereich der Oberfläche des Stabes (11) richtet, sowie
- e2) die Reihe von photoelektrischen Wandlern (16) enthält; und
- f) das Lichtleitkabel (32) ist auf mindestens zwei Querschnitts wandler (74, 76) mit streifenförmigen Lichtaustrittsbereichen aufgeteilt, deren Lichtstrahlen von oben bzw. unten auf den zeilenförmigen Bereich der Oberfläche des Stabes (11) gerichtet werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
Hochdrucklampe (46) im ersten Brennpunkt eines Ellipsoid-Spiegels
(48) angeordnet ist, der das abgegebene Licht über einen Umlenk
spiegel (52) auf den Eingang des Lichtleitkabels (32) richtet.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der
Umlenkspiegel (52) als Kaltlichtspiegel mit spektraler Bandpaßcha
rakteristik für IR-Strahlung ausgebildet ist.
4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekenn
zeichnet, daß in der Nähe des zweiten Brennpunktes des Ellipsoid-
Spiegels (48) eine in den Strahlengang schwenkbare Strahlunterbre
chungsplatte (54) angeordnet ist.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekenn
zeichnet, daß zwischen dem Umlenkspiegel (52) und dem Lichtleit
kabel (32) ein IR-Filter (58) vorgesehen ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Lichtquelle (12, 30) ein durch ein als optische
Bank dienendes, einstückiges Gußteil gebildetes äußeres Gehäuse
(36) und ein abgeschlossenes inneres Gehäuse (38) aufweist, und
daß ein Lüfter (42) zum Austausch der Luft zwischen der Umgebung
(36) und dem äußeren Gehäuse (36) vorgesehen ist.
7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in
dem inneren Gehäuse (38) ein als "Kamin" dienender, sich an den
Ellipsoid-Spiegel (48) anschließender Hohlzylinder (66) zur Ausbil
dung eines Primär-Gaskreislaufes in dem inneren Gehäuse (38) vorge
sehen ist.
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn
zeichnet, daß die aus den beiden Querschnittswandlern (74, 76)
austretenden Lichtstrahlen jeweils über eine erste Zylinderlinse
(78, 80), ein Linsen-Array (82, 84), eine zweite Zylinderlinse
(86, 88), einen Umlenkspiegel (90, 92) und über eine dritte Zy
linderlinse (94, 96) auf den zeilenförmigen Bereich der Oberfläche
des Stabes (11) gerichtet werden.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn
zeichnet, daß in den Sensorblock (34) zumindest zwei weitere Licht
faserbündel (98, 100) des Lichtleitkabels (32) münden, deren Licht
strahlen über Ecken-Umlenkspiegel (102, 104) auf die seitlichen
Randbereiche der zeilenförmigen Oberfläche des Stabes (11) gerich
tet werden.
10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn
zeichnet, daß in dem Sensorblock (34) nahe bei dem Stab (11) ein
auswechselbares Farbfilter (106) angeordnet ist.
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Gehäuse (72) des Sensorblockes (34) als optische
Bank für die Justierung der optischen Komponenten ausgebildet
ist.
12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, daß die analogen Ausgangssignale der photoelektrischen
Wandler seriell, getrennt nach geradzahligen bzw. ungeradzahligen
Bildpunkten, auf zwei Kanälen ausgelesen, einer Analog/Digital-
Wandlung unterworfen, zwischengespeichert und dann unter Bildung
eines Mittelwertes zusammengeführt werden.
13. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, daß die analogen Videosignale aus den photoelektrischen
Wandlern unter Steuerung des Produktionstaktes zeilenweise ausgele
sen werden.
14. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekenn
zeichnet, daß die photoelektrischen Wandler als ladungsgekoppel
te Elemente (CCD) einer Linescan-Kamera (16) ausgebildet sind.
15. Einrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Auslesen der Ladungen der einzelnen Bildpunkte aus den einzel
nen CCD-Elementen in einem festen Zeitraster mit konstanter Belich
tungszeit erfolgt, während die Restzeit von der jeweiligen Produk
tionsgeschwindigkeit bzw. Produktionstaktfolge abhängig ist.
16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Ausgangssignale der photoelektrischen Wandler
mit Hilfe von Zwischenspeicherstufen gruppenweise verarbeitbar
sind.
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