ITTO20001218A1 - APPARATUS FOR DETECTING DEFECTS ON THE SURFACE OF A WIRE. - Google Patents
APPARATUS FOR DETECTING DEFECTS ON THE SURFACE OF A WIRE. Download PDFInfo
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Description
DESCRIZIONE dell'invenzione industriale dal titolo: "Apparecchiatura per rilevare difetti sulla superficie di un filo" DESCRIPTION of the industrial invention entitled: "Apparatus for detecting defects on the surface of a wire"
DESCRIZIONE DESCRIPTION
La presente invenzione si riferisce ad un'apparecchiatura per rilevare difetti sulla superficie di un corpo filiforme, in particolare un filo smaltato, del tipo definito nel preambolo della rivendicazione 1. The present invention relates to an apparatus for detecting defects on the surface of a filiform body, in particular an enameled wire, of the type defined in the preamble of claim 1.
Un'apparecchiatura di questo tipo è nota, ad esempio, da SU-A-1379617. Tale apparecchiatura rileva irregolarità della superficie di un filo in movimento, facendo incidere sulla superficie del filo un raggio laser. L'apparecchiatura misura l'intensità e la distribuzione spaziale della luce riflessa dalla superficie del filo mediante una pluralità di fotosensori disposti su una superficie di raccolta. An apparatus of this type is known, for example, from SU-A-1379617. This equipment detects irregularities in the surface of a moving wire, causing a laser beam to engrave on the surface of the wire. The apparatus measures the intensity and spatial distribution of the light reflected from the surface of the wire by means of a plurality of photosensors arranged on a collecting surface.
Lo scopo della presente invenzione è di realizzare un'apparecchiatura del tipo sopra identificato, avente dimensioni compatte e capace di svolgere allo stesso tempo un rilevamento efficace su un arco di circonferenza di notevole estensione della superficie esterna del filo. The object of the present invention is to realize an apparatus of the type identified above, having compact dimensions and capable of performing at the same time an effective detection on a circumferential arc of considerable extension of the external surface of the wire.
Un altro scopo dell'invenzione è di realizzare un'apparecchiatura in grado di svolgere un rilevamento efficace utilizzando un numero ridotto di fotorilevatori, e che comporti quindi costi di produzione e di manutenzione contenuti, nonché una maggiore rapidità nell'elaborazione dei dati rilevati e resi disponibili dall'apparecchiatura. Another object of the invention is to realize an apparatus capable of carrying out an effective detection using a reduced number of photodetectors, and which therefore entails low production and maintenance costs, as well as greater speed in processing the detected and returned data. available from the equipment.
Questi ed altri scopi e vantaggi, che saranno compresi meglio in seguito, sono raggiunti, secondo la presente invenzione, da un'apparecchiatura avente le caratteristiche definite nelle rivendicazioni annesse. These and other objects and advantages, which will be better understood hereinafter, are achieved, according to the present invention, by an apparatus having the characteristics defined in the appended claims.
Verrà ora descritta una forma di realizzazione preferita ma non limitativa dell'apparecchiatura secondo la presente invenzione, facendo riferimento ai disegni allegati, in cui: A preferred but non-limiting embodiment of the apparatus according to the present invention will now be described, with reference to the attached drawings, in which:
la figura 1 è una vista schematica di un dispositivo ottico per emettere, collimare e focalizzare una radiazione luminosa emessa da una sorgente laser incidente sulla superficie esterna di un filo da ispezionare; figure 1 is a schematic view of an optical device for emitting, collimating and focusing a light radiation emitted by a laser source incident on the external surface of a wire to be inspected;
la figura 2 è una vista schematica in sezione secondo la linea II-II della figura l; Figure 2 is a schematic sectional view along the line II-II of Figure 1;
la figura 3 è una vista laterale schematica della disposizione dei fotosensori atti a rilevare la radiazione riflessa dal filo; Figure 3 is a schematic side view of the arrangement of the photosensors suitable for detecting the radiation reflected by the wire;
la figura 4 è una vista schematica in sezione secondo la linea IV-IV della figura 3; Figure 4 is a schematic sectional view along the line IV-IV of Figure 3;
la figura 5 è una vista schematica dell'andamento della radiazione riflessa da un filo con superficie regolare; Figure 5 is a schematic view of the pattern of the radiation reflected by a wire with a regular surface;
la figura 6 è una vista schematica dell'andamento della radiazione riflessa da un filo con superficie irregolare; e Figure 6 is a schematic view of the pattern of the radiation reflected by a wire with an irregular surface; And
la figura 7 è uno schema a blocchi di un'unità per l'elaborazione dei segnali resi disponibili dai fotosensori delle figure 3 e 4. Figure 7 is a block diagram of a unit for processing the signals made available by the photosensors of Figures 3 and 4.
Facendo inizialmente riferimento alle figure 1 e 2, con il numero 6 è indicato un corpo essenzialmente filiforme, illustrato in scala ingrandita, avente una superficie esterna cilindrica 6a che va ispezionata per rilevarne eventuali difetti. Il corpo 6, che avanza nella direzione indicata dalla freccia A in figura l, è, nell'esempio illustrato, un filo smaltato. Naturalmente, il riferimento a questo possibile campo di applicazione dell'invenzione non deve essere in alcun modo interpretato come limitativo della portata del brevetto. Referring initially to Figures 1 and 2, the number 6 indicates an essentially filiform body, illustrated on an enlarged scale, having a cylindrical outer surface 6a which must be inspected to detect any defects. The body 6, which advances in the direction indicated by the arrow A in figure 1, is, in the illustrated example, an enameled wire. Naturally, the reference to this possible field of application of the invention must in no way be interpreted as limiting the scope of the patent.
Una sorgente laser 1, ad esempio un diodo laser, emette una radiazione laser 5 che viene fatta passare attraverso un collimatore 2, 3 ed una lente cilindrica 4 così da essere collimata e focalizzata su un arco di circonferenza della superficie esterna cilindrica 6a del filo 6. Nell'esempio qui illustrato, il fascio della radiazione incidente 5 ha un'ampiezza tale da abbracciare tutto il filo 6, interessando quindi la semicirconferenza superiore della sezione del filo illustrato nella figura 2. A laser source 1, for example a laser diode, emits a laser radiation 5 which is passed through a collimator 2, 3 and a cylindrical lens 4 so as to be collimated and focused on an arc of circumference of the cylindrical outer surface 6a of the wire 6 In the example illustrated here, the beam of the incident radiation 5 has such an amplitude as to embrace the entire wire 6, thus affecting the upper half-circumference of the wire section illustrated in Figure 2.
Il raggio laser 5 è focalizzato dalla lente 4 in modo che il filo 6 passi ortogonalmente per il piano focale della lente 4. The laser beam 5 is focused by the lens 4 so that the wire 6 passes orthogonally through the focal plane of the lens 4.
Come illustrato schematicamente nelle figure 3 e 4, l'apparecchiatura comprende un'unità di rilevamento comprensiva di una pluralità di fotorilevatori 7, preferibilmente fotodiodi, disposti angolarmente equidistanziati in un piano trasversale e ortogonale alla direzione di avanzamento A del filo 6. La radiazione incidente 5 giace nello stesso piano in cui sono disposti i fotorilevatori 7. In tutta la presente descrizione e nelle rivendicazioni, il termine "longitudinale" indica una direzione parallela alla direzione di avanzamento A del filo, e il termine "trasversale" viene usato per indicare una direzione perpendicolare al piano della figura 1. As shown schematically in Figures 3 and 4, the apparatus comprises a detection unit including a plurality of photodetectors 7, preferably photodiodes, arranged angularly equidistant in a transverse plane and orthogonal to the direction of advancement A of the wire 6. The incident radiation 5 lies in the same plane in which the photodetectors 7 are arranged. Throughout the present description and in the claims, the term "longitudinal" indicates a direction parallel to the direction of feed A of the wire, and the term "transverse" is used to indicate a direction perpendicular to the plane of figure 1.
Ancora con riferimento alla figura 4, nell'esempio illustrato sono previsti dieci fotorilevatori, disposti su ambo i lati rispetto alla direzione della radiazione incidente 5. I fotorilevatori, disposti in questo modo, consentono di captare esclusivamente le radiazioni riflesse dall'arco di superficie superiore della sezione del filo, restando contenuti in un involucro schematicamente indicato con 21, di ingombro ridotto. Nella forma di realizzazione preferita illustrata nei disegni, il fascio di luce laser 5 incidente ha una larghezza, misurata in direzione trasversale, di circa tre volte la misura del diametro del filo, mentre la dimensione longitudinale o spessore di tale radiazione è di circa 0,1 mm o meno. Again with reference to figure 4, in the illustrated example ten photodetectors are provided, arranged on both sides with respect to the direction of the incident radiation 5. The photodetectors, arranged in this way, allow to capture only the radiations reflected from the upper surface arc. of the wire section, remaining contained in a casing schematically indicated with 21, of reduced bulk. In the preferred embodiment illustrated in the drawings, the incident laser light beam 5 has a width, measured in the transverse direction, of about three times the measure of the wire diameter, while the longitudinal dimension or thickness of this radiation is about 0, 1 mm or less.
Facendo riferimento ancora alla figura 3, i fotorilevatori 7, che in questo esempio si estendono secondo direzioni parallele e coassiali alla direzione di avanzamento A del filo 6, sono schermati per mezzo di un filtro spaziale 8 che consente il solo rilevamento delle radiazioni 9 riflesse dal filo nel piano ortogonale alla sua direzione di avanzamento. Nell'esempio illustrato, tale filtro spaziale è realizzato da una semplice striscia opaca 8 con una stretta fenditura 8a formata nel piano ortogonale al filo 6 e in cui giace anche la radiazione incidente 5. Referring again to Figure 3, the photodetectors 7, which in this example extend in directions parallel and coaxial to the direction of advancement A of the wire 6, are shielded by means of a spatial filter 8 which allows only the detection of the radiations 9 reflected by the wire in the plane orthogonal to its feed direction. In the illustrated example, this spatial filter is made from a simple opaque strip 8 with a narrow slit 8a formed in the plane orthogonal to the wire 6 and in which the incident radiation 5 also lies.
Il funzionamento dell'apparecchiatura secondo la presente invenzione è il seguente. The operation of the apparatus according to the present invention is as follows.
Il filo da ispezionare 6 si muove avanzando lungo la direzione di avanzamento A. La superficie esterna 6a del filo può essere considerata speculare e riflettente, soprattutto nel caso in cui il filo sia smaltato. Il filo 6 passa sotto la radiazione incidente 5, sull'asse focale della lente 4, nel centro dell'unità di rilevamento, come illustrato in figura 4. The wire to be inspected 6 moves by advancing along the feed direction A. The outer surface 6a of the wire can be considered specular and reflective, especially in the case in which the wire is enameled. The wire 6 passes under the incident radiation 5, on the focal axis of the lens 4, in the center of the detection unit, as illustrated in figure 4.
In condizioni di superficie 6a regolare, come illustrato in figura 5, i raggi di luce riflessa si distribuiscono nel piano perpendicolare alla direzione di avanzamento del filo in cui giace l'asse focale del fascio di luce laser incidente. In tali condizioni, i fotorilevatori 7 rilevano una radiazione riflessa di intensità massima. Under regular surface conditions 6a, as illustrated in Figure 5, the reflected light rays are distributed in the plane perpendicular to the direction of advancement of the wire in which the focal axis of the incident laser light beam lies. Under these conditions, the photodetectors 7 detect a reflected radiation of maximum intensity.
Con riferimento alla figura 6, quando sulla superficie 6a del filo è presente un difetto superficiale 6b, la radiazione riflessa viene in parte o totalmente dispersa a caso in tutte le direzioni spaziali. La differenza tra l'intensità di luce irradiata lungo il piano di riflessione normale, e quella dispersa nelle altre direzioni, costituisce il principio su cui si basa il rilevamento del difetto 6b. Poiché i fotorilevatori 7 rendono disponibile un segnale elettrico proporzionale all'intensità della luce riflessa captata dalla loro parte scoperta dalla fenditura 8a del filtro spaziale 8, tale segnale può essere opportunamente elaborato ed amplificato da unità elettroniche 10 indipendenti per ogni singolo rilevatore, al fine di fornire informazioni sulla qualità del filo. With reference to Figure 6, when a surface defect 6b is present on the surface 6a of the wire, the reflected radiation is partially or totally scattered randomly in all spatial directions. The difference between the intensity of light radiated along the normal reflection plane, and that scattered in the other directions, constitutes the principle on which the detection of the defect 6b is based. Since the photodetectors 7 make available an electrical signal proportional to the intensity of the reflected light captured by their part uncovered by the slit 8a of the spatial filter 8, this signal can be suitably processed and amplified by electronic units 10 independent for each individual detector, in order to provide information on the quality of the thread.
Facendo riferimento allo schema a blocchi della figura 7, un fotodiodo 7 è collegato all'ingresso di un amplificatore di segnale 10 che presenta la propria uscita accoppiata ad un primo ingresso di un comparatore 14 e ad imo stadio di integrazione 11. Lo stadio di integrazione 11 comprende, nella presente forma di realizzazione, un filtro passa basso collegato in uscita ad un primo ingresso di un microprocessore 15 ed a uno stadio divisore 12. Un nodo di somma 13 è disposto a valle dello stadio divisore 12 e presenta un secondo ingresso collegato con un'uscita del microprocessore 15 per ricevere un segnale di offset, indicato con V.. Il comparatore 14 è disposto a valle del nodo di somma 13 e riceve ad un proprio secondo ingresso un segnale Vr detto di riferimento uscente dal nodo di somma. L'uscita del comparatore 14 è collegata in ingresso al microprocessore 15 e quest'ultimo è predisposto per essere collegato ad uno stadio 20 per la misurazione della velocità del filo 6. Inoltre, tale microprocessore può essere accoppiato ad un calcolatore 18 esterno all'apparecchiatura. Il circuito sopra descritto lavora nel modo seguente. Il segnale emesso dal fotodiodo 7 viene inviato all'amplificatore 10, il quale fornisce in ingresso allo stadio di integrazione 11 ed al comparatore 14 un segnale amplificato Va. Lo stadio di integrazione Il effettua una media temporale del segnale entrante ed invia il segnale mediato allo stadio divisore 12, che lo divide per un determinato fattore di scala, ed al microprocessore 15, che lo utilizza come segnale per il controllo a retroazione dell'apparecchiatura. Il segnale mediato e scalato in uscita dallo stadio divisore 12 è inviato al nodo di somma 13 che provvede a sommarlo con il segnale di offset V, proveniente dal microprocessore 15; in uscita dal nodo di somma 13, il segnale di riferimento Vr è trasmesso al secondo ingresso del comparatore 14 ed è confrontato con il segnale Va prelevato a monte dello stadio integratore 11. With reference to the block diagram of Figure 7, a photodiode 7 is connected to the input of a signal amplifier 10 which has its output coupled to a first input of a comparator 14 and to an integration stage 11. The integration stage 11 comprises, in the present embodiment, a low pass filter connected at the output to a first input of a microprocessor 15 and to a divider stage 12. A summing node 13 is arranged downstream of the divider stage 12 and has a second connected input with an output of the microprocessor 15 for receiving an offset signal, indicated by V .. The comparator 14 is arranged downstream of the summing node 13 and receives at its second input a signal Vr called reference outgoing from the summing node. The output of the comparator 14 is connected to the input of the microprocessor 15 and the latter is arranged to be connected to a stage 20 for measuring the speed of the wire 6. Furthermore, this microprocessor can be coupled to a computer 18 external to the apparatus. . The circuit described above works in the following way. The signal emitted by the photodiode 7 is sent to the amplifier 10, which supplies an amplified signal Va as an input to the integration stage 11 and to the comparator 14. The integration stage II carries out a temporal average of the incoming signal and sends the averaged signal to the divider stage 12, which divides it by a determined scale factor, and to the microprocessor 15, which uses it as a signal for the feedback control of the apparatus. . The mediated and scaled output signal from the divider stage 12 is sent to the summing node 13 which adds it to the offset signal V, coming from the microprocessor 15; at the output of the sum node 13, the reference signal Vr is transmitted to the second input of the comparator 14 and is compared with the signal Va taken upstream of the integrator stage 11.
Quando il segnale Va è inferiore a Vr, il comparatore 14 emette un segnale d'errore verso il microprocessore, il quale trasmette questa informazione al calcolatore 18. Tale informazione comprende sia l'indicazione del numero di difetti rilevati per unità di tempo e per lunghezza del filo, e sia la misura dell'estensione longitudinale dei difetti rilevati, dal momento che il microprocessore 15 invia al calcolatore 18 anche l'informazione sulla velocità del filo che proviene dallo stadio 20. When the signal Va is lower than Vr, the comparator 14 emits an error signal towards the microprocessor, which transmits this information to the computer 18. This information includes both the indication of the number of defects detected per unit of time and per length of the yarn, and is the measure of the longitudinal extension of the detected defects, since the microprocessor 15 also sends to the computer 18 the information on the speed of the yarn coming from the stage 20.
In altre parole, l'unità di elaborazione provvede a calcolare elettronicamente la media del segnale rilevato, e a considerare questo segnale medio come un segnale di riferimento, indicativo del fatto che il filo ha una superficie uniforme; il segnale di riferimento viene parzializzato (ad esempio diviso per due) per evitare falsi conteggi dovuti alla normale presenza di rumore di fondo, e l'addizione del segnale di offset fisso, positivo o negativo, fino ad ottenere la sensibilità desiderata. Il segnale attuale istantaneo non-elaborato viene confrontato, tramite il comparatore 14, con il segnale elaborato medio di riferimento, in modo da poter individuare, sul primo, una rapida variazione in negativo della luce riflessa rilevata, e ad interpretare questa variazione come un difetto. In other words, the processing unit electronically calculates the average of the detected signal, and considers this average signal as a reference signal, indicative of the fact that the wire has a uniform surface; the reference signal is partialized (for example divided by two) to avoid false counts due to the normal presence of background noise, and the addition of the fixed offset signal, positive or negative, until the desired sensitivity is obtained. The instantaneous instantaneous unprocessed signal is compared, by means of the comparator 14, with the average processed reference signal, so as to be able to identify, on the first, a rapid negative variation of the detected reflected light, and to interpret this variation as a defect. .
Il controllo a microprocessore 15 serve anche per poter variare, su comando, la sensibilità dello strumento, intervenendo sul segnale elaborato medio di riferimento. Ciò consente di poter tenere conto solo degli eventi più significativi, trascurando i difetti di entità minore, e di selezionare i difetti secondo la loro lunghezza, di verificare se il livello del segnale captato è sufficiente e, in caso contrario, emettere un segnale di allarme di "ottiche sporche" o di "filo fuori campo visivo" (auto-test), oltre a provvedere al trasferimento dei dati rilevati tramite una linea di comunicazione con l'elaboratore esterno 18 che sovrintende al funzionamento dell'apparecchiatura di rilevamento. Convenientemente l'elaboratore 18 può essere utilizzato anche per monitorare i mezzi di movimentazione (non illustrati) che producono 1'avanzamento del filo 6. È possibile, tramite due carrucole di guida, una a monte e una a valle dell'apparecchiatura della presente invenzione, indirizzare il filo nella giusta posizione di misura senza sottoporre il filo a tensioni meccaniche apprezzabili, né costringere il filo ad incurvarsi nel suo percorso secondo raggi di curvatura ridotti. Questo accorgimento serve, oltre a mantenere il filo in posizione ortogonale al raggio laser incidente nel suo punto di focalizzazione, ad evitare o perlomeno ridurre oscillazioni del filo. The microprocessor control 15 also serves to be able to vary, upon command, the sensitivity of the instrument, by acting on the average processed reference signal. This allows to take into account only the most significant events, neglecting minor defects, and to select the defects according to their length, to check if the level of the signal captured is sufficient and, if not, to emit an alarm signal. of "dirty optics" or "wire out of visual field" (self-test), in addition to providing for the transfer of the detected data through a communication line with the external processor 18 which supervises the operation of the detection apparatus. Conveniently, the processor 18 can also be used to monitor the handling means (not shown) which produce the advancement of the wire 6. It is possible, by means of two guide pulleys, one upstream and one downstream of the apparatus of the present invention , directing the wire in the right measuring position without subjecting the wire to appreciable mechanical tensions, nor forcing the wire to bend in its path according to reduced radii of curvature. This expedient serves, in addition to keeping the wire in a orthogonal position to the laser beam incident in its focal point, to avoid or at least reduce oscillations of the wire.
Si è provato sperimentalmente che piccole vibrazioni non disturbano il rilevamento, se la larghezza trasversale del raggio di luce incidente è di qualche misura maggiore del diametro del filo, e se la lente cilindrica 4 ha una distanza focale sufficientemente lunga da formare un angolo di focalizzazione molto acuto. It has been experimentally proved that small vibrations do not disturb the detection, if the transverse width of the incident light beam is some measure greater than the diameter of the wire, and if the cylindrical lens 4 has a focal length sufficiently long to form a very wide focusing angle. acute.
Si apprezzerà che l'apparecchiatura della presente invenzione realizza un rilevamento di tipo continuo, senza contatto meccanico con il filo, e a velocità elevata, compatibile con le velocità di produzione del filo. It will be appreciated that the apparatus of the present invention realizes a continuous type detection, without mechanical contact with the yarn, and at high speed, compatible with the production speeds of the yarn.
Si intende che l'invenzione non è limitata alla forma di realizzazione qui descritta ed illustrata, che è da considerarsi come un esempio di attuazione dell'apparecchiatura di rilevamento. It is understood that the invention is not limited to the embodiment described and illustrated here, which is to be considered as an example of embodiment of the detection apparatus.
L'invenzione è invece suscettibile di modifiche relative a forma, disposizione e numero dei componenti dell'apparecchiatura, nonché dei dettagli costruttivi e di funzionamento. Ad esempio, in una forma di realizzazione meno preferita, la radiazione incidente potrà interessare solo una porzione dell'arco di circonferenza superiore della sezione trasversale del filo, e in tal caso il numero di fotorilevatori potrà essere ridotto, disponendoli solo secondo un angolo di ampiezza sufficiente a captare la radiazione riflessa. The invention, on the other hand, is susceptible of modifications relating to the shape, arrangement and number of the components of the apparatus, as well as the construction and operating details. For example, in a less preferred embodiment, the incident radiation can affect only a portion of the upper circumference arc of the wire cross section, and in this case the number of photodetectors can be reduced, arranging them only according to an amplitude angle sufficient to capture the reflected radiation.
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