在烟草加工业制品条上进行光学测量的装置和方法及光学测量装置的应用
技术领域
本发明涉及一种光学测量装置，光学测量装置用于基于三角测量获知烟草加工业的无端部加工的制品条的至少一个特征、品质值和/或服务数据，光学测量装置包括：至少一个光源，其用于产生多个入射光路，入射光路围绕制品条的周长落到制品条的表面上;至少三个光敏元件，其相对于入射光路被布置在三角测量系统中;数字式评估装置，其被设置用于从由光敏元件所传送的测量信号中获知制品条的3维表面廓线。本发明此外涉及这种光学测量装置的应用以及相应的光学测量方法。
背景技术
为了尤其获知香烟制造机中的烟草条直径，由DE 103 04 503 A1已知根据阴影原理的光学测量装置。在此，光源和传感器围绕烟草条运行，使得基于烟草条沿条方向或者说推送方向的推送获得测量位置沿着烟草条的螺旋轨迹。该已知的光学测量装置具有可运动的部件并基于所使用的用于获知廓线直径的测量原理需要直至12m的条长度。
基于新的制品和制品信息的较高需求提出这样的要求，即，条廓线和由此尤其是还有直径值以明显较短的间距来获得。另一目的是避免测量装置中的运动部件，以便减少损耗，并缩小测量装置的空间需求。
在无端部条已穿过测量装置之后，该无端部条借助于切割设备被划分成相同长度的棒。在某些应用中，每个棒可以由不同材料以节段方式组装。正在穿过的节段一般用包裹纸来闭合。但是，廓线通过内置的节段被表现出。针对每个节段块，需要品质参数、尤其是直径、椭圆度等，以便检查和优化总生产的品质和生产流程。如今针对该测量任务没有测量系统可用。
DE 10 2004 057 092 A1公开了一种用于检测烟草加工业棒形物品的直径和/或横截面形状的装置，该装置具有多个围绕物品布置的光源，用以发出光到物品上，其中，相对每个光源分别设置对位置敏感的传感器，用于接收由物品表面散射的光和用于检测该物品的高度廓线。
发明内容
本发明的任务是提供一种测量装置，其中，减少了损耗和缩小了空间需求，并且该测量装置提供了针对每个棒、并在多节段棒的情况下针对每个节段块所要求的或所希望的品质值、特征和/或服务信息。
本发明利用独立权利要求的特征解决该任务。
为了围绕其周长对制品条进行廓线测量，使用光学三角测量的测量原理、也就是光截法(Lichtschnittverfahren)。在此，入射光环绕地围绕制品条的总周长、也就是绕全360°在该制品条的表面上投影，并在那里产生环绕地围绕制品条的清晰光线。多个光敏元件根据本发明相对于入射光路被布置在三角测量系统中，以便分别拍摄制品条的部分廓线。
在此设置有至少三个光敏元件，以便能够围绕整个周长检测条廓线的所有点以及也针对制品条的对应边缘区域从光敏元件来考虑获得有意义的图像信息。全部光敏元件有利地同时拍摄条廓线的经限定的角度范围。从被制品条反射和被光敏元件拍摄到的光线中可以建立360°周长廓线。
根据本发明，光学测量装置具有在光源与制品条之间用于偏转至少一个入射光路和/或在制品条与至少一个光敏元件之间用于偏转至少一个射出光路的至少一个光偏转元件。以这种方式可以将光源、光敏元件和/或另外的光学元件放置在希望的部位上，这能够实现特别紧凑或者说节省结构空间的布置方案。
有利地，在每个射出光路中可以布置至少一个光偏转元件，这点还提高了该光学元件布置方案中的自由度。
在此，术语“光路”可以被尽可能宽地理解，并在此不仅包括光源与制品条之间的入射光路、制品条与光敏元件之间的射出光路，还包括光源、制品条、光敏元件和射束偏转元件之间的(子)光路。
优选地，光源的数量小于光敏元件的数量，并且特别有利地，测量装置具有刚好一个光源，这是特别成本低廉的。这点能够被实现，其方式是，将由光源出发的光射束适当地进行偏转，以便产生多个入射到制品条上的光射束或者说光扇(Lichtfächern)。
在一有利实施方式中，光源产生主辐射扇，其中，主辐射扇的一部分落到制品条上并且主辐射扇的另一部分在制品条的一侧或两侧在该制品条旁边经过并且在经过制品条之后利用至少一个光偏转元件指向到制品条上。
优选地，光学测量装置具有至少三个围绕制品条周长布置的入射光路，以便能够实现围绕制品条总周长尽可能均匀且亮地将制品条照亮。为此目的可以足够的是刚好三个落到制品条上的光路。
替换地也可行的是，设置多个光源，用以产生落到制品条上的光路。
有利地，在入射光路中布置准直透镜，以便使入射射束平行化，并由此在测量场中获得条表面的均匀的射束密度或者说照亮。但是也可以在没有准直透镜的情况下转换。
从制品条的利用光学测量装置测量到或者说计算出的三维表面廓线中可以获知大量的希望的品质值、特征和/或服务数据。
可获知的品质值例如是：制品条的直径和周长;椭圆度;不圆度系数，例如条廓线半径的标准偏离;包裹条带的缝位姿，例如作为角度。品质值有利地各棒、各节段和/或作为用于生产的平均值地进行计算和说明。一般性地，上述参量中的一个或多个的一个或多个标准偏离(或差异)可以包含有意义的信息，并且可以被获知用于进一步加工。
制品条的待获知的特征尤其是这样的特征，这些特征在制品中、也就是在被切割的条中作为缺陷能够被关注。该形式的特征例如是：条的子块上的和/或单个节段上的廓线缺陷;包裹条带在无端部条走向中的粘接部位;处在条的子块上的粘接缝的粘接部位缺陷;处在条块上的异物附着。
有利地待获知的服务数据例如是：条振动(Strangschwingen);包裹条带的不平静的纵向缝，例如作为经由生产的标准偏离;廓线区图(Profilplot);3D区图。
根据之前所述，光敏元件有利地是对位置敏感的成像传感器、尤其是CMOS传感器，以便能够在数据评估中实现三角测量法的应用。
优选的是，入射光射束铅直地入射到制品条上，以便获得绕制品条周长的闭合光线。
有利地，光敏元件的图平面相对于对应的光学轴线、也就是相应镜头的光学轴线倾斜地布置。按照沙姆定律(Scheimpflug-Regel)的这种布置方案能够实现：在待测量的廓线平面的图平面中优化地产生清晰图像。
测量装置的扫描率有利地足够高并且尤其是被选择得这样高，使得两个测量廓线之间的轴向间距小于或等于制品条中的最短节段长度。这点能够实现：针对制品条中的每个节段获得至少一个测量廓线。
每个光敏元件可以有利地配属有一控制器、尤其是FPGA和/或微处理器，用于光敏元件的信号的预加工、预评估和/或数据压缩。在该实施方式中，全部控制器的数据有利地被发送给主控制和/或数据综合单元、尤其是FPGA和/或微处理器，用于继续加工。
根据本发明的测量模块有利地包括前面描述的光学测量装置和围住测量装置的壳体，其具有贯通开口，用以将制品条贯穿引导穿过测量模块。在该情况下，前面描述的控制器和主控制和/或数据综合单元有利地同样布置在测量模块中。特别有利的是，贯通开口相对于最近的壳体棱边的间距小于或等于两个在双条机中待加工的制品条的半个间距。在该情况下可以使用两个一致构建的测量模块，其中，第二测量模块相对于第一测量模块转动180°地布置。
本发明此外提出一种前面描述的光学测量装置的应用，用于测量制品条的无端部重复的多节段棒区段中的单个节段的品质值、特征和/或服务数据。
根据本发明的另一方面提出一种用于借助于前面描述的光学测量装置来光学测量烟草加工业的无端部加工的制品条的品质值、特征和/或服务数据的方法，其中，测量有利地与将制品条划分成棒和/或节段同步和/或与生产速度同步地进行。
附图说明
下面借助优选的实施方式参照附图阐述本发明。在此：
图1示出了光学测量装置的立体图;
图2示出了用于图解所使用的三角测量或者说光截法的示意图;
图3示出了光学测量装置中的光产生系统的立体图;
图4示出了来自图1的光学测量装置的中央区域的立体细节图;
图5示出了带有示例性投影的激光线的制品条的立体俯视图;
图6示出了穿过带有光敏元件的等距布置方案的制品条的示意横截面;
图7示出了针对双条机的两个测量模块的立体示意图;
图8示出了带有布置在分配单元中的测量模块的香烟制造机的立体图;
图9示出了用于图解数据加工和评估的从测量装置出发的示意图表;
图10示出了由多节段棒组装的制品条的示意图;
图11、12示出了处在极坐标系或者说笛卡尔坐标系中的示例性廓线区图;以及
图13示出了示例性的3D廓线区图。
具体实施方式
测量装置10用于测量烟草加工业的无端部加工的制品条11、例如烟草条、过滤嘴条或多节段过滤嘴条的三维360°表面廓线。制品条11在烟草加工业的成条机83中沿纵轴向进行推送，见图8的描述。
图1中示出了用于在狭窄的结构空间条件下转换测量装置10的示例。测量装置10包括光产生系统9，该光产生系统在图3中鉴于更好的概览性在单独状态下，也就是说没有相机35-37和射出侧的射束偏转元件41-49的情况下被示出。光产生系统9有利地具有刚好一个激光源12，该激光源被设置用于产生激光扇13并为此目的(见图2)例如可以具有激光二极管74或激光器和适当的光学装置75，例如柱形透镜，或具有可运动的扫描装置。光扇13通过偏转元件14来偏转，使得被偏转的光扇15沿着条方向看大致居中(见图2)和垂直地落到制品条11上。在入射到制品条11上的、包括光扇13、15、18的光路16中，有利地布置准直透镜17，以便从分散的光扇13、15中产生大致平行的光扇18。
通过偏转元件14的偏转有利地绕至少90°、进一步有利地至少135°、例如135°和180°之间的角度范围内的角度进行。
扩宽的并必要时经准直的入射光路16有利地借助于反射镜24、25从两个附加的并由此总共三个侧上投影到条11上，以便获得环绕条11周长的光线21。这点在下面更准确地根据图3来描述。
有利地平行的入射光路16、18在中间区域19中落到制品条11上，该中间区域可以被表示为主辐射扇。之前，被平行化的光扇18还横穿针对激光透明的保护管20，该保护管例如可以由玻璃制成并被布置在围绕制品条11周长的测量部位的区域中，以便相机35-37(见图1)的图像传感器29-31保持不受灰尘和异物颗粒的影响。可以产生平行于保护管20壁部流动的空气流，以便使测量区域保持干净。
入射到制品条11上的光扇18的中间区域19在制品条11的表面上、尤其是该制品条的包裹材料上产生激光线21，就像这点例如在图5中可以看到的那样。
被平行化的光扇18具有总宽度B，该总宽度是制品条11的宽度b的至少3倍、有利地至少4倍、还进一步有利地至少5倍，见图3。因此，在制品条11的两侧，被平行化的辐射扇18的侧向区域22、23分别可以经过制品条11。
在制品条11的从入射辐射扇15、18或者说入射光路16来考虑的背侧上，在制品条11的一侧或优选两侧分别设置有另一偏转元件24、25，该另一偏转元件分别使辐射扇18的侧向区域22、23中的一个这样偏转，使得该侧向区域作为入射射束扇26、27从背侧来地落到制品条11的表面上。有利地，通过每个偏转元件24、25的偏转绕处在120°至180°范围内的一角度、例如绕150°进行。以这种方式或通过另外的适当的射束偏转来实现，所有三个入射到制品条上的射束扇19、26、27的中央射束轴线相对彼此围出120°的角度。
就像图2中能更好看到的那样，偏转元件14、24和25被布置在入射光路16中，使得全部入射到制品条上的射束扇19、26、27在制品条11的沿轴向的相同位置MP上触碰到该制品条上，从而使得入射到制品条上的射束扇19、26、27交替叠加并总体上产生本身闭合的、以360°完全绕制品条11环绕的激光线21。以360°绕制品条11环绕的激光线21撑开一平面，该平面在点MP上与制品条11的中央纵轴线相交。
绕制品条11在其表面上环绕的激光线21借助于光学三角测量来拍摄。为此目的，围绕制品条布置多个光敏元件29、30、31，见图1。光敏元件29、30、31尤其是成像传感器，这些成像传感器将入射到光敏元件29、30、31上的光转换成电信号，该电信号包含图像信息并由电子评估单元来评估。有利地，每个入射光扇或者说光射束19、26、27配属有相应的光敏元件29、30、31。
下面，根据图2来阐释例如入射光扇或者说光射束19的和相应的光敏元件29的激光三角测量的所使用的测量原理。相同的情况分别适用于另外的光敏元件30、31相对于相应的入射光扇或者说光射束26、27的三角测量系统。
借助于激光源12就像之前描述的那样将沿条方向非常薄的激光线或者说激光扇指向到制品条11上。入射的光射束或者说光扇16、19在横向于制品条11的视图中(见图2)有利地垂直地落到该制品条的表面上。光敏元件29在该视图中被布置为，从制品条11的表面射出的光的光学轴线与入射到制品条11表面上的光的光学轴线围出三角测量角度α。三角测量角度α有利地处在10°和80°之间、进一步有利地20°和70°之间、还进一步有利地30°和60之间并优化地40°和50°之间的范围内。基于三角测量角度α，制品条在激光线21的相应走向中镜像出的表面结构被成形在光敏元件29上，并可以以计算方式获知。换句话说，借助于光学装置或者说镜头32和成像传感器29在经限定的角度、即三角测量角度α下拍摄被投影的激光线21的图像(见图5)，由此获得了高度信息。以这种方式来实现好于0.1mm、例如0.01mm的直径测量的测量准确性或者说测量分辨率。
给每个光敏元件29-31有利地配属相应的镜头32-34，见图1。每个镜头32-34就像常见的那样具有至少一个、优选多个光学透镜。每个光敏元件29-31与配属给其的镜头32-34形成一相应的相机35-37。相机35-37被布置为，激光线21在对应的镜头32-34的焦点上处在制品条11的表面上，因此激光线21被清晰地成形到光敏元件29-31上。相机35至37中的一个或多个相机可以有利地被布置为，使得其光学轴线分别水平地延伸，就像这点在图1中可以看到那样。
在制品条11和每个相机35-37之间有利地布置一个或多个射束偏转元件41-49。由此可以视所提供的结构空间而定优化地布置相机35-37，以便可以获得尽可能紧凑且优化地适配对应的装入状况的测量模块50、51(见图7)。射束偏转元件41-49例如可以是或包括反射镜和/或棱镜。
下面示例性地描述相对光敏元件29的射出光路38。类似的情况分别适用于相对光敏元件30、31的另外的射出光路39、40。
在相对光敏元件29的射出光路38中，在根据图1的实施方式中布置三个射束偏转元件41、42、43。可以考虑具有处在每个出来的光路38-40中的一个、两个或多于三个的射束偏转元件的实施方式。
从制品条11的表面出发，首先可以设置第一射束偏转元件41，该第一射束偏转元件使例如在三角测量角度α下射出的射束38这样地偏转，使得被偏转的射束52以75°和105°之间的角度、例如以90°相对于条轴线延伸。这点最好地在图4中可以看到。
由第一射束偏转元件41偏转的光射束52通过至少一个、这里两个另外的射束偏转元件42、43被偏转为，使得射出光路38最后进入到相机35中。通过该至少一个另外的射束偏转元件42、43的总偏转有利地为至少90°并例如为135°或就像在光敏元件31的情况下甚至为180°。
光敏元件29、30、31有利地以相对彼此相同的角度间距，在优选情况下三个光敏元件29、30、31由此分别以120°错开地围绕制品条11布置。这点在图6中示意性示出。换句话说，每个光敏元件29、30、31沿制品条11的周长方向覆盖120°的角度范围，或者说在n个光敏元件29、30、31的情况下覆盖360°/n的角度范围。
当在制品条11和对应的光敏元件29-31之间的对应射出光路38-40中分别布置一个或多个射束偏转元件41-49时，射出光路38-40有利地以相对彼此相同的角度间距围绕制品条11布置。在该情况下，不取决于如下的光敏元件29-31的角度间距，它们基于光偏转元件41-49可以被偏离地布置。
就像之前描述的那样，光路从激光源12出发通过多个反射镜14、24、25、41-49被偏转直至成像仪29-31，以便可以优化地放置各个构件12、29-31。
因此，通过将分别在制品条11的120°周长范围上的这里三个激光线21进行组合(一般性地分别绕制品条11的360°/n周长范围的n个激光线)，获得制品条11表面、也就是绕制品条11总周长的完全三维的360°廓线。
测量装置10有利地由壳体53围住并由此形成测量模块50、51。图7中示出了针对用于平行加工两条无端部制品条11的双条机的状况。在该情况下，有利地设置两个测量模块50、51，也就是针对每个制品条11设置一独立的测量模块50、51。测量模块50、51可以有利地被构建为一致。每个测量模块50、51的壳体53有利地具有彼此相对置的贯通开口54、55，用以贯穿引导图7中仅示意性示出的制品条11穿过壳体53并由此穿过测量装置10。图7中仅针对测量模块50示意性示出了处在壳体53后壁中的后贯通开口55。
贯通开口54、55在壳体53中的布置方案可以是非对称的。尤其地，贯通开口54、55可以相对最近的壳体棱边56或者说57或壳体壁58布置得比任何另外的壳体棱边或壳体壁具有明显更小的间距d。特别有利地，间距d最高为双条机中的两个条的间距D的一半那么大。在该情况下可以使用一致地构建的、仅以180°相对彼此转动布置的测量模块，就像图7中示出那样。
图8中示意性示出了具有集成在其中的测量装置10的烟草加工业成条机83的成条单元81。在如图8中那样的烟草成条机83的情况下，给成条单元81通常前置分配单元84。在另一实施方式中，可以涉及过滤嘴成条机83中的例如形式为过滤嘴丝束整理单元的过滤嘴成条单元81。在另一实施方式中，可以涉及多节段过滤嘴成条机83的过滤嘴节段组装区段81。这种成条机83和成条单元81被充分已知，因此这里省略了细节描述。之前描述的测量装置10被集成到成条单元81或者说成条机83中进而生产中。
测量装置10或测量模块50在成条单元中的有利位置沿条推送方向处在包裹装置59和切割设备60之间，包裹装置用于将材料条用包裹条带、例如纸进行包裹，切割设备用于将无端部条11不断切割成单个的棒形元件。
在下面，测量模块50中的测量数据整理和另外的数据加工根据图9来阐释。
测量模块50就像之前描述的那样包括至少三个光敏元件或者说成像传感器29-31，它们例如分别错开120°地围绕制品条11布置。每个传感器29-31可以配属例如形式为FPGA和/或微控制器的控制器61，该控制器尤其可以用于预评估和/或数据压缩。各个图像传感器模块的数据通过相应快速的数据连接装置62被传递到主控制或数据综合单元63上，例如同样传递到FPGA和/或微控制器上。传感器模块50现在通过快速的数据连接装置64将制品条11的廓线值例如作为极坐标系或笛卡尔坐标系提供给跟随的评估单元65。
在此，在由传感器模块50接收传感器数据的运算单元66中，结合机器控制器67从传感器数据中产生所述条的品质值、特殊特征和/或服务数据。这些数据有利地被用于机器可视化装置和/或参数化装置68和/或用于制造过程的控制器和/或调节器，尤其是通过用于调节的调节机构69和/或用于制品选择或制品废料(Produktausschuss)的调节机构70，以便获得制造机的较高的制品品质和较有效的运行时间。根据图9的主控制或数据综合单元63和/或运算单元66有利地形成根据权利要求的数字式评估装置73。
通过相应的数据通道，信息也可以用于上级数据收集器71中的数据收集和分析以及用于控制和/或调节前置的机器72，以便也在那里提高待提供给制造机的部件的品质。
在一替换实施方式中，主控制或数据综合单元63的运算能力足够大，在该实施方式中也可以在那里已经从传感器数据中计算出条的品质值、特殊特征和/或服务数据并通过适当的数据通道将其提供用于可视化装置68和继续加工装置。
测量装置10的一有利应用用于测量在制品条11的无端部重复的多节段棒区段中的各个节段的品质值、特征和/或服务数据。这点在下面根据图10来阐释。
无端部加工的制品条由不断重复的棒区段...、Sn、Sn+1、Sn+2、...来形成。每个棒区段(Stabschnitt)相应于在借助于切割设备60(见图8)将制品条11切割成单个棒之后的棒。棒区段因此也可以简化地被称作棒。
每个棒或者说棒区段Sn在该应用中又由节段T1、T2、T3、...的相同顺序进行组装，其中，节段长度的总和给出棒长度。在当前情况下，每个棒具有三个节段T1、T2、T3，其中，每个棒可以有多于或少于三个的节段。在这里因此涉及多节段棒。
就像由图10可以清楚的那样，测量装置的扫描率足够高，使得至少针对每个节段可以测量制品条11的一周长廓线P。换句话说，由扫描率获得的在两个测量廓线P之间的间距a有利地小于或等于制品条11中的最短节段长度，这里小于或等于节段T2的长度。在实际的实施方式中，两个廓线扫描P之间的间距应当最高为20mm、有利地最高10mm、进一步有利地最高5mm、例如3mm。扫描率在实践中有利地为每秒至少500廓线扫描P、有利地每秒至少1000廓线扫描P、进一步有利地每秒至少2000廓线扫描P、还要进一步有利地每秒至少3000廓线扫描P并例如为每秒4000廓线扫描P。
由图10也变得明显的是，制品条11的周长廓线P的测量或者说扫描有利地与将制品条划分成棒和/或棒节段同步和/或与生产速度同步进行，也就是说扫描率有利地与生产速度相适配，使得棒或者说棒节段总是在相同的轴向位置上进行测量。这点改善了测量结果的相似性。
由已获知的周长廓线可以获知制品条11的不同的品质数据、特征和服务值。
品质值有利地各棒、各节段和/或作为用于生产的平均值地进行计算和说明。为此涉及的例如是：制品条11的直径和周长;椭圆度;不圆度系数，例如条廓线半径的标准偏离;包裹条带的缝位姿，例如作为角度。
一般性地，上述参量中的一个或多个的一个或多个标准偏离(或差异)可以包含有意义的信息，并且可以被获知用于进一步加工。如果例如由单个值形成了平均值，那么同时说明标准偏离是有益的，例如以便提早获得对例如由于机器污染而变得不平静的生产和即将来临的缺陷的提示并可以及时对此作出反应。
制品条的待获知的特征尤其是这样的特征，这些特征在制品中、也就是在被切割的条中作为缺陷能够被关注。然后有利地从生产中选择出或者说去除具有缺陷的制品。该形式的特征例如是：条的子块上的和/或单个节段上的廓线缺陷;包裹条带在无端部条走向中的粘接部位;处在条的子块上的粘接缝的粘接部位缺陷;处在条块上的异物附着。
服务信息对于机器装配工、服务人员和机器操作者是重要的，以获得关于可靠生产的说明并必要时进行纠正地可以介入到制作过程中。该形式的服务数据例如是：条振动;包裹条带的不平静的纵向缝，例如作为经由生产的标准偏离;廓线区图;3D区图。
针对一扫描的廓线区图的示例在图11和12中示出。图11中示出了极坐标系中的廓线区图。明显可以识别的是，该廓线的并由此制品条的在0°和120°之间范围内的具有缺陷的展平。图12中作为关于角度的半径或者说作为角度的函数施加了笛卡尔坐标系中的相同周长廓线。这里也明显可以识别的是，该廓线的并由此制品条的在0°和120°之间范围内的具有缺陷的展平。
图13中示出了针对3D廓线区图的示例，其由根据图11的多个单个廓线区图沿生产方向前后相继地组装。该图形在此仅示出了相应于图像传感器的部分廓线。显然也可以示出完全的360°廓线。在该图像中可以识别出后区域中的加厚部，在此例如可以涉及较大厚度的单个节段。在前棱边上，在亮区域中可以看到纵向褶皱。
替代激光线21也可以使用光线或尤其是由结构化的光所组成的亮-暗棱边。
替代一单个的环绕激光线也可以将多个光线以经限定的轴向间距投影到制品条上，使得每次图像拍摄可以同时测量到多个廓线。
