玻璃容器侧壁厚度的测量 本发明涉及对空心玻璃容器侧壁厚度的测量，更具体地说涉及对多层玻璃容器层壁厚度进行测量的方法和装置。
在多层玻璃容器的制造中，希望对玻璃层壁的厚度进行测量以便控制容器的质量。在这种所谓地套色玻璃容器中，外面的相对较薄的外玻璃层将里面的相对较厚的内玻璃层包住。内玻璃和外玻璃的热特性是这样的，当玻璃容器冷却时，外面的外玻璃层是置于压力下的。这种经受了压力的玻璃外层提高了整个容器的强度，并可以用更少的玻璃制造出具有所需强度特性的容器。
为了从造价和质量的立场出发控制制造过程，需要测量和控制外玻璃层的厚度。过去，是通过从容器的侧壁上割一个断面，并用显微镜或类似的东西来测量玻璃层的厚度。这项技术实现起来很昂贵，并且其不适合用于在大量容器生产时的实时质量控制技术。曾经有人提出用电光技术通过偏振光来测量具有内应力的外玻璃层。偏振光沿切线方向经过容器侧壁的外玻璃层的传播产生一种双折射图形，对其进行分析来确定外玻璃层的厚度。将一个待测的容器垂直浸入一个油池中，将容器的瓶口与一个适当的装置相配合用于绕其中心轴转动容器。配置一个偏振光源，它引导光能量沿切线方向的轴通过油池到容器的侧壁到达一个传感器上。需要所说的油与容器侧壁的折射率相配合，从而所说的光能量沿切线方向穿过容器的侧壁到达传感器，而不是由侧壁反射到达容纳油池的外壳的壁上。该传感器包括响应入射光能量中的双折射的装置用于测量具有内应力的容器的外玻璃层的厚度。
所述的技术不具有令人满意的效果。玻璃容器并非总是关于转轴对称，而容器体也并非总是同容器瓶颈或瓶口共轴。这样，如果容器不圆或者瓶体与瓶口不共轴，则当在折射率油(index oil)中旋转容器时容器的侧壁就会在光路附近摆动。与所需的0.001英寸数量级的测量准确度相比，这一摆动可以达到半英寸的数量级。此外，所述技术导致了昂贵的折射率油(index oil)的大量消耗。因而，本发明的一般目的是提供一种方法和装置，通过测量容器侧壁内的应力而用光学方法来测量具有所述特征的双层玻璃瓶中外玻璃层的厚度，其中，在测量过程中，将该容器准确定位并保持在适当的位置。本发明的另一个目的是提供一种具有所述特征的方法和装置，其中折射率油(index oil)的使用量大大减少，并且它更适合于在容器轴向或绕容器的圆周方向的变化位置上测量外玻璃的厚度。本发明的另一个目的是提供一种方法和装置，它可以达到上述目的，适于实现对套色玻璃厚度的快速和准确的测量，并且能够用于玻璃器具生产过程的实时控制。
用于依据本发明的一个最佳实施例测量玻璃容器侧壁的玻璃层厚度的测量装置包括一池油，这些油的折射率与容器侧壁外表面的折射率相匹配。将容器体约束在池中，以便随着旋转瓶口而让容器体旋转，同时又抑制了其侧向的运动。引导光能量经过油池沿切线方向通过容器侧壁，从而得到一个为侧壁层厚度函数的光能量图形，并且将层厚度看作这样的光图形的函数来对其进行测量。如依据本发明的最佳实现方式的对套色玻璃容器外玻璃层厚度的测量的具体应用，是把这个外玻璃厚度看作从油池中射出的光能量的图形的函数来对其进行测量的。应用于内玻璃和外玻璃折射率截然不同的情况下，从内/外边界的反射可用于直接测量厚度。应用于玻璃折射率接近的情况下，可以将光能量起偏，从而由于外层玻璃内的内应力作用得到了双折射图形。可以对这一双折射图形进行分析从而确定外玻璃的厚度。
本发明的最佳实施例中的油池包括一个具有一对透明侧壁的槽，测量光线就通过这一对透明侧壁，还包括一对隔开的端壁、一个底面以及一个开放的顶端用于容纳测试容器。在池内用一对分开放置的支架板形式的支架支撑着该容器，每个支架板具有一个凹形的边缘用于外表可滑动地水平支撑容器的侧壁。由折射率油(index oil)对容器侧壁和支架板之间的滑动啮合进行润滑。由池端板可转动地进行支撑并与支架板相啮合的引导螺杆对池内的支架板进行调整定位以便适应不同长度的容器。将一个突出的支架枢轴安装在一个池端壁上，它带有一个臂用于从外部克服容器在油中的浮力将其侧壁约束在支架上。对所说的突出支架进行定位，使得将容器置于支架上时所说突出支架与容器的底相接合，用于自动将所说的臂进行枢轴转动使其与容器体相接合。当在测量程序之后，将容器提离支架时，将突出支架用作平衡锤，用于自动对突出支架和臂进行枢轴转动，令其与容器脱离接合。在本发明的最佳实施例中，抑制臂和平衡锤的位置在突出支架上是可调的，以便适合不同尺寸的容器。
光能量从放置在油池一侧的光源穿过油池的透明侧壁到达一个位于油池相对一侧的照相机上。在本发明最佳实施例中的光源包括一个白色光源，并且在该光线经由油池传输前将其进行垂直偏振。可以对测量光束的光强度进行调整使得其适合不同阻光度的玻璃材料(例如火石玻璃和琥珀玻璃)。为了确保测量光束在容器侧壁上沿切线方向入射，可以根据光源和照相机对油池进行垂直位置的调整。为了在容器的不同轴向位置测量外玻璃厚度，相对于光源和照相机对容器和光路进行水平调整。在本发明的最佳实施例中，用一个合适的卡盘卡住容器瓶口的内径，用于在支架上旋转容器体，同时调整容器瓶口和容器体之间的不同心。
通过下面的描述，所附权利要求和附图可以很好地理解本发明以及它的目的，特征和优点，其中：
图1是用于测量根据本发明的一个最佳实施例的测量玻璃容器侧壁内的应力的装置的示意图；
图2是图1中简单描述的测量装置的透视图；
图3是图2所示装置从不同方向看的透视图；
图4和图5是表示图2-3中所示的装置的细节部分的局部透视图；
图6是图2到5所示装置的端部视图；
图7和图8是沿图6所示的剖线7-7和8-8的剖视图；
图9是图2-8所示装置的局部端部视图；
图10是图1-9所示装置中的容器卡盘的局部正视图；
图11和图12表示在图1所示装置中的容器厚度显示；以及
图13表示一个油池，该图表现了一个经过改进的支架板结构。
图1表示根据本发明实施例构成的用于测量一个容器22侧壁内的应力的装置20。在盛装着折射率油(index oil)28的池26内的支架24上支撑着容器22。光源30位于池26的一侧用于发射光，并将通过池26侧壁的一束光能量聚焦在照相机32上。对池26进行定位，使得来自光源30的光束沿切线方向经过容器侧壁。油28与容器侧壁外表面的折射率相匹配，从而光能量不会从容器侧壁反射，而是沿切线方向穿过容器侧壁到达照相机32。通过在油池外面用温度控制装置34和一个泵36循环折射率油(index oil)对油28的折射率特性进行严密的控制。这样，可以对折射率油(index oil)的折射特性进行严密控制并保持与容器22的折射率特性相匹配。在光路中有选择地放置一个起偏器38用于使入射到油池26上的光能量发生垂直偏振，以及提供一个可变的衰减器40用于适应不同阻光度的玻璃。就是说，对衰减器40进行调节使对于不同阻光度的玻璃来说，入射到照相机32上的光强度为正常，例如火石玻璃更透明而琥珀玻璃则更为不透明。一个远摄镜头41将照相机32的视场聚焦在支架24中的容器22的外表面与照射的光束在切线方向交叉的点上。将照相机32与显示装置42相连用于向操作者显示侧壁应力信息。
参看图2-3，油池26包括一个长方形的槽，其中装有一对透明的侧壁44和46。这个槽也具有端壁48以及一个封闭的底，从而适合于封装一定体积的折射率油(index oil)28。油槽26的顶部开放用于容纳待测的容器22。一对螺杆50和52在油池端壁48之间平行于油池的轴向延伸，由一对从外面固定在端壁48上的端部突出支架54将螺杆从上方支撑在油池26的一侧。螺杆50与靠近一个端壁48的把手56相连，同时螺杆52与靠近对面端壁48的把手58相连。这样，当将螺杆50,52保持在与油池26接近的固定位置上时，可以自如地用手转动螺杆50,52。
支架24包括一对安置在油槽26内的支架板60,62。每个支架板60,62具有一个凹形的边缘与容器22的圆柱形瓶体相符合以便容纳和对其进行支撑。这些容器支撑边缘在附图所示的实施例中是圆形的。或者，如图13简述的另一种形式，上述容器支撑边缘也可以是V形的。这些V形的支架板60a,62a在旋转中为容器提供额外的侧面支撑。支架板62从固定块64可移动地悬臂安装，它与螺杆50可转动地配合，并通过它使螺杆52自由通过。以同样的方式，支架板60从固定块66可移动地悬臂安装，它与螺杆52可转动地配合，而螺杆50从中自由穿过。这样，分别通过把手58,56独立地调整支架板60,62长度方向的位置。支架板60,62可从固定块66,64上拆卸下来，并且可以用不同凹陷的支架板来替换以适应不同直径的容器22。
参看图2-4以及图6，夹紧支架68包括一个枢轴连接在油池26的一个端壁48上的平板。支架68包括一对共面的平行腿70,86，它们从油池26向上伸出。将一个L形的臂72利用一对固定螺钉74可调节地安装在腿70上，固定螺钉在臂70内一对平行的狭长槽76内延伸。臂72从板68起在油槽26上方伸展。将一个块77利用沿臂72上的狭长槽75长度方向延伸的螺钉可滑动地安装在臂72上。利用一个螺帽82将带有螺纹轴80的衬垫78可调节地安装在块77上。(为了在旋转过程中对侧面进行额外的支撑可以使用如图13所示的V形衬垫78a。)在衬垫78和块77之间绕轴80压住盘卷的弹簧84。支架68的第二个腿86包括一个伸长的狭槽88，在其中通过一个螺钉和螺帽92固定了一个平衡锤90。如图4所示，将支架68的下端安装成当容器放置在支架24上时它能够与容器22的底部接合的形式。将容器22装在支架中并将容器底压住支架68，这使得支架靠着平衡锤90从图4所示的开启位置沿枢轴转动，其中衬垫78离开容器向上绕枢轴转动，到达图2和3所示的关闭位置，在那里衬垫78与容器接合。这样衬垫78将容器22压在支架24上。当希望将容器移离支架时，沿轴向将容器抽出支架，去掉容器顶住支架68的力，从而该支架依靠平衡锤90从图2和3所示的位置自动沿枢轴转动到图4所示的位置。将臂72可调节地安装在支架68上，将重锤90可调节地安装在支架68上，以便适合不同直径和不同重量的容器22。将块77可调节地安装在臂72上以适应不同长度的容器。弹簧84的作用是迫使衬垫78与容器22滑动固定而避免了过度的加紧力。与容器22和支架板60,62之间的滑动固定一样，由折射率油(index oil)对衬垫78和容器22外表面之间的滑动固定进行润滑。
将油池26安装在平的油盘100上(图2-3,6以及8-9)。将油盘100利用一对从侧面配置的直线轴承104安装在一个中间支撑板102上，直线轴承104适于使油盘100和油池26沿油池的长度方向移动，即如图6所示，而防止了如图6所示的油池的侧向的左右移动。直线轴承104可以是任何形式的。支撑板102带有在长度方向上配置的悬挂轴承106(图8和图9)，它们可转动地支撑了一个引导螺杆108。通过互相啮合的正齿轮109,111将该引导螺杆108与装置前面的手柄110相连。腿112通过在支撑板102中的狭槽114靠着油盘100处开始，在包住螺杆108的螺帽115处终止。这样，可以通过转动手柄110和引导螺杆108对油盘100的水平位置进行调整。
由位于工作表面124上的可调支脚122支撑着基板120(图2-3,6-7和9)。在基板120上正方形(最好参看图8)的四个角上支撑有四个引导螺杆126用于沿平行的垂直轴向转动。板102带有的四个螺帽128(图2以及图6-9)可转动地容纳引导螺杆126。每个螺杆126带动连接在基板120上的一个正齿轮130。这几个正齿轮130与中间的正齿轮132相啮合，正齿轮132在基板120的平面上的垂直轴上旋转。通过斜齿轮134,136将齿轮132与一个水平轴138相连。由从基板120向上延伸的支撑板140可移动地支撑轴138，该支撑板140与一个转动手轮142相连。通过基板120上的板146将第二手轮144与斜齿轮148,150相连。通过轴151将斜齿轮150(图9)与齿轮132相啮合的正齿轮149相连。这样，通过旋转手轮142或144中的任何一个旋转引导螺杆126，将安装板120升起或放低。轮142提供对板102垂直位置的粗调，而轮144提供对板102垂直位置的细调。利用适当的安装支架将光源30(图1)，远摄镜头41(图1和图2)以及照相机42与盘120分开安装在工作表面124上。
在图2-3,5-6以及10中，描述了用于固定并旋转容器的卡盘160。卡盘160包括一个弹性材料，诸如橡胶制成的套筒162。在一对垫圈164,166之间固定住套筒162。一个拉长的空心套筒168在垫圈164和一个第二垫圈170之间延伸。将螺杆172的一端固定在垫圈166上，并且螺杆172穿过套筒168的内部延伸。在垫圈170的远端，通过一个枢轴销钉174将螺杆172固定在卡盘杠杆176上。杠杆176具有一个拉长的凸形的瓣轮178，它与对着的垫圈170的表面滑动固定，从而与套筒162的轴向弹性共同作用形成一个曲肘夹具。在图10所示的卡盘和夹具的开启位置，套筒162是放松的，而杠杆176的手柄向外沿轴向延伸。当顺时针沿枢轴转动杠杆176时(图10方向)，将套筒162在垫圈164,166之间压紧，直到瓣轮178的平坦部分180对着垫圈170时为止，在这一点，将所说曲肘夹具锁在适当的位置。为了约束容器的瓶口，使杠杆176位于图10所述的位置，将套筒162和垫圈166插入到容器瓶口的开口端直到容器的密封表面与垫圈164接触。于是将杠杆176沿枢轴转动(图10中的顺时针方向)，从而沿径向向外膨胀套筒162，并且因此紧紧约束住容器瓶口的内径。随着卡盘紧紧约束住容器，而杠杆176位于图2和图6的锁定位置，此时通过将其放置在与支架68相连的支架板62,66上，已经将容器插入到装置中。从而向下沿枢轴转动压紧支架68以及平坦部分78使其与容器的外部接合。将外套筒168插入卡盘安装支架184(图2,5和8)的V形窄缝182中，该卡盘安装支架184自安装板102向上延伸。如图5所示，将一个弓形夹具186(图5)枢轴安装在支架184上，该弓形夹具186具有一个径向突出的把手188，通过它可以将夹具186沿枢轴转动，从而将固定卡盘160固定在一起。将一个正齿轮190可调节地安装在卡盘套筒168上用于同支架184所带的齿轮192和194相啮合。齿轮194与装在支架184外表面上的刻度指示器196相连。这样，操作者可以转动卡盘160，并同时在测试装置内转动容器22，于是在指示器196上向操作者显示旋转的角度。在卡盘160中的套筒162的弹性对容器瓶口的轴相对于容器体的轴的轻微的不重合进行调节，从而可以将容器体持续约束在油池26内的支架24上的固定位置上。
在操作中，首先将装置20连同一个具有已知特性的容器22升起。将卡盘160安装到容器瓶口内，将容器22安装在油池26的支架24上。当将容器安装到支架上的时候，将支架68以及臂72向下沿枢轴转动，从而衬垫78与容器接合并将其约束在支架24上。于是将卡盘160放在支架184上，而将夹具186在卡盘160上关闭。随着光源30，照相机32和显示器42的工作，随着油池26内的油28处于所需的温度，通过调节轮142,144对油池26的垂直位置进行调整直到显示器42显示出光束与所研究的容器区域的交叉点。接着对轮110进行调节从而使光束与容器在所需的轴向位置相交，并且转动卡盘160从而使光束与容器侧壁在所需的角度位置相交。将装置进行操作设置，将待测的一个新容器放置在卡盘160上并将其插入到装置中。
如果外玻璃和内玻璃的折射率截然不同(如1.520比1.522)，使用从外界面/内界面反射的光，而不需要使用起偏器38(图1)。参看图11，在外表面的底部切线处的轻微的折射在照相机32和显示器42上与不同的明亮的背景相反，产生了一条黑线200。因为在界面处将光线反射离开了照相机，因此外界面/内界面折射率的失配产生了第二条黑线204。外层产生相对厚的明亮区域202，而内层产生相对薄的明亮区域206。通过将区域202的宽度与已知厚度的相应图象相比较可以很快地测量出外层的厚度。光束和显示器还不够宽，所以不能显示在内玻璃层内部的玻璃/空气界面。图12描述了一个潜在的问题，其中在外玻璃图象202a,202b之间的线202c表示了在外玻璃层内部的可能存在的层理。在玻璃层的折射率接近的情况下，可以使用偏振光形成一个双折射图形表示具有内应力的外玻璃层的厚度。
这样提供了用于测量玻璃容器侧壁内的应力一种方法和装置，更具体地说是用于测量在套色玻璃瓶内的具有内应力的外玻璃层的厚度，它充分满足了前面提到的目的和目标。可以在生产环境中对容器进行快速测试用于生产过程的实时控制。可以在绕容器的周围或容器轴向的任何位置对外玻璃厚度进行测量。通过将圆周和轴向调节与自动调节装置，诸如电动机，相连，可以容易地对本发明在此公开的实施例进行自动操作。在测量过程中损失很少的折射率油(index oil)，更确切地说，本发明所述的适当的卡盘机构不仅阻止了油流入容器，而且对容器体相对于瓶口的摆动和失调进行了调节，保持了测量过程的连续性。