3. 机器视觉系统组成与选型
机器视觉系统并不是“买一台相机接上PLC”这么简单。它是一条从光到判断的完整链路：光源把被测特征照亮，镜头把特征成像到相机传感器，相机把光信号转成数字图像，图像采集卡或相机接口把图像送入视觉控制器，视觉控制器完成算法处理并输出结果，最后通过工业以太网或硬接线把结果交给ControlLogix，由PLC决定执行动作。任何一个环节不匹配，最终都会表现为“检测不稳定”或“节拍不够”。
选型的核心原则只有一句话：以被测特征和节拍为起点，反向推导每一级的能力边界，并保证相邻两级之间接口匹配。下面按链路顺序说明各环节的匹配要点。
一、相机：分辨率、帧率与接口的三角约束
相机选型首先要回答“最小要看清多大的缺陷”。假设被测工件视野为100mm×80mm，要求检测0.2mm的划痕，按“缺陷至少占3个像素”的经验，所需像素数为：
水平像素 ≥ 100mm ÷ 0.2mm × 3 = 1500 px
垂直像素 ≥ 80mm ÷ 0.2mm × 3 = 1200 px
→ 至少选择 200万像素（1600×1200）相机这是示例计算，实际应按对比度和算法鲁棒性调整。分辨率确定后，帧率必须满足节拍：若单件检测允许200ms，相机帧率至少5fps，但还要留出曝光、传输和处理时间，通常按2～3倍余量选型。接口方面，GigE Vision适合长距离布线（可达100m），USB3 Vision适合短距离高带宽，Camera Link适合高速多相机同步。接口带宽必须大于“分辨率×位深×帧率”，否则会丢帧。
二、镜头：焦距、视野与工作距离的几何关系
镜头决定“能不能把视野完整投到传感器上”。焦距f、工作距离WD、传感器尺寸S和视野FOV满足：
f = WD × S ÷ FOV例如传感器宽度为1/1.8英寸（约7.2mm），要求视野100mm，工作距离500mm，则f ≈ 500×7.2÷100 = 36mm，可选35mm定焦镜头。若工作距离受限，则需换更短焦距或更大传感器。此外，景深、畸变和光圈也影响成像：小光圈景深大但进光少，需与光源强度配合；远心镜头适合高精度尺寸测量，但视野小、成本高。
三、光源：让特征“自己说话”
光源的目标不是照亮，而是制造对比度。常见方式包括：环形光用于一般表面照明，条形光用于边缘增强，背光用于轮廓和尺寸测量，同轴光用于高反光表面。选型时要根据被测特征选择角度和颜色：例如检测金属表面划痕，用低角度条形光使划痕产生阴影；检测透明瓶液位，用背光形成明暗边界。光源控制器应支持频闪触发，与相机曝光同步，既提高亮度又延长LED寿命。
四、图像采集卡与视觉控制器：带宽和处理能力的匹配
如果相机是Camera Link或CoaXPress，就需要独立采集卡；GigE和USB3相机通常直接接入视觉控制器网口或USB口。采集卡选型看三点：通道数、单通道带宽、是否支持触发和IO。视觉控制器则要评估CPU/GPU算力、内存和实时性。一个实用的判断方法是：把单帧图像数据量乘以帧率，得到持续吞吐量，再与控制器处理能力对比。例如1600×1200灰度图约1.92MB，10fps就是19.2MB/s，普通工控机即可；若换成500万像素彩色图30fps，则约450MB/s，需要更高带宽和更强算力。
五、与ControlLogix的协同：通信周期和触发方式
视觉系统与ControlLogix的协同主要有两种方式：硬触发+硬结果和软触发+网络结果。硬触发由PLC输出点直接触发相机或光源，延迟低、确定性好，适合高速分拣；软触发通过EtherNet/IP发送命令，布线简单但受网络和扫描周期影响。结果回传常用显式报文（如MSG指令）或隐式报文（如Produced/Consumed标签）。关键匹配点是：视觉处理时间必须小于PLC允许的等待窗口，否则需要缓存结果或提前触发。
- 被测特征最小尺寸：____ mm，所需像素：____ px
- 视野：____ mm × ____ mm，工作距离：____ mm，计算焦距：____ mm
- 节拍要求：____ ms/件，相机帧率：____ fps，处理时间：____ ms
- 接口类型：GigE / USB3 / Camera Link，带宽需求：____ MB/s
- 触发方式：硬触发 / 软触发，结果回传：显式 / 隐式
- PLC等待窗口：____ ms，视觉总耗时：____ ms，是否满足：是 / 否
总结来说，选型不是追求单点最高指标，而是让光源、镜头、相机、采集卡、视觉控制器和ControlLogix形成一条节拍一致、带宽足够、触发可靠的链路。先明确被测特征和节拍，再逐级计算和验证，才能把“能看见”变成“能稳定判断并执行”。