3. 机器视觉系统基础与iQ-R协同定位

在MELSEC iQ-R的协同定位场景中，视觉系统并不是一个“独立黑盒”，而是由相机、镜头、光源、图像采集卡与视觉控制器共同构成的信号链。PLC负责运动控制与逻辑时序，视觉系统负责把工件的位置、角度、有无、缺陷等状态转换为可被PLC消费的数据。理解每个环节的角色与选型边界，才能让视觉定位结果稳定地进入iQ-R的定位运算与动作序列。

一、五个环节的角色分工

相机是成像的起点，决定分辨率、帧率、快门方式与接口类型。面阵相机适合大多数二维定位，线阵相机适合连续运动工件的表面检测。全局快门在运动拍摄中不会产生果冻效应，是协同定位的优先选择。

镜头决定视野（FOV）、工作距离（WD）与解析精度。选型时先由FOV和WD反推焦距，再由最小可检测特征反推所需像素分辨率。远心镜头在测量场景中能抑制透视误差，但成本与体积更高。

光源决定图像对比度与稳定性。环形光、条形光、同轴光、背光分别适用于不同表面与边缘特征。光源控制器支持频闪与亮度调节，可与相机触发同步，减少环境光干扰。

图像采集卡负责高速图像数据的接收与传输，常见于Camera Link、CoaXPress等接口。若采用GigE Vision或USB3 Vision相机，可绕过采集卡直接接入视觉控制器或工控机。

视觉控制器运行图像处理算法，输出定位坐标、角度、匹配分数等结果。它通过以太网、EtherNet/IP、PROFINET或CC-Link IE与iQ-R交换数据。在iQ-R协同中，视觉控制器通常作为从站或通信伙伴，PLC通过I/O或报文读取结果。

二、从定位精度反推选型参数

假设某装配工位需要检测工件上直径约2 mm的定位孔，要求定位重复精度优于0.05 mm。可按以下顺序估算：

1. 确定视野FOV：工件定位区域约80 mm × 60 mm，留出余量后取FOV为100 mm × 75 mm。
2. 计算所需像素：若要求每个特征至少覆盖4个像素，则0.05 mm对应4像素，单像素分辨率约0.0125 mm。横向像素数 = 100 / 0.0125 = 8000像素。这个数值偏高，说明需要重新审视精度要求或采用亚像素算法。
3. 若采用亚像素边缘提取，实际单像素分辨率可放宽到0.05 mm，则横向像素数 = 100 / 0.05 = 2000像素，选择500万像素（约2448×2048）相机即可覆盖。
4. 镜头焦距估算：若相机传感器宽度为2/3英寸（约8.8 mm），WD设为300 mm，则焦距 f ≈ WD × 传感器宽度 / FOV = 300 × 8.8 / 100 ≈ 26.4 mm，可选25 mm或35 mm定焦镜头，再通过微调WD匹配FOV。

以上为示例估算，实际选型需结合镜头畸变、安装空间与景深要求复核。景深不足时，可缩小光圈或改用远心镜头。

三、光源与图像采集的协同要点

光源选型直接影响图像对比度与算法稳定性。背光适合轮廓与尺寸测量，环形光适合表面字符与标记，同轴光适合高反光金属表面。若工件在运动中拍摄，光源需支持频闪模式，并与相机曝光同步。频闪控制器通常接收PLC或视觉控制器的触发信号，在曝光窗口内点亮，避免运动模糊。

图像采集卡的选择取决于相机接口与数据率。以500万像素、8位灰度、60 fps为例，数据率约为2448 × 2048 × 1 × 60 ≈ 300 MB/s。GigE Vision在千兆网下理论带宽约125 MB/s，无法满足；此时需选择万兆网、USB3 Vision或CoaXPress采集卡。若帧率降至15 fps，数据率约75 MB/s，千兆网即可承载。

四、视觉控制器与iQ-R的接口与数据交换

视觉控制器与iQ-R的协同方式主要有三类：

• I/O硬线：视觉控制器输出“定位完成”“OK/NG”等开关量，PLC读取后执行动作。适合结果简单、节拍宽松的场景。
• 以太网报文：通过TCP/UDP或EtherNet/IP交换坐标、角度、匹配分数等数据。iQ-R侧使用套接字通信或预定义协议功能块读取。
• CC-Link IE Field/IE TSN：视觉控制器作为从站，PLC以周期通信方式读取结果，刷新周期稳定，适合高节拍协同定位。

无论采用哪种方式，都需确认三个参数：结果刷新周期、触发延迟、坐标原点定义。刷新周期应小于PLC定位运算的节拍；触发延迟影响从拍照到结果可用的时间；坐标原点需在视觉侧与PLC侧统一标定，通常以工件托盘或机械原点为基准。

五、选型检查清单

实际项目中，建议先用样品在目标光源与镜头组合下拍摄，验证特征对比度与定位重复性，再锁定相机与采集卡型号。视觉控制器与iQ-R的通信协议应在选型阶段确认，避免后期因刷新周期或数据格式不匹配而返工。