3. 机器视觉系统组成与选型要点

机器视觉系统不是“买一台相机接上PLC”就能稳定工作的。它是一条从光到判断的链路：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，图像处理控制器完成算法判定，最后通过I/O或通信把结果交给iQ-F，由iQ-F决定气缸、电机、剔除机构如何动作。任何一个环节不匹配，最终都会表现为“误判、漏检、节拍不够、通信丢帧”。因此选型的核心不是单件参数最高，而是整条链路的匹配。

一、系统组成与信号链

从信号流角度看，机器视觉系统可分为五个功能块：照明单元（光源、光源控制器）、成像单元（镜头、工业相机）、处理单元（图像处理控制器或视觉软件）、通信/IO单元（数字I/O、以太网、CC-Link IE Field Basic等）、执行单元（iQ-F及下游执行机构）。iQ-F在这里既是“结果接收者”，也是“动作发起者”，有时还承担触发相机的角色。

典型触发链是：iQ-F输出触发信号→相机曝光→图像传输到处理控制器→算法判定OK/NG→结果回传iQ-F→iQ-F驱动剔除或分选。若把触发、判定、动作三者的时序搞错，即使算法正确，也会出现“判对了但动作晚了”的问题。

二、工业相机选型：先算分辨率，再看接口

相机选型的第一步不是看品牌，而是算所需分辨率。假设被测特征最小尺寸为0.2 mm，要求至少3个像素覆盖该特征，则单像素对应实际尺寸应≤0.067 mm。若视野FOV为100 mm×80 mm，则横向像素数≥100/0.067≈1493，纵向≥80/0.067≈1194，因此至少选择200万像素（1600×1200）以上的相机。若特征更小或精度要求更高，需相应提高分辨率。

第二步看传感器类型。运动中的工件必须用全局快门（Global Shutter），否则卷帘快门会产生果冻效应，导致定位偏移。第三步看帧率与接口：GigE Vision适合长距离、多相机；USB3.0适合短距离高带宽；Camera Link适合高速高分辨率。iQ-F本身不直接处理图像，因此相机接口主要与图像处理控制器匹配，而不是与PLC匹配。

三、镜头选型：焦距、工作距离与视野的三角关系

镜头选型常用公式：焦距 f ≈ (工作距离 WD × 传感器尺寸) / 视野 FOV。例如传感器宽度为1/1.8英寸（约7.2 mm），要求FOV宽度100 mm，工作距离500 mm，则f≈(500×7.2)/100=36 mm，可选35 mm定焦镜头。若工作距离受限，则需换更短焦距或更大传感器。

除焦距外，还要关注景深。光圈越小景深越大，但进光量减少，需提高光源亮度或延长曝光。对于高度有波动的工件，景深不足会导致部分区域模糊，算法阈值随之漂移。因此镜头选型必须与光源、相机曝光一起联调，而不是单独决定。

四、光源选型：让特征“自己跳出来”

光源的目标不是“照亮”，而是提高目标特征与背景的对比度。常见类型与适用场景：

• 环形光：通用照明，适合平面字符、划痕检测，但金属反光件易产生高光。
• 条形光：适合边缘增强、大平面均匀照明，可多角度组合。
• 背光：从工件背面打光，适合轮廓、尺寸、孔位检测，能获得高对比度剪影。
• 同轴光：适合镜面、金属表面，能抑制反光，突出平整度缺陷。
• 圆顶光：适合曲面、反光强烈的工件，提供均匀漫射光。

光源控制器还需考虑频闪与常亮。频闪可与相机曝光同步，延长LED寿命并提高瞬时亮度；常亮则接线简单，但发热和光衰更明显。若iQ-F需要根据工件有无动态切换光源，可通过PLC输出点控制光源控制器的触发通道。

五、图像处理控制器与iQ-F的协同匹配

图像处理控制器负责算法，iQ-F负责逻辑与动作。两者协同的关键是握手时序和数据映射。以数字I/O握手为例：iQ-F置位“触发输出”Y0→控制器收到触发后开始拍照→处理完成后置位“结果就绪”X0→iQ-F读取“OK/NG”X1→iQ-F复位Y0，等待下一周期。若使用以太网（如CC-Link IE Field Basic或Socket通信），则需约定数据格式，例如4字节结果区：第1字节状态码，第2字节X坐标，第3字节Y坐标，第4字节角度。

匹配原则可归纳为：相机分辨率匹配精度，镜头焦距匹配视野与工作距离，光源类型匹配特征对比度，控制器处理时间匹配节拍，通信方式匹配iQ-F的扫描周期与响应要求。任何一项不匹配，都会在最终判定或动作上暴露出来。

六、一个可参考的选型示例

假设检测对象为30 mm×20 mm的金属零件，要求检测两个孔位，孔位公差±0.05 mm，产线节拍60件/分钟（即1秒/件）。选型过程如下：

该示例中，500万像素相机在40 mm视野下单像素约0.0154 mm，满足±0.05 mm公差下3像素覆盖的要求；50 mm镜头在300 mm工作距离下视野约43 mm，略大于40 mm，留有余量。处理时间200 ms远小于1 s节拍，因此iQ-F可以用普通扫描周期完成触发和结果读取，无需高速中断。

最后要强调，机器视觉与iQ-F的协同不是“视觉出结果、PLC执行”这么简单。触发时机、结果保持时间、通信超时处理、NG件剔除确认，都需要在PLC程序中形成闭环。例如iQ-F发出触发后，若200 ms内未收到“结果就绪”，应置位通信超时报警并停止产线，而不是继续等待。只有把视觉系统当作iQ-F的一个“智能传感器”来设计时序和异常处理，整条链路才能真正稳定。