2. 在线视觉计量系统架构

在线视觉计量系统并不是“相机加算法”的简单组合，而是一条从光到执行、从像素到控制指令的完整信号链。理解这条链路上每个部件的职责与接口，是后续做SPC监控和过程闭环的前提。本节先拆解系统架构，再对比三种计量模式的适用边界。

2.1 系统架构：从光到执行的七类角色

一套典型的在线视觉计量系统由七类角色构成，它们按信号流向依次协同：

• 光源：提供稳定、可重复的照明条件。常用背光（轮廓测量）、环形光（表面缺陷）、同轴光（镜面/高反光件）、条形光（划痕增强）。光源的稳定性直接决定图像灰度的一致性，是计量重复性的第一道关口。
• 镜头：决定视场（FOV）、工作距离（WD）与分辨率。远心镜头用于消除透视误差，适合尺寸计量；普通FA镜头适合大视场定位。选型时需核算像素当量：像素当量 = FOV宽度 ÷ 相机水平像素数。
• 相机：将光信号转为数字图像。面阵相机用于静态或步进拍摄，线阵相机用于连续运动工件。关键参数包括分辨率、帧率、快门方式（全局/卷帘）、接口（GigE、USB3、Camera Link）。
• 控制器/图像采集单元：负责触发时序、曝光同步、光源频闪控制。它把产线编码器或PLC的到位信号转换为相机触发信号，保证“工件到位即拍”。
• 边缘计算单元：运行图像处理与计量算法，输出尺寸、偏差、判定结果。它同时承担与PLC的通信（通常为Modbus TCP、Profinet、EtherNet/IP）和与MES/SPC系统的数据上传。
• 执行机构：根据判定结果执行分选、剔除、标记或参数补偿。常见有气缸推料、吹气剔除、机械臂抓取、伺服微调。
• 产线PLC：作为产线控制核心，负责节拍调度、安全联锁，并接收边缘计算单元的OK/NG信号驱动执行机构。

这七类角色的协同关系可以用下面的信号链图表示。图中标注了关键接口与信号方向，便于对照实际接线与通信配置。

2.2 在线、离线、近线三种计量模式

三种模式的核心差异在于“测量发生在生产流程的哪个位置”以及“结果如何反馈到过程”。

在线计量（In-line）：测量工位嵌入产线节拍内，工件到达即测，结果实时输出。典型节拍为0.5～3秒/件。优点是100%全检、反馈延迟低，可直接驱动执行机构剔除不良品。代价是相机与光源需适应产线振动、温度漂移和粉尘，且算法必须在节拍内完成。在线模式适合尺寸公差较紧、批量大、不良代价高的场景，如精密冲压件、连接器端子、瓶盖尺寸。

离线计量（Off-line）：从产线抽取样品，送到独立测量室或离线设备上测量。节拍不受产线约束，可用更高分辨率相机、更复杂的多帧合成或亚像素算法，精度通常比在线高一个等级。缺点是反馈滞后，只能做抽样SPC，无法实时拦截不良品。适合首件检验、型式试验、争议仲裁或高精度校准。

近线计量（Near-line）：测量设备位于产线旁，但不嵌入主节拍。通常由操作员或AGV将样品从产线转移到近线工位，测量结果在数分钟内反馈到过程。它介于在线与离线之间：比离线快，比在线灵活；可配置较复杂的照明和多角度拍摄，又不必承受在线节拍的硬约束。适合换型频繁、批量中等、需要较快反馈但节拍无法嵌入的场景。

2.3 三种模式的对比与选型依据

下表从测量位置、节拍约束、典型精度、反馈延迟、抽检比例、环境适应性和适用场景七个维度进行对比。表中精度为示例性参考值，实际取决于具体光学配置与算法。

2.4 选型时的关键判断

实际选型时，建议按以下顺序判断：

1. 先看节拍：若产线节拍小于3秒且需要全检，优先在线；若节拍宽松或可缓冲，近线更经济。
2. 再看精度需求：若公差带小于0.02 mm，在线方案需核算像素当量与重复性，必要时改用近线或离线做补充验证。
3. 再看反馈闭环：若需要实时剔除或参数补偿，必须在线；若只需SPC趋势监控，近线即可满足。
4. 最后看环境：产线振动大、粉尘多、温度波动大时，在线系统的光源与相机需加防护，或考虑近线方案降低环境要求。

理解架构与模式差异后，下一步需要把测量结果转化为可监控的SPC数据流。这要求边缘计算单元不仅输出OK/NG，还要输出实际测量值、偏差方向和测量时间戳，为后续控制图与过程能力分析提供数据基础。