第三章：视觉系统硬件选型——工业相机、镜头与光源
各位工程师朋友，大家好。欢迎来到《视觉引导焊接系统设计精讲》的第三章。
这一章，我们聊聊硬件选型。说白了，就是给焊接系统的“眼睛”配齐零件。相机、镜头、光源，这三样东西选不好，后面的算法再牛也白搭。我在项目里见过太多“算法调了三个月，最后发现是镜头没选对”的案例了。嗯，咱们今天就把这事彻底讲透。
3.1 工业相机选型：CCD vs CMOS
先问个问题：你选相机时，第一反应是看分辨率还是看帧率？
其实，第一步应该先定传感器类型。CCD和CMOS之争，在焊接视觉领域其实早有定论。
核心结论：焊接场景强烈推荐全局快门的CMOS相机。CCD虽然成像干净，但速度慢、成本高，已经逐渐被淘汰了。
我个人习惯这样区分：
- CCD：适合静态、高精度测量。比如检测焊点位置是否偏移。但帧率低，一般30fps到头了。
- CMOS（全局快门）：适合动态、高速场景。比如焊缝跟踪、电弧区域实时捕捉。帧率可以做到100fps以上。
我在项目中遇到过一件事：客户非要省钱用卷帘快门的CMOS，结果焊接时电弧一闪，图像直接撕裂了。为什么？因为卷帘快门是逐行曝光的，电弧变化太快，拍到一半电弧灭了，图像上半截亮、下半截暗。你说这怎么处理？
避坑指南：我曾经在一条汽车底盘焊接线上吃过亏。当时选了500万像素的CCD，结果机器人一加速，图像就拖影。后来换成200万像素的全局快门CMOS，反而效果更好。记住：焊接场景，帧率比分辨率重要。
选型参数速查表：
| 参数 | 焊接跟踪场景 | 焊后检测场景 |
|---|---|---|
| 传感器类型 | CMOS 全局快门 | CCD 或 CMOS |
| 分辨率 | 1280×1024 足够 | 2448×2048 或更高 |
| 帧率 | ≥60fps | ≥15fps |
| 接口 | GigE 或 USB3.0 | GigE |
| 触发方式 | 硬件触发（必须） | 软件触发可接受 |
3.2 镜头选型：焦距、光圈、景深
镜头这东西，很多人觉得“能看清就行”。其实不然。你想想看，焊接现场有弧光、有烟尘、有高温，镜头选不好，图像质量直接崩掉。
三个核心参数，我一个个说。
3.2.1 焦距
焦距决定了视野大小。公式很简单：
焦距 = 工作距离 × 传感器靶面尺寸 / 视野宽度举个例子：你需要在500mm处拍一个200mm宽的焊缝，传感器靶面是1/2英寸（宽6.4mm）。那么：
焦距 = 500 × 6.4 / 200 = 16mm我建议选16mm或25mm定焦镜头。变焦镜头虽然灵活，但焊接现场震动大，变焦结构容易松动。定焦镜头，稳。
3.2.2 光圈
光圈控制进光量。焊接场景有个矛盾：
- 光圈大（F1.4~F2.8）：进光多，但景深浅，焊丝稍微一抖就虚了。
- 光圈小（F8~F16）：景深深，但进光少，需要补光。
我个人习惯用F4~F5.6。为什么？因为焊接弧光本身就很亮，不需要大光圈。而且F4左右的景深，刚好能覆盖焊缝起伏范围。
小技巧：如果你用激光结构光做焊缝跟踪，记得把光圈收到F8。激光线很细，景深不够的话，焊缝坡口两侧的激光线会模糊。我吃过这个亏，后来老老实实加了偏振片。
3.2.3 景深
景深公式我就不列了，太复杂。你记住一个经验值：
- 焊接跟踪：景深需要≥10mm（焊缝起伏范围）
- 焊后检测：景深需要≥5mm（平面检测）
如果景深不够怎么办？两个办法：收光圈，或者用远心镜头。远心镜头虽然贵，但景深大、畸变小，适合精密测量。
3.3 光源选型：环形光、条形光、背光
光源是视觉系统里最容易被低估的环节。我见过有人花两万买相机，却用几十块的LED手电筒打光。结果呢？图像对比度一塌糊涂。
焊接场景的光源选型，我按三种常见结构来说。
3.3.1 环形光
环形光装在镜头周围，光线均匀。适合检测焊道表面缺陷，比如气孔、裂纹。
- 优点：安装方便，光线均匀
- 缺点：对高反光表面（如镜面不锈钢）效果差
- 适用场景：焊后外观检测、焊缝轮廓提取
我记得有一次做铝合金焊接检测，环形光打上去全是反光。后来加了偏振片，才把反光压下去。嗯，这里要注意：环形光一定要配偏振片，否则弧光反射会让你怀疑人生。
3.3.2 条形光
条形光从侧面打光，能突出焊缝的立体感。适合焊缝跟踪。
- 优点：能凸显焊缝坡口边缘
- 缺点：阴影重，需要调整角度
- 适用场景：V型坡口、角焊缝的跟踪
我建议条形光与焊缝成30°~45°角。角度太小，阴影太浅；角度太大，坡口底部被遮挡。这个角度我调了不下50次才找到最佳值。
3.3.3 背光
背光从工件背面打光，形成高对比度的轮廓。适合测量焊丝伸出长度、焊嘴位置。
- 优点：对比度极高，边缘清晰
- 缺点：需要工件背面有空间
- 适用场景：焊丝位置校准、焊嘴磨损检测
避坑指南：我曾经在一条自动化产线上用背光检测焊丝位置，结果发现图像里总有黑点。排查了两天，才发现是焊丝上的油污被背光照出来了。后来加了吹气装置，问题解决。所以，背光虽然好，但工件表面清洁度必须达标。
3.4 知识体系总览
下面这张图，是我自己总结的视觉系统硬件选型逻辑。你照着这个思路走，基本不会出错。
这张图的逻辑很简单：先搞清楚你的焊接工艺是什么（MIG？TIG？激光焊？），再确定机器人运动速度，然后反推相机帧率、镜头焦距、光源类型。顺序不能乱。
最后说一句：硬件选型没有标准答案。我给你的参数都是经验值，具体项目一定要做实验验证。拿块试板，架好相机，调好光源，拍几张图看看效果。这一步省不了。
好了，这一章就到这里。下一章我们聊软件——图像预处理算法怎么选、怎么调。到时候见。
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