機(jī)電集成技術(shù)（中級(jí)）課件 工作站傳感器設(shè)備的適配

工作站傳感器設(shè)備的適配一、傳感器設(shè)備適配要素二、傳感器設(shè)備適配

1/26視覺(jué)傳感器是指通過(guò)對(duì)攝像機(jī)拍攝到的圖像進(jìn)行圖像處理，計(jì)算對(duì)象物的特征量（面積、重心、長(zhǎng)度、位置等），并輸出數(shù)據(jù)和判斷結(jié)果的傳感器。視覺(jué)傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線(xiàn)的數(shù)以千計(jì)的像素。圖像的清晰和細(xì)膩程度通常用分辨率來(lái)衡量，以像素?cái)?shù)量表示。在捕獲圖像之后，視覺(jué)傳感器將其與內(nèi)存中存儲(chǔ)的基準(zhǔn)圖像進(jìn)行比較，以做出分析。

按照功能和結(jié)構(gòu)劃分，常見(jiàn)的視覺(jué)傳感器有：3D視覺(jué)傳感器、智能視覺(jué)傳感器和基于PC的計(jì)算機(jī)視覺(jué)。

一傳感器設(shè)備適配要素1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)3D視覺(jué)傳感器智能視覺(jué)傳感器基于PC的計(jì)算機(jī)視覺(jué)2/26一傳感器設(shè)備適配要素1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)3D視覺(jué)傳感器3D圖像信息的獲取都是基于圖像傳感器獲取、量化圖像信息，這些圖像傳感器有的直接獲取可見(jiàn)光的圖像，有的間接通過(guò)檢測(cè)輻射、紅外線(xiàn)、X射線(xiàn)或者超聲波來(lái)獲取圖像信息。不同的傳感器技術(shù)有不同的分辨率、精度和噪聲。3D傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像、數(shù)碼相機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)等，這些不同的應(yīng)用均基于3D視覺(jué)圖像傳感器技術(shù)。3/26一傳感器設(shè)備適配要素智能視覺(jué)傳感器智能視覺(jué)傳感器也稱(chēng)智能相機(jī)，是一個(gè)兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)，是一種嵌入式計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)。智能相機(jī)將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和其他相關(guān)部件集成到一個(gè)單一的相機(jī)內(nèi)，這種一體化的設(shè)計(jì)可降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，并提高可靠性。同時(shí)系統(tǒng)尺寸大大縮小，拓寬了視覺(jué)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)4/26一傳感器設(shè)備適配要素智能視覺(jué)傳感器PC式視覺(jué)系統(tǒng)是一種基于個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC）的視覺(jué)系統(tǒng)，基于PC的機(jī)器視覺(jué)應(yīng)用系統(tǒng)尺寸較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)，但可達(dá)到理想的精度及速度，能實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜的系統(tǒng)功能。1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)5/26一個(gè)完整的視覺(jué)檢測(cè)系統(tǒng)通常由照明光源、工業(yè)鏡頭、CCD/CMOS傳感器、圖像采集卡、機(jī)器視覺(jué)軟件組成。

一傳感器設(shè)備適配要素1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)照明光源工業(yè)鏡頭CCD/CMOS傳感器圖像采集卡機(jī)器視覺(jué)軟件6/26其中CCD/CMOS傳感器將鏡頭獲取的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，圖像處理器負(fù)責(zé)儲(chǔ)存并處理這些電信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息。CCD和CMOS傳感器區(qū)別見(jiàn)表1。

一傳感器設(shè)備適配要素1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)序號(hào)CCDCMOS1串行處理并行處理2光線(xiàn)靈敏度高、圖像對(duì)比度高光線(xiàn)靈敏度低，圖像對(duì)比度低，高動(dòng)態(tài)范圍3低噪聲存在固定模式噪音4集成度較低高集成度5取圖速度慢、幀率低取圖速度快，幀率高表1CCD與CMOS的區(qū)別7/26一傳感器設(shè)備適配要素序號(hào)CCDCMOS6功耗一般功耗較低7成本較高成本低8光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大和轉(zhuǎn)換，由一個(gè)輸出節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一讀出。每個(gè)像素的信號(hào)放大器各自進(jìn)行電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，以類(lèi)似DRAM的方式讀出。續(xù)表11.視覺(jué)傳感器分類(lèi)8/26一傳感器設(shè)備適配要素1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)CCD傳感器CCD更適合于相對(duì)相機(jī)性能要求非常高而對(duì)成本控制不太嚴(yán)格的應(yīng)用領(lǐng)域，如天文、高清晰度的醫(yī)療X光影像、高精度檢測(cè)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)和其他需要長(zhǎng)時(shí)間曝光，對(duì)圖像噪聲要求嚴(yán)格的應(yīng)用。CMOS傳感器CMOS能應(yīng)用當(dāng)代大規(guī)模半導(dǎo)體集成電路生產(chǎn)工藝來(lái)生產(chǎn)，CMOS更適合于空間小、體積小、功耗低而對(duì)圖像噪聲和質(zhì)量要求不是很?chē)?yán)格的場(chǎng)合，如大部分有輔助光照明的工業(yè)檢測(cè)應(yīng)用、安防保安應(yīng)用、消費(fèi)型商業(yè)數(shù)碼相機(jī)應(yīng)用。9/26一傳感器設(shè)備適配要素

由傳感器的特點(diǎn)決定，CCD和CMOS傳感器各有利弊，在整個(gè)圖像傳感器市場(chǎng)上它們相互競(jìng)爭(zhēng)又相互補(bǔ)充，在有些時(shí)候，兩種傳感器之間是互補(bǔ)的，可以適用在不同的應(yīng)用場(chǎng)合。對(duì)于工業(yè)相機(jī)選擇傳感器的問(wèn)題，要以滿(mǎn)足機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)需要為標(biāo)準(zhǔn)：對(duì)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的選擇，要以生產(chǎn)檢測(cè)、工況監(jiān)控等需求為標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)需求選擇合適的傳感器。1.視覺(jué)傳感器分類(lèi)10/26力是構(gòu)件最基本和常見(jiàn)的工作載荷，也是其他載荷形式和有關(guān)物理量（力矩、扭矩、應(yīng)力、功、功率及剛度等）的基本因素。通過(guò)對(duì)構(gòu)件的力、扭矩和壓力的測(cè)量，可以分析其受力狀況和工作狀態(tài)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)計(jì)算，確定工作過(guò)程和某些物理現(xiàn)象的機(jī)理。對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行、自動(dòng)控制及設(shè)計(jì)理論的發(fā)展等都有重要的指導(dǎo)作用。測(cè)力的形式很多，根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理不同，有電阻式、電感式、電容式、壓磁式、壓電式等類(lèi)型。其中，電阻變式測(cè)力使用最為廣泛。力的測(cè)量是在被測(cè)對(duì)象上直接布片組橋，或在彈性元件上布片組橋，組成各種測(cè)力儀。一傳感器設(shè)備適配要素2.力覺(jué)傳感器分類(lèi)11/26電阻變式測(cè)力常用的彈性元件有柱式、梁式、環(huán)式、輪輻等多種形式。不同的彈性元件具體特點(diǎn)及應(yīng)用見(jiàn)下表2。一傳感器設(shè)備適配要素表2電阻應(yīng)變式測(cè)力元件特點(diǎn)及應(yīng)用場(chǎng)合序號(hào)名稱(chēng)特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合1柱式彈性元件一般使用實(shí)心圓柱彈性元件或空心圓柱彈性元件。若要提高靈敏度，必須減小橫截面積。橫截面積的減小受到允許應(yīng)力和線(xiàn)性要求的限制，同時(shí)，對(duì)橫向力干擾敏感。為此，在力測(cè)量時(shí)，多采用空心圓柱式的。柱式力傳感器可以測(cè)量0.1-3000t的載荷，常用于軋鋼設(shè)備的軋制力測(cè)量。2.力覺(jué)傳感器分類(lèi)12/26一傳感器設(shè)備適配要素序號(hào)名稱(chēng)特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合2梁式彈性元件有等截面梁和等強(qiáng)度梁。需要根據(jù)最大載荷力和材料的允許應(yīng)力確定梁的尺寸。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，靈敏度高。梁式彈性元件制作的力傳感器使用于測(cè)量500kg以下的載荷，最小可測(cè)幾克重的力。在應(yīng)力測(cè)量中，經(jīng)常把等強(qiáng)度梁作為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力應(yīng)變?cè)O(shè)備，對(duì)被測(cè)量進(jìn)行標(biāo)定。3環(huán)式彈性元件環(huán)式彈性元件的彈性體為整體結(jié)構(gòu)，受力狀態(tài)穩(wěn)定，并具有良好的溫度均勻性。其輸出靈敏度高，應(yīng)力流線(xiàn)分布合理。環(huán)式的拉、壓力傳感器可測(cè)量0.5-30t拉、壓力。多用于平臺(tái)稱(chēng)、料斗稱(chēng)及其他各種稱(chēng)測(cè)力的場(chǎng)合。續(xù)表22.力覺(jué)傳感器分類(lèi)13/26一傳感器設(shè)備適配要素序號(hào)名稱(chēng)特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合4輪輻式彈性元件輪輻式彈性元件形似帶有輻條的車(chē)輪，其受力可分為拉壓、彎曲和剪切。前兩類(lèi)測(cè)力彈性元件經(jīng)常采用，精度和穩(wěn)定性達(dá)到一定水平，但是安裝條件變化或受力點(diǎn)移動(dòng)會(huì)引起難以估計(jì)的誤差。剪切受力的彈性元件具有對(duì)加載方式不敏感、抗偏載、側(cè)向穩(wěn)定、外形矮等特點(diǎn)。輪輻式壓力傳感器在料斗稱(chēng)、汽車(chē)衡、軌道衡等電子稱(chēng)重廣泛使用，在各種工業(yè)稱(chēng)重系統(tǒng)中用做力的分析與測(cè)量。續(xù)表22.力覺(jué)傳感器分類(lèi)14/26一傳感器設(shè)備適配要素序號(hào)名稱(chēng)特點(diǎn)應(yīng)用場(chǎng)合5S形測(cè)力傳感器S形拉、壓力傳感器，承受拉、壓力均可，輸出對(duì)稱(chēng)性好，精度高，結(jié)構(gòu)緊湊具有抗扭、抗側(cè)、抗偏載能力。適用于皮帶稱(chēng)、料斗稱(chēng)、配料稱(chēng)、機(jī)電結(jié)構(gòu)稱(chēng)、吊鉤稱(chēng)、包裝稱(chēng)、萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)及各種工程裝置的測(cè)力。續(xù)表22.力覺(jué)傳感器分類(lèi)15/26位置傳感器是用來(lái)檢測(cè)位置、反映某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)，僅用于判定某一個(gè)指定位置、某種狀態(tài)的開(kāi)關(guān)量，例如到位信號(hào)的檢測(cè)。位置傳感器有接觸式和接近式兩種，本節(jié)以工作站中接近式位置傳感器的選擇為例，進(jìn)行位置傳感器方案適配的講解。接近式傳感器（接近開(kāi)關(guān)）是用來(lái)判別在某一范圍內(nèi)是否有某一物體的傳感器，能將檢測(cè)對(duì)象的移動(dòng)信息和存在信息轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)。常見(jiàn)的接近開(kāi)關(guān)有以下幾種：電容式接近開(kāi)關(guān)、電感式接近開(kāi)關(guān)、光電式接近開(kāi)關(guān)、超聲波接近開(kāi)關(guān)和光纖接近開(kāi)關(guān)。具體的功能見(jiàn)表3。一傳感器設(shè)備適配要素3.位置傳感器分類(lèi)16/26一傳感器設(shè)備適配要素序號(hào)名稱(chēng)功能特性1電感式接近開(kāi)關(guān)導(dǎo)電物體在靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用到接近開(kāi)關(guān)，使開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)導(dǎo)電物體移近，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是導(dǎo)體。2電容式接近開(kāi)關(guān)這種開(kāi)關(guān)的測(cè)量頭通常是構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，而另一個(gè)極板是開(kāi)關(guān)的外殼。這個(gè)外殼在測(cè)量過(guò)程中通常是接地或與設(shè)備的機(jī)殼相連接。當(dāng)有物體靠近接近開(kāi)關(guān)時(shí)，不論它是否為導(dǎo)體，由于它的接近，總要使電容的介電常數(shù)發(fā)生突變，從而使電容量發(fā)生變化，使得與測(cè)量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化，由此便可控制開(kāi)關(guān)的接通或斷開(kāi)。這種接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)的對(duì)象，不限于導(dǎo)體，可以是絕緣的液體或粉狀物等。表3接近開(kāi)關(guān)3.位置傳感器分類(lèi)17/26一傳感器設(shè)備適配要素續(xù)表3序號(hào)名稱(chēng)功能特性3霍爾接近開(kāi)關(guān)霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開(kāi)關(guān)，叫做霍爾開(kāi)關(guān)。當(dāng)磁性物件移近霍爾開(kāi)關(guān)時(shí)，開(kāi)關(guān)檢測(cè)面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開(kāi)關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識(shí)別磁性物體是否存在，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種接近開(kāi)關(guān)的檢測(cè)對(duì)象必須是磁性物體。4光電式接近開(kāi)關(guān)利用光電效應(yīng)做成的開(kāi)關(guān)叫光電開(kāi)關(guān)。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一檢測(cè)頭內(nèi)。當(dāng)有反光面（被檢測(cè)物體）接近時(shí)，光電器件接收到反射光后便有信號(hào)輸出，由此便可“感知”有物體接近。3.位置傳感器分類(lèi)18/26一傳感器設(shè)備適配要素續(xù)表3序號(hào)名稱(chēng)功能特性5多普勒式接近開(kāi)關(guān)當(dāng)觀察者或系統(tǒng)對(duì)波源的距離發(fā)生改變時(shí)，接近到的波的頻率會(huì)發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)，聲納和雷達(dá)就是利用這個(gè)效應(yīng)的原理制成的。利用多普勒效應(yīng)可制成超聲波接近開(kāi)關(guān)、微波接近開(kāi)關(guān)等。當(dāng)有物體移近時(shí)，接近開(kāi)關(guān)接收到的反射信號(hào)會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，由此可以識(shí)別出有無(wú)物體接近。3.位置傳感器分類(lèi)19/26

（1）視覺(jué)傳感器功能需求在工作站中，對(duì)于不同的檢測(cè)工藝，涉及到需要檢測(cè)的內(nèi)容如右圖所示，同時(shí)，要求視覺(jué)傳感器可以快速識(shí)別不同的檢測(cè)特征，且響應(yīng)快，靈敏度高；能與外部PLC設(shè)備或機(jī)器人設(shè)備進(jìn)行并行、串行的開(kāi)放式協(xié)議通信，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)結(jié)果的反饋。視覺(jué)軟件的功能，要求操作簡(jiǎn)單，以圖形化編程方式為主，代碼編程為輔。二傳感器設(shè)備適配1.工作站視覺(jué)傳感器適配檢測(cè)汽車(chē)車(chē)標(biāo)圖案；檢測(cè)輪轂二維碼編號(hào)信息；顏色檢測(cè)；檢測(cè)輪轂外形尺寸；車(chē)標(biāo)安裝定位檢測(cè)等。20/26

（2）視覺(jué)傳感器適配視覺(jué)傳感器的選擇，一般以能實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目功能要求為前提，其次從精度、價(jià)格、產(chǎn)品質(zhì)量幾個(gè)方面去綜合考慮。由于工作站中使用到的視覺(jué)檢測(cè)精度高，例如車(chē)標(biāo)輪廓檢測(cè)，對(duì)圖像成形要求高，為了更加準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)行視覺(jué)傳感器適配時(shí)，選用CCD傳感器更佳。由于工作站并未涉及立體檢測(cè)物的檢測(cè)，所以無(wú)需選用3D視覺(jué)。基于PC的視覺(jué)和智能相機(jī)均能滿(mǎn)足功能要求，但是基于PC的視覺(jué)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，所以此處優(yōu)先選擇使用智能相機(jī)。二傳感器設(shè)備適配1.工作站視覺(jué)傳感器適配21/26

（1）力覺(jué)傳感器功能需求在工作站中，力覺(jué)傳感器應(yīng)用在壓裝單元（圖1）中，用于檢測(cè)沖壓過(guò)程中沖壓力的大小，當(dāng)沖壓力超過(guò)量程設(shè)定時(shí)，會(huì)進(jìn)行報(bào)錯(cuò)。二傳感器設(shè)備適配圖1測(cè)力傳感器2.工作站力傳感器適配22/26

（2）測(cè)力傳感器的適配在壓裝單元中，主要是檢測(cè)壓力的大小，使用電阻式應(yīng)變測(cè)量可以滿(mǎn)足要求。根據(jù)實(shí)際情況，汽車(chē)輪胎及車(chē)標(biāo)沖壓是自上而下的，且輪轂為圓形，對(duì)比不同的彈性元件，可以排除使用梁式彈性元件。環(huán)式、輪輻式、S形測(cè)力傳感器多應(yīng)用于稱(chēng)重場(chǎng)合，而柱式傳感器在軋壓場(chǎng)合應(yīng)用較廣泛。所以對(duì)測(cè)力傳感器進(jìn)行適配時(shí)，優(yōu)先選擇柱式測(cè)力傳感器。二傳感器設(shè)備適配2.工作站力傳感器適配23/26

（1）光電傳感器的需求工作站的執(zhí)行單元中，需要設(shè)置相應(yīng)的限位開(kāi)關(guān)以及原點(diǎn)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)伺服滑臺(tái)的精確行程限位及到位檢測(cè)，需要使用到光電傳感器。同時(shí)，伺服滑臺(tái)的安裝位置狹小,如圖2所示。二傳感器設(shè)備適配圖2伺服軸限位、原點(diǎn)開(kāi)關(guān)3.工作站接近開(kāi)關(guān)適配24/26工作站倉(cāng)儲(chǔ)單元中，為了檢測(cè)每個(gè)倉(cāng)儲(chǔ)工位是否有工件存在，需要使用到光電傳感器進(jìn)行檢測(cè)，要求能靈敏檢測(cè)、檢測(cè)穩(wěn)定、檢測(cè)距離較大，如圖3所示。二傳感器設(shè)備