機電集成技術（中級）課件 工作站傳感器設備的適配

工作站傳感器設備的適配一、傳感器設備適配要素二、傳感器設備適配

1/26視覺傳感器是指通過對攝像機拍攝到的圖像進行圖像處理，計算對象物的特征量（面積、重心、長度、位置等），并輸出數(shù)據(jù)和判斷結果的傳感器。視覺傳感器具有從一整幅圖像捕獲光線的數(shù)以千計的像素。圖像的清晰和細膩程度通常用分辨率來衡量，以像素數(shù)量表示。在捕獲圖像之后，視覺傳感器將其與內(nèi)存中存儲的基準圖像進行比較，以做出分析。

按照功能和結構劃分，常見的視覺傳感器有：3D視覺傳感器、智能視覺傳感器和基于PC的計算機視覺。

一傳感器設備適配要素1.視覺傳感器分類3D視覺傳感器智能視覺傳感器基于PC的計算機視覺2/26一傳感器設備適配要素1.視覺傳感器分類3D視覺傳感器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光的圖像，有的間接通過檢測輻射、紅外線、X射線或者超聲波來獲取圖像信息。不同的傳感器技術有不同的分辨率、精度和噪聲。3D傳感器具有廣泛的用途，比如多媒體手機、網(wǎng)絡攝像、數(shù)碼相機、虛擬現(xiàn)實等，這些不同的應用均基于3D視覺圖像傳感器技術。3/26一傳感器設備適配要素智能視覺傳感器智能視覺傳感器也稱智能相機，是一個兼具圖像采集、圖像處理和信息傳遞功能的小型機器視覺系統(tǒng)，是一種嵌入式計算機視覺系統(tǒng)。智能相機將圖像傳感器、數(shù)字處理器、通訊模塊和其他相關部件集成到一個單一的相機內(nèi)，這種一體化的設計可降低系統(tǒng)的復雜度，并提高可靠性。同時系統(tǒng)尺寸大大縮小，拓寬了視覺技術的應用領域。1.視覺傳感器分類4/26一傳感器設備適配要素智能視覺傳感器PC式視覺系統(tǒng)是一種基于個人計算機（PC）的視覺系統(tǒng)，基于PC的機器視覺應用系統(tǒng)尺寸較大、結構復雜，開發(fā)周期較長，但可達到理想的精度及速度，能實現(xiàn)較為復雜的系統(tǒng)功能。1.視覺傳感器分類5/26一個完整的視覺檢測系統(tǒng)通常由照明光源、工業(yè)鏡頭、CCD/CMOS傳感器、圖像采集卡、機器視覺軟件組成。

一傳感器設備適配要素1.視覺傳感器分類照明光源工業(yè)鏡頭CCD/CMOS傳感器圖像采集卡機器視覺軟件6/26其中CCD/CMOS傳感器將鏡頭獲取的圖像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?，圖像處理器負責儲存并處理這些電信號，并將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像信息。CCD和CMOS傳感器區(qū)別見表1。

一傳感器設備適配要素1.視覺傳感器分類序號CCDCMOS1串行處理并行處理2光線靈敏度高、圖像對比度高光線靈敏度低，圖像對比度低，高動態(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7/26一傳感器設備適配要素序號CCDCMOS6功耗一般功耗較低7成本較高成本低8光學信號轉(zhuǎn)換成電荷信號，再經(jīng)過放大和轉(zhuǎn)換，由一個輸出節(jié)點統(tǒng)一讀出。每個像素的信號放大器各自進行電荷-電壓的轉(zhuǎn)換，以類似DRAM的方式讀出。續(xù)表11.視覺傳感器分類8/26一傳感器設備適配要素1.視覺傳感器分類CCD傳感器CCD更適合于相對相機性能要求非常高而對成本控制不太嚴格的應用領域，如天文、高清晰度的醫(yī)療X光影像、高精度檢測工業(yè)現(xiàn)場和其他需要長時間曝光，對圖像噪聲要求嚴格的應用。CMOS傳感器CMOS能應用當代大規(guī)模半導體集成電路生產(chǎn)工藝來生產(chǎn)，CMOS更適合于空間小、體積小、功耗低而對圖像噪聲和質(zhì)量要求不是很嚴格的場合，如大部分有輔助光照明的工業(yè)檢測應用、安防保安應用、消費型商業(yè)數(shù)碼相機應用。9/26一傳感器設備適配要素

由傳感器的特點決定，CCD和CMOS傳感器各有利弊，在整個圖像傳感器市場上它們相互競爭又相互補充，在有些時候，兩種傳感器之間是互補的，可以適用在不同的應用場合。對于工業(yè)相機選擇傳感器的問題，要以滿足機器視覺系統(tǒng)需要為標準：對機器視覺系統(tǒng)的選擇，要以生產(chǎn)檢測、工況監(jiān)控等需求為標準，根據(jù)需求選擇合適的傳感器。1.視覺傳感器分類10/26力是構件最基本和常見的工作載荷，也是其他載荷形式和有關物理量（力矩、扭矩、應力、功、功率及剛度等）的基本因素。通過對構件的力、扭矩和壓力的測量，可以分析其受力狀況和工作狀態(tài)，驗證設計計算，確定工作過程和某些物理現(xiàn)象的機理。對設備的安全運行、自動控制及設計理論的發(fā)展等都有重要的指導作用。測力的形式很多，根據(jù)其轉(zhuǎn)換原理不同，有電阻式、電感式、電容式、壓磁式、壓電式等類型。其中，電阻變式測力使用最為廣泛。力的測量是在被測對象上直接布片組橋，或在彈性元件上布片組橋，組成各種測力儀。一傳感器設備適配要素2.力覺傳感器分類11/26電阻變式測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及應用見下表2。一傳感器設備適配要素表2電阻應變式測力元件特點及應用場合序號名稱特點應用場合1柱式彈性元件一般使用實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力和線性要求的限制，同時，對橫向力干擾敏感。為此，在力測量時，多采用空心圓柱式的。柱式力傳感器可以測量0.1-3000t的載荷，常用于軋鋼設備的軋制力測量。2.力覺傳感器分類12/26一傳感器設備適配要素序號名稱特點應用場合2梁式彈性元件有等截面梁和等強度梁。需要根據(jù)最大載荷力和材料的允許應力確定梁的尺寸。這種傳感器結構簡單，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量500kg以下的載荷，最小可測幾克重的力。在應力測量中，經(jīng)常把等強度梁作為標準應力應變設備，對被測量進行標定。3環(huán)式彈性元件環(huán)式彈性元件的彈性體為整體結構，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，應力流線分布合理。環(huán)式的拉、壓力傳感器可測量0.5-30t拉、壓力。多用于平臺稱、料斗稱及其他各種稱測力的場合。續(xù)表22.力覺傳感器分類13/26一傳感器設備適配要素序號名稱特點應用場合4輪輻式彈性元件輪輻式彈性元件形似帶有輻條的車輪，其受力可分為拉壓、彎曲和剪切。前兩類測力彈性元件經(jīng)常采用，精度和穩(wěn)定性達到一定水平，但是安裝條件變化或受力點移動會引起難以估計的誤差。剪切受力的彈性元件具有對加載方式不敏感、抗偏載、側向穩(wěn)定、外形矮等特點。輪輻式壓力傳感器在料斗稱、汽車衡、軌道衡等電子稱重廣泛使用，在各種工業(yè)稱重系統(tǒng)中用做力的分析與測量。續(xù)表22.力覺傳感器分類14/26一傳感器設備適配要素序號名稱特點應用場合5S形測力傳感器S形拉、壓力傳感器，承受拉、壓力均可，輸出對稱性好，精度高，結構緊湊具有抗扭、抗側、抗偏載能力。適用于皮帶稱、料斗稱、配料稱、機電結構稱、吊鉤稱、包裝稱、萬能材料試驗機及各種工程裝置的測力。續(xù)表22.力覺傳感器分類15/26位置傳感器是用來檢測位置、反映某種狀態(tài)的開關，僅用于判定某一個指定位置、某種狀態(tài)的開關量，例如到位信號的檢測。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，進行位置傳感器方案適配的講解。接近式傳感器（接近開關）是用來判別在某一范圍內(nèi)是否有某一物體的傳感器，能將檢測對象的移動信息和存在信息轉(zhuǎn)換為電氣信號。常見的接近開關有以下幾種：電容式接近開關、電感式接近開關、光電式接近開關、超聲波接近開關和光纖接近開關。具體的功能見表3。一傳感器設備適配要素3.位置傳感器分類16/26一傳感器設備適配要素序號名稱功能特性1電感式接近開關導電物體在靠近接近開關時，物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個渦流反作用到接近開關，使開關內(nèi)部電路參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無導電物體移近，進而控制開關的通或斷。這種接近開關所能檢測的物體必須是導體。2電容式接近開關這種開關的測量頭通常是構成電容器的一個極板，而另一個極板是開關的外殼。這個外殼在測量過程中通常是接地或與設備的機殼相連接。當有物體靠近接近開關時，不論它是否為導體，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，由此便可控制開關的接通或斷開。這種接近開關檢測的對象，不限于導體，可以是絕緣的液體或粉狀物等。表3接近開關3.位置傳感器分類17/26一傳感器設備適配要素續(xù)表3序號名稱功能特性3霍爾接近開關霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關，叫做霍爾開關。當磁性物件移近霍爾開關時，開關檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應而使開關內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別磁性物體是否存在，進而控制開關的通或斷。這種接近開關的檢測對象必須是磁性物體。4光電式接近開關利用光電效應做成的開關叫光電開關。將發(fā)光器件與光電器件按一定方向裝在同一檢測頭內(nèi)。當有反光面（被檢測物體）接近時，光電器件接收到反射光后便有信號輸出，由此便可“感知”有物體接近。3.位置傳感器分類18/26一傳感器設備適配要素續(xù)表3序號名稱功能特性5多普勒式接近開關當觀察者或系統(tǒng)對波源的距離發(fā)生改變時，接近到的波的頻率會發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應，聲納和雷達就是利用這個效應的原理制成的。利用多普勒效應可制成超聲波接近開關、微波接近開關等。當有物體移近時，接近開關接收到的反射信號會產(chǎn)生多普勒頻移，由此可以識別出有無物體接近。3.位置傳感器分類19/26

（1）視覺傳感器功能需求在工作站中，對于不同的檢測工藝，涉及到需要檢測的內(nèi)容如右圖所示，同時，要求視覺傳感器可以快速識別不同的檢測特征，且響應快，靈敏度高；能與外部PLC設備或機器人設備進行并行、串行的開放式協(xié)議通信，實現(xiàn)檢測結果的反饋。視覺軟件的功能，要求操作簡單，以圖形化編程方式為主，代碼編程為輔。二傳感器設備適配1.工作站視覺傳感器適配檢測汽車車標圖案；檢測輪轂二維碼編號信息；顏色檢測；檢測輪轂外形尺寸；車標安裝定位檢測等。20/26

（2）視覺傳感器適配視覺傳感器的選擇，一般以能實現(xiàn)項目功能要求為前提，其次從精度、價格、產(chǎn)品質(zhì)量幾個方面去綜合考慮。由于工作站中使用到的視覺檢測精度高，例如車標輪廓檢測，對圖像成形要求高，為了更加準確地進行檢測，進行視覺傳感器適配時，選用CCD傳感器更佳。由于工作站并未涉及立體檢測物的檢測，所以無需選用3D視覺?；赑C的視覺和智能相機均能滿足功能要求，但是基于PC的視覺結構復雜且開發(fā)周期長，所以此處優(yōu)先選擇使用智能相機。二傳感器設備適配1.工作站視覺傳感器適配21/26

（1）力覺傳感器功能需求在工作站中，力覺傳感器應用在壓裝單元（圖1）中，用于檢測沖壓過程中沖壓力的大小，當沖壓力超過量程設定時，會進行報錯。二傳感器設備適配圖1測力傳感器2.工作站力傳感器適配22/26

（2）測力傳感器的適配在壓裝單元中，主要是檢測壓力的大小，使用電阻式應變測量可以滿足要求。根據(jù)實際情況，汽車輪胎及車標沖壓是自上而下的，且輪轂為圓形，對比不同的彈性元件，可以排除使用梁式彈性元件。環(huán)式、輪輻式、S形測力傳感器多應用于稱重場合，而柱式傳感器在軋壓場合應用較廣泛。所以對測力傳感器進行適配時，優(yōu)先選擇柱式測力傳感器。二傳感器設備適配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，需要設置相應的限位開關以及原點開關，實現(xiàn)伺服滑臺的精確行程限位及到位檢測，需要使用到光電傳感器。同時，伺服滑臺的安裝位置狹小,如圖2所示。二傳感器設備適配圖2伺服軸限位、原點開關3.工作站接近開關適配24/26工作站倉儲單元中，為了檢測每個倉儲工位是否有工件存在，需要使用到光電傳感器進行檢測，要求能靈敏檢測、檢測穩(wěn)定、檢測距離較大，如圖3所示。二傳感器設備