机器视觉运动类线缆应用指南
在机器视觉应用方案中,作为数据传输、相机供电等作用的线缆必不可少。传统的安防线缆、或工业低压线缆,主要关注功能层面;而机器视觉应用中的线缆,还需关注高频通讯、运动性能等场景应用需求。如果只是采用简单选用传统的线缆,可能在使用中造成各种“内伤”,如线缆外皮磨损、内部导体折断、相机通讯总是丢包等问题。基于以上情况,本文对机器视觉应用中,运动类线缆的使用方法和注意事项进行介绍,以期帮助用户正确安装/使用相关产品,提升系统整体健康运转寿命。

 

1.    运动类线缆通用介绍与使用规范

1.1 常用名词

  1. 坦克链/拖链线缆

    一种可以跟随坦克链进行往复运动而不易磨损的高柔性专用线缆,亦可称为拖链线缆和拖曳线缆。

  2. 机械臂线缆

    一种适用于机械臂工作状态(高动态的弯曲和扭转运动)的线缆,具有较好的抗拉、抗扭转、抗弯折等特性。

  3. 柔性、高柔、超柔线材的不同定义

    根据线缆性能,将其分为标准、柔性、高柔及超柔类线材,其中:

    标准线材:只适用于静态场景使用;

    柔性线材:可承受拖链(或弯折)运动10万次;

    高柔线材:可承受拖链运动500万次;

    超柔线材:可承受拖链运动1000万次、弯折运动300万次或扭转运动500万次。

  4. 弯曲半径

    线缆在拖链内弯曲铺设或运动时,最接近线缆弯曲部分圆弧的半径,一般线缆最小弯曲半径应大于10倍的线径。

  5. 运动机构(拖链、机械臂)的运动速度

    运动机构在单位时间内通过的位移。

  6. 运动机构(拖链、机械臂)的运动加速度

    运动机构在单位时间内速度的变化矢量。

  7. 运动行程

    运动机构在某一段时间内由初位置运动至末位置,运动轨迹的总长,为一标量。

  8. 线缆的运动寿命

    线缆在合理的运动状态(如拖链)下不停歇工作,从开始投入使用至其失去使用价值为止的时间段。

  9. 线缆外护套

    线缆最外层,承受和抵抗外界各种机械力和化学生物侵害,保护芯线导体和屏蔽层的构件,可延长线缆使用寿命。

  10. 线缆屏蔽层

    一种将线缆产品中的电磁场与外界的电磁场进行隔离的构件,通常在外护套内的第一层,有的线缆产品在其内部不同线对(或线组)之间也会使用屏蔽层进行相互隔离。

  11. 线缆内护套

    包裹电缆在屏蔽层和线芯之间的一层材料,分为金属的(铝、铅、钢)和非金属的(橡胶、塑料)。金属护套多用于油浸纸绝缘线缆,橡胶、塑料护套多用于橡塑类绝缘线缆。

  12. 芯线绞合结构

    由若干绝缘线芯或单元组绞合成缆芯的结构,用来降低电磁辐射与外部电磁干扰的影响。

  13. 芯线绝缘材料

    包覆在导线外围四周、起到电气绝缘作用的构件。芯线绝缘层确保传输的电流或电磁波、光波只沿着导线行进而不流向外面。主要常用材料有PVCPEXLPE、聚丙烯PP、氟塑料F,橡胶,纸,云母带。

  14. 芯线导体结构

    芯线内导体的数量、直径及组合方式,组合方式一般为绞合。

  15. 线缆内中心抗拉元件

    在细小柔软、同时要求多次弯折/扭曲应用的场景中,线缆的抗拉性能也是关键因素,通常使用棉线、钢丝等材料。

  16. 线缆外部防护套管

    一种复合了绝缘材料的复合材料管,用于穿用电线和保护电线,它具有抗压力强、重量轻、内壁光滑,摩擦系数小等特点,耐腐蚀性能强、绝缘、非磁性、耐酸、耐碱、阻燃型、抗静电。可视需求选用加装。


 

1.2 工业相机配套线缆的运动性能测试方法

      1. U型坦克链滑动寿命测试

测试线缆在拖链等U型装置内往复运动的正常工作寿命。

测试条件

设定装置运动速度、弯曲半径、运动行程,在U型装置内反复移动线缆。

判定标准

以线缆循环运动直到芯线导体完全断裂时的次数,作为线缆的拖链/U型滑动寿命次数。(对于数据线缆,还应关注芯线导体电阻值变化的次数节点,作为确保数据通讯质量的寿命次数。)

      1. ±90°弯折寿命测试

         

        测试目的

        测试线缆在±90°弯折运动场景中的正常工作寿命。

        测试条件

        设定弯折角度(±90°)、速度、弯曲半径和载重负荷,反复弯折线缆。

        判定标准

        以线缆循环弯折直到芯线导体完全断裂时的次数,作为线缆的弯折寿命次数。(对于数据线缆,还应关注芯线导体电阻值变化的次数节点,作为确保数据通讯质量的寿命次数。)

         

      2. 扭转性能测试

      3. 测试目的

        测试线缆在扭转运动场景中的正常工作寿命。

        测试条件

        设定扭曲间隔长度、扭转角度、扭曲速度、载重负荷,反复扭转线缆。

        判定标准

        以线缆循环扭曲直到芯线导体完全断裂时的次数,作为线缆的扭转寿命次数。(对于数据线缆,还应关注芯线导体电阻值变化的次数节点,作为确保数据通讯质量的寿命次数。)



1.3 运动线缆的基本布线原则

  1. 坦克链/运动轨道的弯曲半径

    布线时链轨的最小弯曲半径,应控制在线径的10~12倍以上(弯曲半径越大,线缆运动寿命越长)。

  2. 布线过程中避免破坏线缆

    确保线缆在链轨中无打旋()现象。线缆应沿链轨方向水平铺开。

  3. 避免铺设张力过紧、或将线缆固定在链轨的运动部位

    假如线缆铺设过紧,线缆外皮与链轨在运动过程中会产生摩擦,进而导致外皮磨损,因此在布线过程中,应避免有铺设张力作用在线缆上;如果将电缆固定在链轨运动部位,运动过程中会对固定位置产生应力集中,因此可将线缆两端固定,但不可固定在中间的运动段。

  4. 避免不同粗细的线缆在统一链轨中相互干扰

    多条线缆在链轨中运动时可能存在互相干扰,此时应选择足够宽度尺寸的链轨,以确保线缆在水平铺设后仍留有一定空间。使用隔片也是避免干扰的有效办法。注意隔片与线缆之间也应留有至少2mm空隙。若没有隔片,请勿将线缆堆积排放!

    请保持线缆铺设后所占据的空间系数在30%以内。

  5. 同一链轨内,若存在不同粗细直径的线缆,外径小的线缆容易被外径大的线缆挤压到底部,此时需使用隔片进行分类隔离。

  6. 与空管等硬物一同布线

    若与空管等硬物在同一链轨内布线,请使用隔片进行隔离

  7. 链轨损坏

    若链轨已损坏,请同时更换电缆,因为损坏的链轨可能会加剧对线缆的损伤。

  8. 其他注意事项

    不要将线缆垂直弯曲在固定点上

  9. 给线缆预留合适的弯曲长度

  10. 保持足够的弯曲半径

  11. 连接器装配时,固定在连接器网尾上(而非线身)

  12. 不要将不同线径的线缆捆绑在一起


  13. 工业相机常用配套线缆的特性介绍

2.1 USB3.0数据线

  1. 线缆外形及线材结构

              

上图为典型的USB3.0线缆的外形及连接器剖面。

根据线材不同,USB3.0数据线又可分为铜线线材、铜线+光纤混合线材。

铜线USB3.0线材是目前机器视觉常见的线材类型,在保证高频性能的同时,兼顾成本优势。因此长度一般只能做到3米以内。

AOC光纤混合USB3.0线材,在铜线的结构和材质上进行了改良提升,传输距离可做到3~40米,同时线材的柔软度更优、线径更细、抗干扰性能更优,当然价格也比铜线贵不少。

  1. 典型应用拓扑

    a)单相机连接:点对点直连。注意PC端接口应确保USB3.0(而非USB2.0),以免影响相机正常工作。

b)多相机连接:通过USB3.0采集卡、或USB HUB实现多台相机的汇聚连接。

  

a)单相机连接                                         b)多相机连接

  1. USB3.0铜线的布线特殊要点

    USB3.0铜线的线径尺寸一般在6.5~8mm之间,线材内部结构紧密、芯线较多,过度严苛的布线可能会影响到线材的高频性能工作稳定性、甚至容易造成线缆寿命的急剧下降。因此,在基本的布线方法基础上,应尽量减少线缆弯曲次数和长度,尽可能放松布线条件约束(最小弯曲半径、连接器安装空间等)。

  2. USB3.0 AOC光纤线的布线要点

    如果现场环境空间有限,USB.0铜线无法正常工作,此时USB3.0 AOC光纤线是一个好的替代选择。

    典型的AOC光纤线的线径一般在4.5mm~5mm之间,在同样的拖链机构尺寸下,其运动寿命能达到USB3.0铜线的几十倍。由于此类线缆的连接器尺寸一般较大,因此需要预留更多的相机和连接器安装空间,避免连接器不能与相机接口紧密结合。

2.2 GigE网线

  1. 线缆外形及线材结构

         

GigE网线的相机端和主机端连接器均为RJ45,通常相机端的连接器会带有紧固螺钉,防止线缆运动时损坏连接器。

上图是一种典型的GigE网线线材结构剖面示意图,其外表面依次为一层外护套(常用材质为PVC)、一层编织屏蔽层及一层铝箔,内里包裹四对传输信号的非屏蔽双绞线信号对、接地线及一些非必要的填充物。

  1. 传输速率与线缆长度

    通常工业相机(千兆)网线的传输距离在1~30米,线材具有较好的高频通讯性能。当然,千兆网线也可以支持更长的传输距离(60~80米),但此时的高频性能会略有下降。更长的传输距离要求时,可以使用光纤作为传输介质。

  2. 典型应用拓扑

    a)单相机连接:相机由单电缆连接至台式机/笔记本上的千兆网端口上,无需图像采集卡,相机可采用以太网电缆供电或外部供电,同时实现10Gbits/s的数据传输速率。

b)多相机连接:多相机连接同一台标准电脑进行工作时有两种连接方式,一种是多台相机直接自行连接到带有多个千兆网端口的电脑上,无需图像采集卡,也不需要共享带宽;另一种是多个相机通过交换机连接到电脑上,此时连接在同一个交换机上的所有相机需要共享带宽。

     

a)单相机连接                                  b)多相机连接

  1. 千兆网线的布线特殊要点

    千兆运动网线的结构特点和通讯性能表现,使得线材较容易达到比较高的运动寿命(如拖链1000万次、扭转300万次或弯折300万次等),在布线上只要遵循基本的操作规范即可,无其他特殊要求。


 

2.3 Camera Link数据线

  1. 线缆外形及线材结构

Camera Link数据线的相机端和采集卡端的连接器通常为MDR或者SDR。上图是一种典型Camera Link线材结构剖面示意图,其外表面依次为一层外护套(常用材质为PVC)和一层编织屏蔽层,内里包裹传输信号和供电的芯线及一些非必要的填充物。其中,电线包括十一对非屏蔽双绞线信号对(UTP)以及电源线和接地线。此类线缆是机器视觉通讯线缆中结构较为复杂、线径较粗的一款,因此对运动布线的要求较高,或者说运动性能相对不高(否则会对高频性能造成影响)。

  1. 传输速率与线缆长度

    根据相机时钟频率而定,电缆长度上限通常在3~10米之间。(通常当线缆长度为7~10米时,时钟频率可做到70MHz。如果需要满足85MHz时钟频率,线材设计和成本会急剧上升)。

  2. 典型应用拓扑

    a)单相机连接:电脑需要配置一块Camera Link图像采集卡,相机可由单电缆连接至采集卡的Camera Link端口上,输出配置为Base,实现2Gbits/s数据传输、相机控制及通信,也可采用两根电缆连接相机和采集卡,输出配置可为MediumFull,除相机控制和通信外,数据传输速率可增加至6.8Gbits/s

b)多相机连接:多相机连接同一台标准电脑时,一块图像采集卡提供两个Base配置连接,两个相机分别用单电缆单连接至采集卡的Camera Link端口上,各自实现2Gbits/s数据传输、相机控制及通信。


a)单相机连接                                         b)多相机连接

  1. Camera Link线缆的布线特殊要点

    由于线材结构及线径较大等限制,Camera Link运动线材一般只能支持拖链内运动,不具备扭转或弯折性能。常见的拖链运动寿命在200万次~500万次不等,也有一些扁平排线外观的Camera Link线缆可以进一步提升拖链运动寿命。具体的拖链布线方法参考通用规范即可,注意最小弯曲半径做适量放大。


 

2.4 CoaXPress数据线

  1. 线缆外形及线材结构

 

CoaXPress数据线的常用连接器为DIN(1.0/2.3)BNCHD-BNCmicro-BNC),其中HD-BNCCoaXPress V2.0协议建议使用的连接器接口。上图为一种典型的CosXPress线材结构剖面示意图,单芯同轴线,由一根直放信号线外包裹一层编织屏蔽层和一层PVC外护套组成。

  1. 传输速率与线缆长度

    通常采用75Ω同轴电缆。当链路速度为1.25 Gbits/s (CXP-1)时,CoaXPress可支持100 m 以上的电缆长度;其它传输速率(包含CXP-6CXP-12)对应的线缆长度上限可参考下表。需要注意的是,表中的线缆长度为理想状态下的传输距离上限,若线缆材料和制作工艺无法达到理想效果,则传输距离上限会相应减短。

  1. 典型应用拓扑

    a)单相机连接:电脑需要配置一块CoaXPress图像采集卡,相机可由单电缆或者多根(至多6根)连接至采集卡的CoaXPress端口上,可实现3600Mbytes/s数据传输,同时实现相机控制及供电。

b)多相机连接:多相机连接同一台标准电脑时,一块图像采集卡可通过线缆连接多个相机,每台相机的数据传输速率可达600Mbytes/s