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. 拖链线缆

    一种可以跟随拖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型拖链滑动寿命测试

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. 拖链/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

                        

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

  1. CoaxPress线缆的布线特殊要点

    此类线缆虽然结构设计简单,但因此对通讯带宽和高频性能要求较高,一般可在拖链内应用,暂无涉及扭转、弯折运动场合。

    布线方式在遵循通用规范的基础上,注意避免线材扭转和过度弯折,同时应注意连接器接口的保护和使用,避免异常磨损造成性能下降。

2.5 6pin Hirose电源线

  1. 线缆外形及线材结构

6pin Hirose电源线的相机端连接器为Hirose 6芯插头,主机端连接器为6芯散线。上图为一种典型6pin Hirose电源线的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)和一层铝箔麦拉屏蔽层,内里包裹三对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

    通常提供0.5m/3m/5m/10m/15m/30m6pin电源线可供客户根据实际需要进行选择,注意当线缆长度超过10m时,应在供电端提供合理范围内尽可能大的电压以保证提供给相机端的供电满足需求。

  2. 6pin HRS线缆的布线特殊要点

    此类线缆通过合理的线材设计,能够实现较高的运动性能。(如1000万次拖链、500万次扭转或300万次弯折等)

    根据不同的使用场合(拖链/机械臂)选择适配的线缆。

    在布线上遵循基本布线操作规范即可,无其他特殊要求。


 

2.6 12pin Hirose电源线

  1. 线缆外形及线材结构


12pin Hirose电源线的相机端连接器为Hirose 12芯插头,主机端连接器为12芯开放式接线。上图为一种典型的12pin Hirose电源线的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)和一层铝箔麦拉屏蔽层,内里包裹六对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

    通常提供3m/5m/7m/10m12pin电源线可供客户根据实际需要进行选择。因为HRS 12pin连接器尺寸限制了线材的导体尺寸,所以当线缆长度超过10m时,可能存在压降风险,此时应确保供电电压的稳定无跳变。

  2. 12pin HRS线缆的布线特殊要点

    由于线材内部导体芯线较多,整体结构紧密、线径较粗,一般不具备扭转性能(否则线材设计和生产成本较高),通常可以满足200万次~500万次的拖链应用需求。

    在布线上遵循基本布线操作规范即可,无其他特殊要求。

 

3.    总结

运动类线缆的正确选型、规范铺设方式等是保证机器视觉系统正常运作的前提,它的重要性不言而喻。

本文对运动类线缆的基本使用方法已进行十分详细的阐述,对客户线缆选型和铺设具有较好的指导作用。对六类常用线缆的简要介绍有助于客户了解线缆基本信息和其间的区别,在使用不同类型的线缆时采取更合适的布线方式,希望可有效避免不必要的线缆受损和报废问题。

 


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全部评论 1

运动类线缆的选择以及规范的使用非常重要!这涉及到在复杂的工业环境中设备的使用时间以及工作效率。这篇文章深刻的阐述了运动类线缆的基本使用方法和铺设指导,用心学习本篇文章有助于在使用后期节省设备维护和人力维护成本,提高工作效率以及避免线缆浪费问题,感谢!😉

2022-02-18 13:55:54 未知地区
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