相机保护装置设计

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在极端环境中使用相机时,高温、低温、焊渣飞溅等因素会对相机造成损伤,影响相机的成像效果使用寿命。为解决上述问题,可为相机安装保护装置。本文将针对焊接、高温、低温场景,分别介绍如何设计相机保护装置。

焊接、高浓度粉尘场景

问题分析

在焊接、高浓度粉尘场景中,由于相机长时间暴露,导致相机本体和镜头积累大量焊渣、粉尘和飞溅物,最终对相机成像和点云质量产生影响。

dust problem analyze 1

如下图所示,为某项目现场相机在附着焊渣前后两次获得的点云情况对比,由图可知,右图点云质量明显下降。

dust problem analyze 2

方案设计

方案一:粘贴钢化膜

在焊接、高浓度粉尘场景中,常见的相机保护措施是为相机镜头粘贴钢化膜。

  • 钢化膜技术参数:

    技术参数

    折射率

    1.51

    软化时的温度

    820 ℃

    抗弯强度

    1.542

    膨胀系数

    0.035%~0.055%

  • 钢化膜厚度影响:

    选择钢化膜时,需注意钢化膜厚度对相机的影响,不同厚度的钢化膜对相机产生的影响不同,具体说明如下表所示。通过多次测试,钢化膜的厚度以 0.22 mm~0.33 mm 为宜。

    较厚的钢化膜 较薄的钢化膜
    • 焊接作业时,钢化膜边缘易堆积焊渣。

    • 粘贴钢化膜时,极易导致钢化膜与相机镜片之间产生气泡,且无法手动将气泡挤出,最终形成水纹印迹。

    保护效果较差,但点云质量较高。

  • 注意事项:

    实际生产中,应根据生产作业节拍定期更换钢化膜。不推荐使用更换整个镜片的方式来解决镜头前焊渣或粉尘积累问题(如下图所示),原因如下:

    • 频繁拆卸镜片可能导致固定镜片的螺栓松动或脱落。

    • 与相机组装环境相比,现场环境复杂,在现场反复拆卸相机可能使相机内部收到灰尘污染,影响相机的使用寿命和点云质量。

    dust replace film

方案二:使用半封闭式相机保护罩

半封闭式相机保护罩使用活动铰链连接保护罩底部(相机镜头处)和保护罩侧壁,拍照时打开保护罩,拍照结束后关闭保护罩,以确保在焊接作业和粉尘环境下,相机不受粉尘、焊渣等影响。

dust semi enclosed protective cover
  • 设计要点:

    设计半封闭式相机保护罩时,应注意以下事项。

    注意事项 说明 图示

    易于拆卸、安装和维修

    确保方便人工观察相机指示灯,且易于操作调节阀、开关。如右图所示,1、3 为磁性开关窗口,2 为调速阀窗口。

    dust semi enclosed protective cover structure 1

    密封

    对于铰链、过线处以及过气处等部分,需特别考虑密封,以增强保护壳的防护和密封性能。

    dust semi enclosed protective cover structure 2

    包裹防护衣

    在某些环境较恶劣的场景,应考虑在相机保护罩外包裹防护衣,可根据现场温度或客户要求选择防护衣材质。

    dust protective clothing

    定期维护

    相机保护罩在使用一段时间后,需定期维护,清理焊渣和粉尘。如果发生腐蚀现象,需进行更换。

  • 线缆敷设要点:

    • 对于 EIH 安装方式的相机,可根据实际情况综合考虑相机线缆及保护罩线缆,实现统一设计和布局。

    • 相机、气缸、线缆等可采用定制的阻燃管线包进行保护,最好选用侧面开合形式的管线包,以便安装和维护。

      dust pipe package
    • 如需使用平衡吊,应确保相机线缆管线包受力均匀,减少与其他管线的碰撞与摩擦,同时还应方便安装和维护。

    • 为方便拆卸和维护,可考虑采用航插插头,以实现气缸信号线的快速更换和维修。

方案三:使用全封闭式相机保护罩

在恶劣的环境下,可考虑采用全封闭式相机保护罩。该保护罩由钣金制成,可形成密封的空间,为相机提供封闭、独立的环境。

dust fully enclosed camera protective cover
  • 设计要点:

    • 为提高相机保护罩的使用寿命,可考虑将底部设计为抽屉式,以便更换。如下图所示,1、2 为抽屉式结构,3 为紧固件。

      dust fully enclosed camera protective cover structure
    • 为减小相机保护罩对相机成像的影响,玻璃窗设计和安装应注意以下几方面。

      • 玻璃窗尽量靠近相机窗口。

      • 玻璃窗表面应尽可能与相机窗口平行。

      • 玻璃窗装配和使用过程中应避免受力变形。

    • 应选择高平整度平板玻璃作为玻璃窗,同时选用的玻璃还需满足如下表所示要求。通过多次测试,推荐使用成都光明生产的 K9 和 H-K9L(环保 K9)、德国 Schott 生产的 BK7 和 N-BK7(环保 BK7)型号玻璃。

      技术参数

      厚度

      1~3 mm(在玻璃平整度高的前提下,尽量选用厚度较薄的玻璃)

      折射率

      1.52

      阿贝数

      64.2

      镀膜

      双面 AR 镀膜(可见光透过率大于 98.5%)

高温场景

在高温场景中,设计相机保护装置时应注意增加相机外表面空气流速,或涡流管制冷。下文将分别对上述两个设计要点进行介绍。

增加相机外表面空气流速

该设计适用于温度相对较低(相机周围热空气辐射为 40 ℃ 左右)、相机周围通风良好的场景。在实际项目中,通常使用风刀或气嘴、抽风风扇+温控开关来增加相机外表面空气流速。

  • 风刀或气嘴

    风刀或气嘴可将压缩空气直接吹向相机表面,实现降温效果。常用的风刀和气嘴如下图所示。

    high temperature wind knife

    使用风刀或气嘴增加相机外表面空气流速的优缺点如下表所示。

    优点 缺点

    成本低,易实现。

    • 现场需提供压缩空气,且对压缩空气有一定的要求,例如去水、滤油,且灰尘过滤精度需在 40 微米左右。

    • 耗气量较高,维护成本高。

    • 使用时噪音较大。

  • 抽风风扇+温控开关

    温控开关可感应相机外表温度,当温度超过设定阈值时将触发风机工作,增加相机表面空气对流,达到散热降温的目的。具体结构如下图所示,其中 1、3 为抽风风扇,2 为温控开关。

    high temperature fan structure

    使用抽风风扇+温控开关增加相机外表面空气流速的优缺点如下表所示。

    优点 缺点
    • 降低使用、维护成本。

    • 无需提供压缩气体。

    • 降温效率受周围环境温度影响。

    • 成本相对较高。

使用涡流管制冷

该设计适用于温度较高、密闭的场景,特别是对相机造成强烈热辐射,相机自身被动散热功能无法满足散热要求,导致相机温度超过 45 ℃ 的场景。

  • 工作原理:

    涡流管产生冷风,将其吹向相机表面,然后装置内的温控器控制涡流管的启停,使温度大致维持在设定值。

    相机保护罩如下图所示,其中 1 为底板,2、3、6 为橡胶垫片,4 为温控器,5 为涡流管,7 为上壳。

    high temperature vortex tube
  • 设计要点:

    • 在强烈热辐射场景中,建议采用双层形式来设计隔热罩,中间部分填充隔热材料,例如玻璃纤维、石棉、岩棉、硅酸盐、气凝胶毡、真空板等,以提高隔热效果。

    • 为解决保护罩表面及相机外壳产生冷凝水的问题,可在保护罩内增设风扇,以改善表面温差,避免湿气凝结。

低温场景

在低温场景中,常使用覆盖式恒温防护服来对相机进行保温。

  • 工作原理:

    覆盖式恒温防护服的基本原理是通过温度传感器实时监测内部温度,在温度过低时通过电加热板提升温度,以维持温度恒定。需注意,在季节变化时,相机防护服可能导致相机散热效果不佳。

    low temperature thermostatic protective clothing 1

    一般情况下,覆盖式恒温防护服由保温层和恒温层构成,如下图所示。

    low temperature thermostatic protective clothing 2
  • 设计要点:

    • 确保相机挂耳和镜头外露。

    • 确保加热电阻丝平滑、无扭曲。

    • 建议将温度传感器安装在主板处。

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