由于机器视觉最终的检测能力是由照明和光学、传感器和信号传输的质量、算法准确性等共同决定的。机械部分作为一个基础性支撑组件，在设计时需要综合考虑光学、电气、软件等多方面的需求（主要是光学要求），其设计工作一般由机器视觉系统的总负责人引导机械工程师完成，最好机械工程师能有几何光学的相关知识。
由于每个应用现场的情况都不相同，大部分机器视觉系统的机械部分没有标准化产品，都需要专门设计，设计的核心要求包括5方面：
①机械坚固牢靠，能有效防止振动和冲击，从而抵抗工业地板的不利条件；
②在保证坚固的基础上，材质尽可能轻（多使用铝合金），以便于现场安装；
③具有遮光、防尘、防水的保护功能（多采用黑色阳极氧化铝外壳或工业聚酰胺封装）；
④设计尽可能简单，从而便于安装。带有复杂传感器和执行机构的机械系统，难以保证安装精度，且容易出现故障；
⑤满足国家要求的防护等级（CE、IP等）。

对于机械部分设计，2D和3D机器视觉之间没有显著差异，只是3D系统比2D系统对组件间的精度要求更为严格。
而对于在之前文章中所述的高精密机器视觉系统，其对于机械部分的要求远高于普通机器视觉系统，由于没有实际经验，这里不予讨论。

在设计机械部分时主要考虑7方面内容：
①组件尺寸（即相机、光学器件、灯、计算机，以及连接器）和固定方式。
机械工程师首先需要知道的是尺寸和固定方式。不要忘记视觉组件（相机、照明和处理单元），通常都有电缆连接到它们。连接器有一定的尺寸，电缆有一定的最小弯曲半径。这些都是设计时必须考虑的因素。
相机可能在所有地方都有螺纹，并且可以使用各种不同的螺钉。对于在生产环境中可靠地安装摄像机来说，这些螺钉可能小得不切实际。标准化是处理这一品种的重要手段，这很容易，还可询问制造商能否为这些组件提供实用且一致的紧固方式。
一个好的策略可以让安装和维护人员轻松很多。例如，精确、不变、可重现的几何关系（首先是工件和光学器件/相机之间）是最重要的，尤其是对于测量应用。软件可以支持这一点，例如，通过提供存储的校准图像与当前图像的比较。在机械方面，可以通过固定相机来提高此类应用中的精度，以确保良好的固定以及位置的精确再现性。
②灯光和光学的工作距离。
与尺寸密切相关的是工作距离。光学元件和照明必须位于相对于待检查工件的特定位置。这些工作距离的公差可能相当小，尤其是在光线很少的情况下，例如，当需要非常短的曝光时间，导致焦深较小，或者入射角非常重要时，例如在某些表面检测应用中。工作距离及其公差对于机械工程师来说是最重要的参数之一，因为它们对系统的整体设计有很大的影响。
③相对于平移和旋转的位置公差。
大多数机器视觉系统都有一些方法来处理图像中物体位置或方向的变化。但是，此功能存在限制。最明显的是，要检查的特征需要在图像中完全可见，从而为位置变化提供绝对上限。但实际限制可能要小得多。例如，由于光学效应，图像质量可能会向边界降低；镜头畸变通常会随着距镜头中心的距离而增加，因此可能会失去测量能力或需要复杂的校准方法；或者光的入射角可能会发生变化，从而使某些特征不太明显，等等。因此，应该估计位置变化的影响，并为机械工程师提供一个上限，而且应该是保守的。产品设计在这里也可能是相关的。例如，如果要从顶部检查的零件具有0.8mm的高度公差，并且所需的分辨率导致光学系统的焦深仅为1mm，则机械设置的垂直位置公差降低到仅0.2毫米（如下图）。

④强制约束，例如，远心镜头和照明。
有时，组件之间的关系对于非专业人士来说并不明显，这些都需要解释和沟通。以配备带有远心镜头和相应远心灯的相机的系统为例，由于光学器件只能看到平行光线，而照明只能发出平行光线，因此有一个强制约束，即透镜和相应的光线始终需要平行，最好是完全相对。如果没有告知机械工程师，很可能会导致设计中的相对关系没有被强制并行化，从而导致大量不必要的调整工作（如下图）。以类似的方式，某些类型的3D采集，如光度法或偏转法，可能强烈依赖于入射光与相机光轴之间的角度。

⑤额外的传感器要求（例如，需要一个光栅作为触发装置。尽管接线和设置这种传感器是电气工程师的责任，但机械设计师必须为其提供空间和安装）。
视觉系统可能需要额外的传感器，例如，首先检测零件的存在，该信号可能会发送到PLC，PLC进而启动视觉系统检查；或光栅用于在精确的时间点触发移动物体的图像捕捉，通常与触发频闪灯以冻结图像中的运动有关；或旋转编码器，使线扫描相机的捕获与工件的运动同步，以在整个图像上实现恒定的比例和几何特性。这些是机械工程师必须了解的附加组件，包括尺寸和安装和位置的可能限制，例如最大信号电缆长度。
⑥额外的运动要求。
由于视觉系统，工装可能需要额外移动的能力有多种原因。根据运动的频率，我们可以区分以下几种：
<1>很少需要调整动作，通常只在应用程序的第一阶段。对于安装调试而言，相机和灯光的位置应该很容易改变。但是对齐后，操作员不得移动设备。通过允许相互独立调整关键自由度的设置来实现轻松定位。另外并不是所有的东西都可以预先测试或计算，因此在试运行期间可能需要一些调整手段，例如用于安装相机或照明的滑轨或旋转接头，直到找到最佳位置。然后可以固定位置，或者调整装置保留在适当的位置以供以后更改。调整装置应易于使用，并且应具有固定方法和标记设置的方法（例如数字计数器），以便可以轻松复制设置，例如，在系统必须部分拆卸的情况下。
<2>当被检查的产品类型发生变化时，可能需要进行转换动作。不同的零件几何形状可能不仅需要更改软件程序或参数，还需要更改例如零件与光学器件之间的距离或角度，或零件与照明之间的距离或角度，或两者兼而有之。转换运动也发生在机器视觉区域之外，可以是手动的或自动的。然而，有时一套额外的传感器设备（相机、光学器件、照明等）会比移动轴便宜，这不仅需要购买，还需要安装和（在自动化情况下）控制系统编程。如果转换动作是手动进行的，那么简单和精确的复制手段，例如数字计数器，甚至比调整更重要，因为可能需要人员在不同类型的设置之间频繁切换，并且可以快速准确地切换。
<3>对每一件单件进行流程移动。可能需要流程移动的原因有很多，以下是一些示例：

线扫描相机总是需要移动（无论是平移还是旋转运动）部件或相机，最好是避免跟踪相机电缆的部件。
插入传感器（例如内窥镜）或灯必须移入零件腔并再次退出。
空间限制可能需要将灯、光学器件、相机或部件移动到适当的位置进行检查，然后再将其移除。例如，传感器可能位于零件传输路径中：如果必须在传送带设置的背光情况下检查零件，您显然不能将传感器设备安装在工件高度的传送带上，因为它必须穿过它们；将摄像头和灯安装在传送带的两侧可能会导致工作站宽度不理想。一个典型的解决方案是将零件从传送带水平提升到相机水平以进行检查（如下图）。
工作距离也是移动设备部件的常见原因。例如，漫反射轴上照明通常在靠近被照明表面的地方工作得最好。然而，它可能又会妨碍零件的运输。
光学情况可能会发生机械变化。例如，将环境光屏蔽移动到适当的位置以进行检查，并将其移出以进行零件的运输。
机械自动对焦：零件公差可能会超过光学元件的焦深，这可以通过将零件或光学元件移动到最佳位置来克服。例如使用基恩士的自动对焦机构：

⑦环境条件。
导致机械要求的环境条件的典型情况如下：
<1>振动，可能需要机械去耦或其他措施，例如保护敏感的计算机设备或避免对图像质量产生不利影响。
<2>热量，也可能导致设备损坏，可能的补救措施是额外的冷却手段或“空间解耦”，即让计算机远离热源。
<3>光屏蔽有两种类型：屏蔽视觉系统免受环境光的影响，以及屏蔽环境免受特定光源的影响。
除了环境光屏蔽之外，这些要求与在生产环境中使用计算机设备的其他系统没有什么不同，因此机械工程师应该熟悉这个问题。但指出系统可能存在的敏感性是件好事，尤其是振动对图像质量的影响可能不会立即明显。另一方面，遮光是在讨论视觉系统的（机械）要求时应始终考虑的一点。当然，环境光可能是机器视觉系统的主要干扰，这通常取决于特定和稳定的照明条件。如果环境光的水平、方向或其他特征发生变化，则尤其如此。例如在有窗户的生产车间中可能会出现日光。然而，光罩是工装中的主要障碍，如果必须移动它们以运输零件，可能会导致额外的运动要求。就机械要求而言，保护视觉系统免受环境光照明与环境光屏蔽基本上没有什么不同，只是原因不同。出于安全要求，通常需要这些防护罩，例如，在使用激光或其他高强度光源（例如闪光灯）时。红外线或紫外线照明也是一个令人担忧的原因，因为我们的眼睛没有针对这些的自然保护策略，但它们对可见光有。产生超短光脉冲的光源也是如此，它比我们眼睛的保护反应快得多。因此，当使用高强度或不可见的辐射源时，请咨询安全工程师讨论防护要求。

最后需要强调的是可重复性。软件工程师有时往往会忘记考虑再现性，因为软件很容易完美再现（尽管有时软件问题不是这样），但要精确再现机械设置，需要一些额外的工作和思考。机械再现性自然是测量系统的首要关注点，其中精度通常直接取决于机械设置，但它在每个机器视觉系统中都很重要。机器有时会被拆解，组件确实会出现故障，必须更换；在所有这些情况下，必须可以重新创建照明和光学的原始设置，以尽可能少地获得与以前相同的图像条件。当然，这也适用于转换运动。如果这些不是自动执行而是手动调整，则需要适当的限位器和指示器，以便可以轻松地重建各种设置。优选地，PLC或视觉系统上的软件应在此处通过清楚地指示要进行的调整并可能提供检查这些调整的方法来帮助用户，例如用于检查相机视野的参考图像。
标准化有助于可重复性，而它不只是机械工程师的工作。如果只涉及几个不同的组件，并且这些组件具有不变的标准固定和长期可用性，那么重新创建特定的光学情况会容易得多。相机固定的困难已经提到过。快速的技术发展也无济于事，因为当需要更换或复制系统时，很有可能无法使用完全相同的相机。标准固定装置，在后续相机型号上得到一致使用和改装，有助于满足最终用户的合理期望，即更换相机后，应获得与以前相同的图像。毕竟，最终用户通常对相机本身不感兴趣，而是对系统提供的结果感兴趣。固定是创建可重现设置的一种可能方法。在试用中找到最佳设置后，它也可用于改造。如果系统不能以这种方式构建以实现精确的再现性——例如，因为必须保持调整的可能性——则可以记录组件的位置和方向以允许重新创建设置，或者可以设计专门的夹具，并作为组装辅助工具制造，以帮助机械工程师重新调整或复制设置。
上述评论对于光学装置的所有部分同样有效。实际上，由于镜头，尤其是远心镜头，通常比现代相机大得多，因此镜头有时是固定的主要对象，而相机则更像是一个附件。镜头在焦点和光圈方面应该是可锁定的，这是理所当然的。然而，这对于更换镜头（或复制一个在原则上与更换镜头没有什么不同的系统）并没有多大帮助。同样，标准化非常有帮助，因为即使对于具有基本相同成像特性的镜头，镜头尺寸和特性也有很大差异。还必须考虑光源。它们的使用寿命有限，即使是LED也是如此。而且它们可能会随着时间的推移而改变其特性，尤其是在接近尾声时。根据应用的不同，可能需要检测这种变化并对其进行补偿的方法，例如，自动监控明确定义的图像区域的亮度变化和调整光源电源有助于保持亮度稳定。更换光源会导致突然的剧烈变化。除了亮度变化外，波长的变化也很关键，因为准确的焦点会随着波长的变化而变化，因此成像特性可能会发生很大变化。
在所有这些情况下，软件工具都非常有助于帮助用户重新创建特定的光学设置。例如，系统可以提供一种方法来存储各种相机的参考图像，每个相机可能有几个参考图像，以解决不同的照明情况，并结合工具将当前图像与存储的图像进行比较。此类工具可以是标识图像中特定点以比较视野的标记，可以是指定区域中的亮度计算以比较照明水平，或者是用于估计焦点质量的梯度计算。如果没有这样的工具，比较实时图像基本上是唯一而且不是很精确的重新创建特定成像情况的方法。

一个机械部分的设计示例

对于机器视觉测量系统而言，工业相机需要安装在机械运动装置上，根据运动本体的特点，可将系统分为正交式结构和关节式结构。正交式结构具有运动关系简单、稳定性好、可保证较高测量精度等优点，目前已经得到了广泛应用，其中最常用的三种形式为移动桥式、固定桥式和龙门式。三坐标测量机的结构是一个代表性的正交式结构，它以笛卡尔坐标系为基础，由三个互相垂直的可移动导轨组成，可通过导轨的运动实现被测物体的测量。将工业相机安装于正交式结构上，可以形成一系列的机器视觉测量系统，但由于工业相机等受正交式结构的限制，测量时常存在测量盲区。因此，若采用正交式结构来搭建机器视觉测量系统，可在该基础上增加转动关节，改变被测物体和工业相机的相互位置关系，提高系统的测量柔性。
机械运动模块是机器视觉测量系统的关键组成之一，是工业相机运动的载体，也是被测物定位和物距调节的基础。在测量过程中，它可以调整工业相机和被测物体的相对位置，使被测物体位于视场范围内，并可以通过调整最佳物距，获取高质量的被测物体图像用于测量。
机器视觉测量系统一般采用大理石平台作为测量基准面，它具有结构精密、质地均匀、稳定性好、硬度高等优点，特别适用于高精度测量仪器中。竖直安装的导轨为Z轴方向，主要带动工业相机上下运动，用于调整物距，使其准确地完成对焦。水平安装的导轨为Y轴方向，主要控制工业相机和光源的左右运动，其目的是使相机准确定位到被测物体，保证被测物体处于视场合适范围内。当工作台沿Y轴方向运动时，被测物体在图像中的坐标位置也会发生相应的变化。Z轴和Y轴确定以后，X轴垂直于YZ平面，其正方向由右手笛卡尔原则确定。
该机器视觉精密测量系统如下图：

参考资料：
《Handbook of Machine and Computer Vision——The Guide for Developers and Users》，Alexander Hornberg，Wiley
《机器视觉精密测量技术与应用》，机械工业出版社

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