熔池监控相机 头豹词条报告系列

熔池监控相机属于工业数字相机（industrial digital camera），是机器视觉系统的关键环节，是由图像传感器、辅助电子器件和标准镜头座组成，将光信号转换成电信号，并通过规定接口发送至接收端，适用于工业应 用的一体式设备。在生产焊接中，为保障生产质量，需要操作者通过观察焊接区域、焊丝熔化位置以及熔池状态 来调整焊接参数，保证焊缝成形的一致性。而焊接环境十分恶劣，伴有烟尘、强电弧光辐射及飞溅等情况，操作者需要佩戴严密的护具，同时工作条件的恶劣易导致操作者观测疲劳，影响焊接质量。熔池监控相机可帮助操作 者精准观察到焊接过程中的焊丝位置、熔池形态，远程高清监视电弧、焊丝/钨极、熔池、焊缝、母材、以及熔池夹渣或者气泡状态，从而及时调整焊接参数，大幅提高焊接质量，提升焊接生产效率，实现熔池、焊道、焊接 环境的可视化。 [1] 1：https://www.leadle… 2：T/CMVU001-2020《工… [2] 熔池监控相机行业分类 根据熔池监控相机使用的图像传感器类型，相机可主要分为CCD（Charge-Coupled Device，电荷耦合器件）熔池监控相机与CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductors，金属氧化物半导体元件）熔池 监控相机。 熔池监控相机行业分类（按图像传感器类型分类） 熔池监控相机分类 CMOS熔池监控相机是使用CMOS图像传感器的工业相机。随着应用领域的不断拓展，CCD在小像元 （pixel）及低功耗方面逐渐遇到工艺瓶颈，无法满足高帧速和高分辨率的要求。针对该问题，成本更低、功耗更低以及高整合度的CMOS传感器出现。CMOS的光电信息转换功能与CCD的基本相似，区别在于这两种传感器的光电转换后信息传送的方式不同。CMOS具有读取信息的方式简单、输出信息速率快、耗电省(仅为CCD芯片的1/10左右)、体积小、重量轻、集成度高、价格低等特点。鉴于CMOS芯片在成本与稳定性方面的优势，熔池监控相机当前主要采用CMOS芯片，该技术路线短期内不会改变。 CMOS熔池监控相机 技术壁垒较高 熔池监控相机主要应用于工业环境，相较于民用相机，对图像稳定性、抗干扰能力和传输能力要求更加严格，技术壁垒较高。 熔池监控相机应用于各类焊接场景，工作环境恶劣，且在增材制造的过程中，熔池处于动态变化状态，表 面较为光滑，易发生类镜面折射，实时准确地获取熔池的特征信息较为困难，相机性能需满足动态范围 高、传输速率快、稳定性强的技术要求。当前市场上的主流产品例如南暄禾雅的熔池监控相机MP-C200动 态范围可达100dB，分辨率达1624*1240像素，帧率可达60fps（Frame Per Second，画面每秒传输帧数）；Xiris的焊接监控相机XVC-1000/XVC-1100动态范围≥140dB，分辨率达1280*1024像素，帧率可 达55fps；迈卡威的Mecaweld电弧监控相机动态范围≥150dB，分辨率达1024*512像素，帧率最高可达60fps。在解决熔池图像的采集问题后，熔池监控相机还面临着焊接过程中质量监控、分析、反馈、实时在 线控制焊机焊枪机械臂的工艺调整等问题的挑战，新一代熔池监控相机产品的研发制造技术难度较大，技术壁垒较高。 国产替代空间巨大 当前中国工业生产中使用的熔池监控相机以进口产品为主，国产熔池监控相机占比极低，国产替代空间巨大。 根据中国电子技术标准化研究院统计，中国机器视觉市场广阔，全球30%以上的需求都来自中国本土，但其中60%的市场需求被国外公司占据，本土机器视觉公司仅赢得40%的市场份额。具体到熔池监控相机细 分市场，除南暄禾雅等少数企业从事熔池监控相机的国产自主研发，国内相关企业以贴牌国外品牌销售为主，例如哈尔滨维捷焊接负责代理加拿大Xiris的高动态焊接监控相机，珠海市迈卡威超声波技术有限公司 是美国迈卡威技术公司（Mecaweld Technology LLC）在中国的技术服务中心，目前Xiris与迈卡威的监控相机在国内市场占比较高。随着国内金属焊接与增材制造市场需求的快速增长，熔池监控相机行业发展潜 力巨大，国产替代市场需求亟待更好的挖掘。 [3] 1：http://www.meca… 2：https://www.xiris.c… 3：《机器视觉发展白皮书… 熔池监控相机发展历程 中国熔池监控相机及所在的机器视觉大行业迄今主要经历三个发展阶段：在1969-1999年的萌芽期，CCD 图像传感器的诞生驱动机器视觉进入产业萌芽期，此时受限于半导体工艺成熟度和成本等因素制约，机器视觉仅在高端科学研究和航天、军工项目中有少量初级应用，20世纪90年代半导体的发展促进了机器视觉的小范围应 用拓展。在2000-2015年的启动期，中国本土机器视觉企业自主产品经过艰辛打磨，开始在市场中实际应用，涌现了一批自主工业相机、工业光源、工业镜头、机器视觉算法平台和检测系统等产品，国产机器视觉相机和采 集卡开始占据中低端市场，高灵敏科学级CMOS传感器系列产品成功进入国际市场，同时传统行业开始尝试应用机器视觉技术取代人工实现产品质量和工作效率的提升，机器视觉在各应用行业全面铺开。在2016年至今的高 速发展期，AI算法的进步推动工业相机及机器视觉大跨度发展，2020年的新冠疫情客观上迫使本土企业加速生产自动化、智能化进程，2020年后，国内制造业升级转型和国产化替代加快，以机器视觉为核心的智能化设备 是装备高端转型的重要发展方向，也是智能制造产业的核心基础，产业需求急剧增加，包含熔池监控相机在内的 机器视觉产业迎来快速发展期。 萌芽期 1969~1999 1969年，美国贝尔实验室成功研制出CCD传感器，可以直接把图像转换为数字信号并存储到电脑中 参与计算和分析，从而奠定了机器视觉技术诞生的基石，CCD 的发明被视作机器视觉发展的起点。 1980-1989年间，海外诞生了首批机器视觉企业，如加拿大的DALSA、美国的柯达和仙童、英国的E2V等CCD传感器与工业相机公司，以及美国康耐视等具有代表性的软件算法公司。1990年半导体 产业的发展使机器视觉定位与检测成为替代人工的支撑技术，机器视觉产业迎来发展机遇。在美国和日本等发达国家，机器视觉技术开始得到实际应用，但成像技术和算法算力的发展尚不成熟，不能全 面满足行业应用需求，无法全面推广。 在图像传感器诞生的驱动下，机器视觉进入产业萌芽期。此时受限于半导体工艺成熟度和成本等因素 制约，机器视觉仅在高端科学研究和航天、军工项目中有少量初级应用，20世纪90年代半导体的发展促进了机器视觉的小范围应用拓展。 启动期 2000~2015 2000-2009年间，FPD（flat panel display）平板显示制造、PCB（printed circuit board，印制电 路板）检测和汽车制造等行业陆续对机器视觉技术应用表现出强烈需求。同时，CPU（central processing unit）算力提升使机器视觉系统在PC-Base条件下可以处理一般性问题。随着中国加入WTO并快速融入全球化体系，中国机器视觉产业通过技术引进快速掌握先进经验，国内一些对产品 工艺要求严格、生产效率要求较高、产品利润较好的企业率先尝试成为中国首批机器视觉的受益者。 例如2000年在印刷领域出现了高精度高速“人民币大张凹印在线质量检测系统”，2001年出现“钞票大张质量检查机图像检测系统”，显著提升人民币印刷质量和自动化水平，奠定机器视觉及其关键 环节工业相机在工业应用的里程碑。2004年底，机器视觉技术开始被应用于PCB行业的电路板生 产、底片检测等工艺段，新的应用方向不断被开辟出来。2009年，以苹果、华为等为代表的3C电子 制造精度越来越高，瑕疵尺寸小于10μm，超过人眼分辨极限，单靠人工的品质检测方式已不能满足生产要求，必须采用机器视觉技术才能确保产品出厂质量，3C电子制造为中国机器视觉产业提供发 展快车道，一批自主工业相机产品涌现。 中国机器视觉产业进入发展初期，本土企业自主产品经过艰辛打磨，开始在市场中实际应用，涌现了 一批自主工业相机、工业光源、工业镜头、机器视觉算法平台和检测系统等产品，国产机器视觉相机和采集卡开始占据中低端市场。国内多家CMOS传感器开发公司推出了系列产品，高灵敏科学级 CMOS传感器系列产品成功进入国际市场。同时，传统行业开始尝试应用机器视觉技术取代人工实现产品质量和工作效率的提升，机器视觉在各应用行业全面铺开。 高速发展期 2016~至今 伴随人工智能算法的迅猛发展，中国机器视觉产业获得大跨度推进。深度学习为图像数据的分析提供统一的数学工具，众多互联网公司开始利用深度学习技术开展机器视觉工作。机器视觉企业也开始利 用深度学习技术解决以往难以判断的细微缺陷并做缺陷分类，并在半导体、LCD（liquid crystal display，液晶显示屏）检测，手机自动化大组装，智能铁路与轨道交通，印刷与包装，棉纺等行业 开始应用。2020年的新冠疫情对劳动密集企业造成巨大冲击，却客观上加速国内机器视觉产业的发展。疫情致使企业劳动力急剧流失，机器视觉能够帮助企业成为生产自动化和智能化的无人工厂、黑 灯工厂，为企业提供生产保障的同时降本提效。同时，机器视觉技术以其高速、高精度、非接触的特点，被广泛应用于新冠病毒快速筛查、非接触红外测温等医学领域。2020年4月，专注于计算机视觉 应用的南京南暄禾雅科技有限公司成立。 AI算法的进步推动工业相机及机器视觉大跨度发展，2020年的新冠疫情客观上迫使本土企业加速生产自动化、智能化进程，2020年后，在国家大力号召发展高端装备制造业的大环境下，国内制造业 升级转型和国产化替代加快，高端装备创新发展成为未来制造业的主流。以机器视觉为核心的智能化设备是装备高端转型的重要发展方向，也是智能制造产业的核心基础。产业需求急剧增加，包含熔池 监控相机在内的机器视觉产业迎来快速发展期。 熔池监控相机产业链上游为零部件供应商，相机的主要零部件包括CMOS图像传感器、工业相机镜头，若相机采用嵌入式成像技术，相机的主要零部件还包括FPGA芯片。CMOS图像传感器代表性供应商有格科微电子、 索尼、三星等，工业相机镜头代表性供应商有深圳东正光学、江苏慕藤光、深圳市视清科技等，FPGA芯片代表 性供应商有复旦微、景嘉微、紫光同创等。产业链中游为熔池监控相机制造商，代表性制造商有南京南暄禾雅、迈卡威、Xiris、北京创想智控等。产业链下游为金属焊接与增材制造，代表性参与方有中国核工业集团第五建设 公司、江南造船（集团）有限责任公司、江苏烁石焊接科技有限公司等。 中国熔池监控相机相较于欧美发达国家虽起步较晚，包括CMOS图像传感器、工业相机镜头、FPGA芯片在 内的零部件目前已能够实现全部国产化。但就商业化而言，零部件全部国产化未必是熔池监控相机组装制造的最佳选择，国产芯片往往价格更加高昂，二次开发成本较高，性能表现相较于进口芯片未占据明显优势，本土熔池 监控相机企业更倾向于使用索尼系列的CMOS图像传感器。当前国内机器视觉系统应用处于高速增长阶段，在生产领域应用广泛，上游CMOS图像传感器、工业相机镜头、FPGA芯片厂商受乐观市场前景鼓舞，行业参与者增 多，供给较为充足。中游熔池监控相机制造前期资金壁垒、技术壁垒较高，产线建设周期相对工业镜头等零部件 更长，认证流程简单，产品毛利率高，盈利能力较强，目前具备国产相机自主研发能力的企业数量极为稀少，投资潜力巨大。下游金属焊接与增材制造将不断向自动化、数字化、信息化和智能化方向发展，尤其在军工、航空 航天等对工件要求较高的领域以及对精密度要求较高的医学领域，金属焊接与增材制造对熔池监控相机等有效监 测方式需求旺盛，为产业链发展提供持续驱动力。 上 产业链