人工智能在鋼箱梁焊接中的發(fā)展

趙 雙 健

(太原市城鄉(xiāng)管理局機(jī)關(guān)服務(wù)中心，山西 太原 030012)

0 引言

隨著城市飛速的發(fā)展，大跨徑橋梁在城市建設(shè)中起著非常重要的作用，為人們出行帶來(lái)眾多便捷。鋼箱梁作為一種典型的大跨徑橋梁，其具有施工工藝易操作、安全性穩(wěn)定性高、工作效率高以及組裝方便等優(yōu)點(diǎn)。目前對(duì)于鋼箱梁焊接組裝施工仍然是通過(guò)人工焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)，施工技術(shù)和施工難度也對(duì)焊接工帶來(lái)很高的考驗(yàn)。隨著國(guó)務(wù)院于2015年發(fā)布的《中國(guó)制造2025》，人工智能和信息技術(shù)為未來(lái)鋼箱梁焊接帶來(lái)了發(fā)展方向。此外，國(guó)家于2017年7月8日印發(fā)并實(shí)施的《關(guān)于印發(fā)新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃的通知》文件，其中明確提出人工智能在國(guó)家戰(zhàn)略需求中扮演的角色以及人工智能在未來(lái)智能發(fā)展生態(tài)中的發(fā)展方式。因此智能編程、遠(yuǎn)程智能焊接操作、焊縫跟蹤技術(shù)等為人工智能在鋼箱梁焊接中的發(fā)展和應(yīng)用提供可行性參考。

1 鋼箱梁焊接中的智能編程

在鋼箱梁智能焊接中一般用到焊接機(jī)器人，而焊接機(jī)器人的操作方式和操作流程都要通過(guò)編程語(yǔ)言來(lái)實(shí)現(xiàn)。一般機(jī)器人的智能編程包括示教編程和離線編程兩種方法，這兩種方法都是從傳統(tǒng)編程方法演化發(fā)展而來(lái)，主要借助于微機(jī)圖形學(xué)和幾何算法來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與鋼箱梁在不同工作環(huán)境下的完好配合，通過(guò)設(shè)定相關(guān)的焊接路徑、焊接參數(shù)和幾何尺寸來(lái)合理規(guī)劃焊接軌跡，從而保證鋼箱梁焊接的高品質(zhì)和高精準(zhǔn)。

對(duì)于鋼箱梁中存在的規(guī)則性、重復(fù)性的焊接位置可以使用示教編程的方法進(jìn)行。示教編程的主要方法是：首先，操作人員通過(guò)手動(dòng)操作示教器來(lái)控制焊接機(jī)器人到達(dá)預(yù)定的焊接位置并記錄當(dāng)前所在位置。其次，將記錄的位置傳輸?shù)胶附訖C(jī)器人的控制器中。最后，焊接機(jī)器人可以根據(jù)控制指令來(lái)進(jìn)行焊接任務(wù)。一次的焊接結(jié)束以后，焊接機(jī)器人可以根據(jù)控制指令重復(fù)進(jìn)行焊接任務(wù)。操作人員也可以通過(guò)示教編程法定義不同的焊接坐標(biāo)系對(duì)焊接機(jī)器人進(jìn)行控制。示教編程方法具有快捷高效、操作簡(jiǎn)單、無(wú)需設(shè)定環(huán)境模型等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)鋼箱梁在焊接中存在的重復(fù)性操作，同時(shí)可以修正鋼箱梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的誤差。而對(duì)于鋼箱梁中存在的復(fù)雜的、特殊的構(gòu)型，示教編程就無(wú)法實(shí)現(xiàn)智能化了，因此就需要離線編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。離線編程主要是通過(guò)軟件，如Robot Art，Robot Studio等，在電腦里重構(gòu)鋼箱梁中復(fù)雜構(gòu)件的三維虛擬環(huán)境，然后軟件可以根據(jù)結(jié)構(gòu)的形狀、尺寸和材料操作機(jī)器人來(lái)實(shí)現(xiàn)焊接軌跡，通過(guò)在離線編程仿真軟件中模擬整個(gè)焊接過(guò)程，可以隨時(shí)監(jiān)控和調(diào)整焊接軌跡和形態(tài)來(lái)確定最終的焊接方案，最后通過(guò)軟件生成最終的焊接程序。示教編程與離線編程并不是對(duì)立存在的，而是相互補(bǔ)充相互促進(jìn)的關(guān)系，在鋼箱梁的焊接中，需要根據(jù)具體的工程環(huán)境，合理選擇能提高工作效率和工作質(zhì)量的編程方式。利用智能編程可以縮短焊接工藝技術(shù)的準(zhǔn)備周期，可提高10倍以上的工作效率，并提高了焊接工藝標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化程度。

2 鋼箱梁焊接中的遠(yuǎn)程焊接技術(shù)

在鋼箱梁焊接中一般采用弧焊技術(shù)，而弧焊技術(shù)決定了鋼箱梁的焊接質(zhì)量，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，弧焊技術(shù)也得到了大力發(fā)展?；『鸽娫醇夹g(shù)就是弧焊技術(shù)中很重要的核心技術(shù)，其通過(guò)計(jì)算機(jī)和反饋?zhàn)詣?dòng)控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電源在工作和非工作時(shí)的特性進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測(cè)和控制，通過(guò)控制電源可以間接對(duì)弧焊技術(shù)中所用的電流進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制，以此來(lái)保證機(jī)器人在弧焊過(guò)程中的精準(zhǔn)性和高效性。

不同于人工焊接操作，遠(yuǎn)程焊接技術(shù)的操作主要是人通過(guò)遠(yuǎn)程操控焊接機(jī)器人來(lái)對(duì)鋼箱梁進(jìn)行焊接監(jiān)測(cè)和控制，確保焊接任務(wù)的完成。遠(yuǎn)程焊接技術(shù)在整個(gè)焊接過(guò)程較為復(fù)雜，其是機(jī)械、信息、傳感器、自動(dòng)化等多學(xué)科融合的技術(shù)，且涉及到許多如力、熱、光、電、磁非線性耦合的問(wèn)題，這就導(dǎo)致無(wú)法建立準(zhǔn)確而吻合的數(shù)學(xué)模型，因此，遠(yuǎn)程焊接技術(shù)是焊接自動(dòng)化和智能化的最直接體現(xiàn)。隨著計(jì)算機(jī)信息化的發(fā)展，人工智能、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、云計(jì)算等學(xué)科結(jié)合能夠?qū)@些問(wèn)題得到很好的解決，能夠?qū)崿F(xiàn)快速計(jì)算，這有效地推動(dòng)鋼箱梁焊接中的遠(yuǎn)程焊接技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

對(duì)于大型鋼箱梁的焊接，通過(guò)單個(gè)焊接機(jī)器人完成任務(wù)是不實(shí)際的問(wèn)題，因此勢(shì)必需要多個(gè)焊接機(jī)器人協(xié)同操作，共同完成焊接任務(wù)。這會(huì)極大增加信息化、智能化的難度，在自動(dòng)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，需要并列考慮多個(gè)機(jī)器人的焊接順序、焊接操作，首先需要確定每一臺(tái)機(jī)器人在焊接工作中的分工來(lái)保證每個(gè)機(jī)器人之間能夠溝通順暢，通過(guò)相互配合協(xié)調(diào)來(lái)提高機(jī)器人在焊接過(guò)程中的精準(zhǔn)性和高效性。因此這涉及數(shù)學(xué)邏輯、多功能化、多信息統(tǒng)一、多信號(hào)處理和多物理連接等多方面柔性化集成問(wèn)題。

3 鋼箱梁焊接中的焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫跟蹤技術(shù)也可稱為智能視覺(jué)焊接壞點(diǎn)識(shí)別技術(shù)，是指在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于環(huán)境等因素的影響，需要隨時(shí)調(diào)整焊接路徑、焊接工藝和焊接參數(shù)，來(lái)確保焊接質(zhì)量的可靠性。該技術(shù)主要是通過(guò)一系列傳感器來(lái)隨時(shí)跟蹤檢測(cè)焊接過(guò)程中的焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)的理論主要是傳感器技術(shù)和自動(dòng)控制原理，隨著模糊數(shù)學(xué)、數(shù)值軟件、在線傳輸和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等的興起，該技術(shù)都可以應(yīng)用到焊縫跟蹤技術(shù)中。焊縫跟蹤技術(shù)通過(guò)視頻畫面直觀的呈現(xiàn)機(jī)器人的焊接狀態(tài)，同時(shí)對(duì)焊縫和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測(cè)，并通過(guò)模糊自動(dòng)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)焊縫跟蹤系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算，并做相應(yīng)的調(diào)整和控制，這有效的提高了焊接跟蹤技術(shù)自動(dòng)化和智能化的水平。

對(duì)于在惡劣環(huán)境下的鋼箱梁焊接過(guò)程，可能在跟蹤采集的圖像中容易出現(xiàn)圖像噪聲，初始采集的圖像是無(wú)法識(shí)別的，所以需要在鋼箱梁焊接壞點(diǎn)識(shí)別前，先采集鋼箱梁焊接壞點(diǎn)的圖像，通過(guò)使用非線性濾波方法進(jìn)行去噪處理，然后采用非線性濾波處理(NFP)來(lái)計(jì)算圖像中的像素灰度均值，其表達(dá)式為:

H(x,y)=med[g(x+1,y+a)]

(1)

其中，H(x,y)為通過(guò)非均衡濾波處理方法得到的特征參數(shù)；g(x,y)為初始采集到初始鋼箱梁焊接圖像(x,y)處的特征參數(shù)；a為濾波窗口大小，通常取值為4×4。經(jīng)過(guò)非線性濾波處理后，需要對(duì)鋼箱梁焊接壞點(diǎn)圖像進(jìn)行圖像二值化處理。圖像二值化處理方法是根據(jù)焊接壞點(diǎn)圖像在全部圖像中的比例，設(shè)置鋼箱梁焊接壞點(diǎn)圖像像素的閾值范圍。鋼箱梁焊接壞點(diǎn)圖像像素閾值范圍的表達(dá)式為：

G={g|min[Pg-P]}

(2)

其中,Pg為通過(guò)運(yùn)算獲取的像素分布系數(shù)；P為原始鋼箱梁焊接壞點(diǎn)圖像對(duì)比度，其表達(dá)式為P=Xm/X，Xm為鋼箱梁焊接壞點(diǎn)圖像中的灰度值，X為采集圖像中全部的像素?cái)?shù)據(jù)。根據(jù)以上步驟處理，鋼箱梁焊接壞點(diǎn)圖像的去噪處理完成，得到了鋼箱梁焊接壞點(diǎn)處的清晰圖像。

焊縫跟蹤技術(shù)還用于超大規(guī)模焊接技術(shù)的缺陷檢測(cè)。其中圖像處理和模式識(shí)別更廣泛地應(yīng)用于焊縫跟蹤技術(shù)。例如其可用于熔焊過(guò)程的處理和檢測(cè),對(duì)影響焊接質(zhì)量的熔深和焊寬可進(jìn)行聯(lián)機(jī)跟蹤檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程的自動(dòng)控制。此外,焊縫跟蹤技術(shù)還可以和專家系統(tǒng)結(jié)合在一起，更好地利用數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)進(jìn)行焊縫的識(shí)別,并由此評(píng)定焊接工藝的好壞并設(shè)計(jì)相應(yīng)的優(yōu)化。

4 結(jié)語(yǔ)

鋼箱梁作為一種典型的大跨徑橋梁，目前的施工技術(shù)和施工難度也對(duì)焊接工帶來(lái)很大的考驗(yàn)。隨著人工智能科技創(chuàng)新的發(fā)展，鋼箱梁實(shí)現(xiàn)自動(dòng)焊接在未來(lái)發(fā)展中具有巨大潛力。通過(guò)智能編程、遠(yuǎn)程智能焊接操作、焊縫跟蹤技術(shù)等為人工智能在鋼箱梁焊接中的發(fā)展和應(yīng)用提供可行性參考。