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。目前對于鋼箱梁焊接組裝施工仍然是通過人工焊接來實現(xiàn)，施工技術(shù)和施工難度也對焊接工帶來很高的考驗。隨著國務(wù)院于2015年發(fā)布的《中國制造2025》，人工智能和信息技術(shù)為未來鋼箱梁焊接帶來了發(fā)展方向。此外，國家于2017年7月8日印發(fā)并實施的《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家戰(zhàn)略需求中扮演的角色以及人工智能在未來智能發(fā)展生態(tài)中的發(fā)展方式。因此智能編程、遠程智能焊接操作、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器人，而焊接機器人的操作方式和操作流程都要通過編程語言來實現(xiàn)。一般機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，主要借助于微機圖形學(xué)和幾何算法來實現(xiàn)機器人與鋼箱梁在不同工作環(huán)境下的完好配合，通過設(shè)定相關(guān)的焊接路徑、焊接參數(shù)和幾何尺寸來合理規(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行。示教編程的主要方法是：首先，操作人員通過手動操作示教器來控制焊接機器人到達預(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器人的控制器中。最后，焊接機器人可以根據(jù)控制指令來進行焊接任務(wù)。一次的焊接結(jié)束以后，焊接機器人可以根據(jù)控制指令重復(fù)進行焊接任務(wù)。操作人員也可以通過示教編程法定義不同的焊接坐標(biāo)系對焊接機器人進行控制。示教編程方法具有快捷高效、操作簡單、無需設(shè)定環(huán)境模型等優(yōu)點，可以實現(xiàn)鋼箱梁在焊接中存在的重復(fù)性操作，同時可以修正鋼箱梁結(jié)構(gòu)帶來的誤差。而對于鋼箱梁中存在的復(fù)雜的、特殊的構(gòu)型，示教編程就無法實現(xiàn)智能化了，因此就需要離線編程來實現(xiàn)。離線編程主要是通過軟件，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、尺寸和材料操作機器人來實現(xiàn)焊接軌跡，通過在離線編程仿真軟件中模擬整個焊接過程，可以隨時監(jiān)控和調(diào)整焊接軌跡和形態(tài)來確定最終的焊接方案，最后通過軟件生成最終的焊接程序。示教編程與離線編程并不是對立存在的，而是相互補充相互促進的關(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，隨著計算機技術(shù)、自動控制技術(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。弧焊電源技術(shù)就是弧焊技術(shù)中很重要的核心技術(shù)，其通過計算機和反饋自動控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對電源在工作和非工作時的特性進行即時監(jiān)測和控制，通過控制電源可以間接對弧焊技術(shù)中所用的電流進行調(diào)節(jié)和控制，以此來保證機器人在弧焊過程中的精準(zhǔn)性和高效性。

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

對于大型鋼箱梁的焊接，通過單個焊接機器人完成任務(wù)是不實際的問題，因此勢必需要多個焊接機器人協(xié)同操作，共同完成焊接任務(wù)。這會極大增加信息化、智能化的難度，在自動化設(shè)計的時候，需要并列考慮多個機器人的焊接順序、焊接操作，首先需要確定每一臺機器人在焊接工作中的分工來保證每個機器人之間能夠溝通順暢，通過相互配合協(xié)調(diào)來提高機器人在焊接過程中的精準(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、多信號處理和多物理連接等多方面柔性化集成問題。

3 鋼箱梁焊接中的焊縫跟蹤技術(shù)

焊縫跟蹤技術(shù)也可稱為智能視覺焊接壞點識別技術(shù)，是指在實際焊接過程中，由于環(huán)境等因素的影響，需要隨時調(diào)整焊接路徑、焊接工藝和焊接參數(shù)，來確保焊接質(zhì)量的可靠性。該技術(shù)主要是通過一系列傳感器來隨時跟蹤檢測焊接過程中的焊接質(zhì)量和焊接穩(wěn)定性，設(shè)計的理論主要是傳感器技術(shù)和自動控制原理，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)通過視頻畫面直觀的呈現(xiàn)機器人的焊接狀態(tài)，同時對焊縫和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行檢測，并通過模糊自動控制來實現(xiàn)對焊縫跟蹤系統(tǒng)的實時計算，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)自動化和智能化的水平。

對于在惡劣環(huán)境下的鋼箱梁焊接過程，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法識別的，所以需要在鋼箱梁焊接壞點識別前，先采集鋼箱梁焊接壞點的圖像，通過使用非線性濾波方法進行去噪處理，然后采用非線性濾波處理(NFP)來計算圖像中的像素灰度均值，其表達式為:

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

(1)

其中，H(x,y)為通過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)過非線性濾波處理后，需要對鋼箱梁焊接壞點圖像進行圖像二值化處理。圖像二值化處理方法是根據(jù)焊接壞點圖像在全部圖像中的比例，設(shè)置鋼箱梁焊接壞點圖像像素的閾值范圍。鋼箱梁焊接壞點圖像像素閾值范圍的表達式為：

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

(2)

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

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。其中圖像處理和模式識別更廣泛地應(yīng)用于焊縫跟蹤技術(shù)。例如其可用于熔焊過程的處理和檢測,對影響焊接質(zhì)量的熔深和焊寬可進行聯(lián)機跟蹤檢測，實現(xiàn)焊接過程的自動控制。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)庫來進行焊縫的識別,并由此評定焊接工藝的好壞并設(shè)計相應(yīng)的優(yōu)化。

4 結(jié)語

鋼箱梁作為一種典型的大跨徑橋梁，目前的施工技術(shù)和施工難度也對焊接工帶來很大的考驗。隨著人工智能科技創(chuàng)新的發(fā)展，鋼箱梁實現(xiàn)自動焊接在未來發(fā)展中具有巨大潛力。通過智能編程、遠程智能焊接操作、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。