5G視覺系統在自動焊接生產線中的應用與集成

[摘 要]文章介紹了5G視覺系統的技術基礎，探討了5G視覺系統在自動焊接生產線中的應用，提出了5G視覺系統的集成方案，以期為5G視覺系統在工業領域的廣泛應用提供可行的實施路徑。

[關鍵詞]5G視覺系統；自動焊接生產線；集成方案

[中圖分類號]TG44 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2024）12–0126–03

Application and Integration of 5G Vision System in Automatic Welding and Cutting Production Lines

ZHANG Yuxiang

[Abstract]This paper introduces the technical basis of 5G vision system， discusses the application of 5G vision system in automatic welding production line， and puts forward the integration scheme of 5G vision system， in order to provide a feasible implementation path for the wide application of 5G vision system in the industrial field.

[Keywords]5G vision system； automatic welding production line； integrated solution

1 5G視覺系統技術基礎

1.1 機器視覺原理

5G視覺系統技術的核心在于機器視覺原理的深入應用與拓展。機器視覺作為人工智能的一個重要分支，通過模擬人類視覺系統的工作方式，實現了對圖像信息的自動獲取、處理與分析。其基本原理涉及光學成像、色彩感知、圖像采集與傳感器技術等多個方面。在光學成像方面，機器視覺利用透鏡或鏡片的折射原理，將光線聚焦在圖像傳感器上，從而生成清晰的數字圖像。這一過程是機器視覺捕捉和識別目標物體的基礎。色彩感知則允許機器視覺系統識別不同波長的光線，并將其解釋為不同的顏色信息，這對于顏色檢測、分類等任務至關重要。圖像采集與傳感器技術是機器視覺系統的關鍵組成部分。常見的傳感器包括CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補金屬氧化物半導體）傳感器，其將光信號轉化為電信號，進而數字化生成圖像。這些傳感器的高靈敏度和高分辨率確保了機器視覺系統能夠捕捉到細微的圖像細節，為后續的處理和分析提供了豐富的數據基礎。除了上述基本原理外，機器視覺還涉及圖像分割、特征提取、圖像識別與分類、運動檢測與跟蹤、立體視覺與深度感知等一系列高級技術。這些技術共同構成了機器視覺系統的強大功能體系，使其能夠在復雜多變的生產環境中實現精準的目標識別、定位、測量及檢測任務。在5G視覺系統中，這些機器視覺原理得到了進一步的深化和拓展。5G技術的大帶寬、低時延特性為機器視覺系統提供了更加高效、穩定的數據傳輸通道，使得實時圖像處理和遠程控制成為可能。同時，5G網絡的廣連接特性也為機器視覺系統的廣泛應用提供了更加靈活多樣的布署方案。因此，5G視覺系統技術基礎的牢固建立，為其在自動焊接生產線等工業領域的應用與集成奠定了堅實基礎。

1.2 3D視覺技術

3D視覺技術是機器視覺領域的一個重要分支，其利用特定的傳感器和算法來捕捉并分析物體的三維空間信息。在5G視覺系統中，3D視覺技術發揮著至關重要的作用，尤其在自動焊接生產線等應用場景中，其能夠實現高精度的物體識別、定位及形態檢測。3D相機是3D視覺技術的核心設備之一，其通過投射特定的光模式到物體表面，并捕捉反射或變形的光模式，來生成物體的三維坐標信息。這一過程涉及光學投影、圖像采集及三維重建等多個技術環節。光學投影負責生成并投射光模式，圖像采集負責捕捉反射或變形的光模式，而三維重建則根據采集到的圖像信息計算出物體的三維形狀和位置。3D視覺技術在自動焊接生產線中的應用優勢顯著，其能夠提供高精度的焊接路徑規劃和實時的焊接過程監控。通過3D掃描，系統可以生成焊接工件的精確三維模型，進而規劃出最優的焊接路徑，提高焊接效率和質量。同時，3D視覺技術還可以實時監控焊接過程中的各種參數，如焊接速度、焊接深度等，確保焊接過程的穩定性和一致性。此外，3D視覺技術還具有強大的環境適應能力，其能夠在復雜多變的生產環境中穩定工作，不受光照、陰影、遮擋等因素的影響。這使得3D視覺技術在自動焊接生產線等工業領域具有廣泛的應用前景。

1.3 5G技術在機器視覺中的應用優勢

5G技術在機器視覺中的應用帶來了顯著優勢，極大推動了工業自動化和智能制造的發展。主要體現在以下方面：①5G技術提供了超高的數據傳輸速率。與4G相比，5G網絡的傳輸速度有了質的飛躍，這使得機器視覺系統能夠實時、高效地傳輸大量高清圖像數據。在自動焊接生產線等場景中，高清圖像數據的實時傳輸對于精確識別工件特征、實時監控焊接過程至關重要，而5G技術恰好滿足了這一需求。②5G網絡的低時延特性為機器視覺系統的實時響應提供了有力保障。在工業生產中，尤其是在需要快速反饋和精確控制的場景中，低時延不可或缺。5G技術的引入，使得機器視覺系統能夠幾乎無延遲地接收指令、傳輸數據并作出響應，從而提高了生產效率和產品質量。③5G技術具備廣連接的能力，支持大量設備的并發接入。在復雜的工業生產環境中，機器視覺系統通常需要與多個傳感器、執行器等設備進行通信和協作。5G網絡的廣連接特性使得這種協作變得更加順暢和高效，進一步提升了整個生產線的智能化水平。

2 5G視覺系統在自動焊接生產線中的應用

2.1 焊接質量檢測

5G視覺系統在自動焊接生產線中的應用，尤其在焊接質量檢測方面，展現出了巨大的潛力和優勢。傳統的焊接質量檢測主要依賴于人工目視檢查或使用簡單的傳感器進行粗略判斷，不僅效率低下，而且檢測結果易受人為因素和環境條件的影響。而5G視覺系統的引入，為焊接質量檢測帶來了全新的解決方案。通過集成高清工業相機和先進的圖像處理算法，5G視覺系統能夠實時捕捉焊接過程中的高清圖像，并對這些圖像進行快速、準確的分析和處理。其能夠識別焊接接頭中的缺陷，如裂紋、氣孔、未熔合等，這些缺陷在傳統檢測方式中通常難以發現。同時，5G視覺系統還能夠對焊接接頭的尺寸和形狀進行精確測量，確保焊接質量符合設計要求。在實際應用中，5G視覺系統通過5G網絡將高清圖像數據實時傳輸到云端或邊緣計算節點進行進一步處理和分析。云端或邊緣計算節點利用強大的計算能力和先進的AI算法，對圖像數據進行深度學習和模式識別，從而實現對焊接質量的智能化檢測。這種基于5G和AI的視覺檢測方案，不僅提高了焊接質量檢測的精度和效率，還大幅降低了人工干預的成本和風險。

2.2 焊接過程監控

傳統的焊接過程監控主要依賴于工人的經驗和簡單的傳感器，難以實現對焊接過程的全面、實時、高精度的監控。而5G視覺系統的引入，為焊接過程的實時監控提供了全新的解決方案。通過集成高清工業相機和先進的圖像處理算法，5G視覺系統能夠實時捕捉焊接過程中的高清圖像，并對這些圖像進行快速、準確的分析和處理。其能夠實時監測焊接接頭的形成過程，包括熔池的形態、焊接速度、焊接溫度等關鍵參數，確保焊接過程符合工藝要求。同時，5G視覺系統還能夠對焊接過程中可能出現的異常情況進行及時預警，如焊接偏移、焊接飛濺等，有助于及時調整焊接參數，避免焊接質量問題的發生。5G視覺系統通過5G網絡將實時圖像數據傳輸到云端或邊緣計算節點進行進一步的處理和分析。云端或邊緣計算節點利用強大的計算能力和先進的AI算法，對圖像數據進行實時分析和挖掘，從而實現對焊接過程的智能化監控。這種基于5G和AI的視覺監控方案，不僅提高了焊接過程監控的精度和效率，還大幅降低了人工監控的成本和風險。此外，5G視覺系統還具有高度的靈活性和可擴展性。其可以根據不同的焊接工藝和產品要求，進行定制化的配置和優化。同時，隨著5G網絡的不斷發展和普及，5G視覺系統還可以與其他工業設備進行無縫連接和協作，實現更加智能化和自動化的生產流程。

3 5G視覺系統的集成方案

3.1 系統架構設計

5G視覺系統集成方案中的系統架構設計是確保系統高效、穩定運行的關鍵。在設計5G視覺系統的架構時，需要充分考慮系統的可擴展性、靈活性，以及與其他工業設備的無縫連接能力。系統架構應采用模塊化設計，將不同的功能模塊進行解耦，以便于系統的擴展和維護，包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、數據分析模塊及通信模塊等。每個模塊都應具有明確的接口定義和功能劃分，以確保模塊之間的獨立性和協同性。系統架構應注重實時性和高效性。5G視覺系統需要處理大量的高清圖像數據，并要求實時響應，因此系統架構應采用高性能的硬件平臺和優化的軟件算法，以確保圖像數據的實時采集、傳輸及處理。同時，還需要考慮數據的存儲和管理，以便于后續的數據分析和挖掘。系統架構還應具備強大的網絡通信能力。5G視覺系統需要通過5G網絡與其他工業設備進行通信和數據交換，因此系統架構應支持5G網絡的接入和傳輸，并具備網絡負載均衡、數據加密等安全機制，以確保網絡通信的穩定性和安全性。系統架構還應考慮與其他工業設備的集成和協作。5G視覺系統通常需要與焊接機器人、智能傳感器等設備集成，以實現更加智能化和自動化的生產流程。因此，系統架構應提供開放的接口和協議，以便于與其他設備的無縫連接和協作。

3.2 通訊協議與接口

5G視覺系統作為工業自動化領域的前沿技術，其通訊協議的選擇需兼顧實時性、可靠性及安全性。5G視覺系統主要采用的通訊協議包括但不限于5G網絡協議、工業以太網協議，以及控制面與用戶面分離協議。作為系統的基礎通訊網絡，5G網絡提供了大帶寬、低時延、廣連接的特性，使得高清圖像數據能夠實時、穩定地傳輸。同時，5G網絡協議遵循3GPP（第三代合作伙伴計劃）等國際標準化組織制訂的規范，確保了全球范圍內的互操作性和兼容性。在系統內部，工業以太網協議（如Ethernet/IP、Modbus TCP等）被廣泛用于連接圖像采集設備、處理單元及控制中心，具有高速、穩定、易于集成的特點，能夠滿足工業自動化環境對通訊性能的要求。此外，控制面與用戶面分離協議的應用，進一步提高了系統的靈活性和效率?？刂泼鎱f議（如GTP–C、NGAP等）負責信令傳輸和會話管理，而用戶面協議（如GTP–U、UDP/IP等）則專注于數據傳輸。接口設計是確保系統各組件間順暢通信的關鍵。在5G視覺系統中，接口設計遵循標準化、模塊化及可擴展性原則。采用國際或行業標準的接口協議（如GigE Vision、USB3 Vision等），可確保系統能夠與市場上主流的圖像采集設備、處理單元及控制軟件兼容。同時，將系統劃分為不同的功能模塊，并為每個模塊設計獨立的接口，以便于系統的維護和升級，同時也提高了系統的靈活性和可擴展性。針對高清圖像數據的實時傳輸需求，系統設計了高效的數據傳輸接口，支持低時延、高帶寬的數據傳輸特性，以確保圖像數據的實時性和準確性?？紤]到工業自動化環境對安全性的高要求，接口設計還包括數據加密、訪問控制等安全機制，能夠有效防止數據泄漏和非法訪問等安全問題的發生。綜上所述，5G視覺系統的通訊協議與接口設計是一個復雜而關鍵的過程。通過合理選擇通訊協議和精心設計接口機制，可以確保系統各組件間的高效、可靠通信，為工業自動化領域的智能化和自動化發展提供有力支持。

4 結束語

5G視覺系統中的3D視覺技術作為機器視覺的重要分支，在自動焊接生產線中發揮著關鍵作用。該技術利用特定傳感器和算法捕捉并分析物體的三維空間信息，其核心設備3D相機通過投射光模式到物體表面并捕捉反射或變形的光模式，生成物體的三維坐標信息。這一過程融合了光學投影、圖像采集及三維重建等多項技術，實現了高精度的物體識別、定位及形態檢測。在自動焊接生產線中，3D視覺技術的優勢尤為突出，不僅能提供精確的焊接路徑規劃，提高焊接效率和質量，還能實時監控焊接過程中的各項參數，確保焊接過程的穩定性和一致性。此外，3D視覺技術具備強大的環境適應能力，能在復雜多變的生產環境中穩定工作，不受外界因素干擾。因此，3D視覺技術在自動焊接生產線等工業領域展現出廣泛的應用前景，對于提升生產效率、保證產品質量及推動工業自動化進程具有重要意義。隨著5G技術的不斷發展，3D視覺技術與5G視覺系統的深度融合，將為自動焊接生產線帶來更加智能化、高效化的解決方案。

參考文獻

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[2] 王兆臣，湯澎湃.“5G+工業互聯網”的焊接，切割及大數據系統的推廣和應用[J].電焊機，2021（10）：148-150.