[摘 要]文章介紹了5G視覺系統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)，探討了5G視覺系統(tǒng)在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用，提出了5G視覺系統(tǒng)的集成方案，以期為5G視覺系統(tǒng)在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供可行的實(shí)施路徑。

[關(guān)鍵詞]5G視覺系統(tǒng)；自動(dòng)焊接生產(chǎn)線；集成方案

[中圖分類號(hào)]TG44 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A [文章編號(hào)]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(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)

1.1 機(jī)器視覺原理

5G視覺系統(tǒng)技術(shù)的核心在于機(jī)器視覺原理的深入應(yīng)用與拓展。機(jī)器視覺作為人工智能的一個(gè)重要分支，通過(guò)模擬人類視覺系統(tǒng)的工作方式，實(shí)現(xiàn)了對(duì)圖像信息的自動(dòng)獲取、處理與分析。其基本原理涉及光學(xué)成像、色彩感知、圖像采集與傳感器技術(shù)等多個(gè)方面。在光學(xué)成像方面，機(jī)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(shù)字圖像。這一過(guò)程是機(jī)器視覺捕捉和識(shí)別目標(biāo)物體的基礎(chǔ)。色彩感知?jiǎng)t允許機(jī)器視覺系統(tǒng)識(shí)別不同波長(zhǎng)的光線，并將其解釋為不同的顏色信息，這對(duì)于顏色檢測(cè)、分類等任務(wù)至關(guān)重要。圖像采集與傳感器技術(shù)是機(jī)器視覺系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。常見的傳感器包括CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）傳感器，其將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，進(jìn)而數(shù)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(jī)器視覺系統(tǒng)能夠捕捉到細(xì)微的圖像細(xì)節(jié)，為后續(xù)的處理和分析提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。除了上述基本原理外，機(jī)器視覺還涉及圖像分割、特征提取、圖像識(shí)別與分類、運(yùn)動(dòng)檢測(cè)與跟蹤、立體視覺與深度感知等一系列高級(jí)技術(shù)。這些技術(shù)共同構(gòu)成了機(jī)器視覺系統(tǒng)的強(qiáng)大功能體系，使其能夠在復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的目標(biāo)識(shí)別、定位、測(cè)量及檢測(cè)任務(wù)。在5G視覺系統(tǒng)中，這些機(jī)器視覺原理得到了進(jìn)一步的深化和拓展。5G技術(shù)的大帶寬、低時(shí)延特性為機(jī)器視覺系統(tǒng)提供了更加高效、穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸通道，使得實(shí)時(shí)圖像處理和遠(yuǎn)程控制成為可能。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性也為機(jī)器視覺系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用提供了更加靈活多樣的布署方案。因此，5G視覺系統(tǒng)技術(shù)基礎(chǔ)的牢固建立，為其在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線等工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用與集成奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

1.2 3D視覺技術(shù)

3D視覺技術(shù)是機(jī)器視覺領(lǐng)域的一個(gè)重要分支，其利用特定的傳感器和算法來(lái)捕捉并分析物體的三維空間信息。在5G視覺系統(tǒng)中，3D視覺技術(shù)發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，尤其在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線等應(yīng)用場(chǎng)景中，其能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的物體識(shí)別、定位及形態(tài)檢測(cè)。3D相機(jī)是3D視覺技術(shù)的核心設(shè)備之一，其通過(guò)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(lái)生成物體的三維坐標(biāo)信息。這一過(guò)程涉及光學(xué)投影、圖像采集及三維重建等多個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)。光學(xué)投影負(fù)責(zé)生成并投射光模式，圖像采集負(fù)責(zé)捕捉反射或變形的光模式，而三維重建則根據(jù)采集到的圖像信息計(jì)算出物體的三維形狀和位置。3D視覺技術(shù)在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著，其能夠提供高精度的焊接路徑規(guī)劃和實(shí)時(shí)的焊接過(guò)程監(jiān)控。通過(guò)3D掃描，系統(tǒng)可以生成焊接工件的精確三維模型，進(jìn)而規(guī)劃出最優(yōu)的焊接路徑，提高焊接效率和質(zhì)量。同時(shí)，3D視覺技術(shù)還可以實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過(guò)程中的各種參數(shù)，如焊接速度、焊接深度等，確保焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和一致性。此外，3D視覺技術(shù)還具有強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，其能夠在復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境中穩(wěn)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(shù)在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線等工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

1.3 5G技術(shù)在機(jī)器視覺中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

5G技術(shù)在機(jī)器視覺中的應(yīng)用帶來(lái)了顯著優(yōu)勢(shì)，極大推動(dòng)了工業(yè)自動(dòng)化和智能制造的發(fā)展。主要體現(xiàn)在以下方面：①5G技術(shù)提供了超高的數(shù)據(jù)傳輸速率。與4G相比，5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度有了質(zhì)的飛躍，這使得機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)、高效地傳輸大量高清圖像數(shù)據(jù)。在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線等場(chǎng)景中，高清圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸對(duì)于精確識(shí)別工件特征、實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過(guò)程至關(guān)重要，而5G技術(shù)恰好滿足了這一需求。②5G網(wǎng)絡(luò)的低時(shí)延特性為機(jī)器視覺系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)提供了有力保障。在工業(yè)生產(chǎn)中，尤其是在需要快速反饋和精確控制的場(chǎng)景中，低時(shí)延不可或缺。5G技術(shù)的引入，使得機(jī)器視覺系統(tǒng)能夠幾乎無(wú)延遲地接收指令、傳輸數(shù)據(jù)并作出響應(yīng)，從而提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。③5G技術(shù)具備廣連接的能力，支持大量設(shè)備的并發(fā)接入。在復(fù)雜的工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中，機(jī)器視覺系統(tǒng)通常需要與多個(gè)傳感器、執(zhí)行器等設(shè)備進(jìn)行通信和協(xié)作。5G網(wǎng)絡(luò)的廣連接特性使得這種協(xié)作變得更加順暢和高效，進(jìn)一步提升了整個(gè)生產(chǎn)線的智能化水平。

2 5G視覺系統(tǒng)在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用

2.1 焊接質(zhì)量檢測(cè)

5G視覺系統(tǒng)在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中的應(yīng)用，尤其在焊接質(zhì)量檢測(cè)方面，展現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的焊接質(zhì)量檢測(cè)主要依賴于人工目視檢查或使用簡(jiǎn)單的傳感器進(jìn)行粗略判斷，不僅效率低下，而且檢測(cè)結(jié)果易受人為因素和環(huán)境條件的影響。而5G視覺系統(tǒng)的引入，為焊接質(zhì)量檢測(cè)帶來(lái)了全新的解決方案。通過(guò)集成高清工業(yè)相機(jī)和先進(jìn)的圖像處理算法，5G視覺系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)捕捉焊接過(guò)程中的高清圖像，并對(duì)這些圖像進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析和處理。其能夠識(shí)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(tǒng)檢測(cè)方式中通常難以發(fā)現(xiàn)。同時(shí)，5G視覺系統(tǒng)還能夠?qū)附咏宇^的尺寸和形狀進(jìn)行精確測(cè)量，確保焊接質(zhì)量符合設(shè)計(jì)要求。在實(shí)際應(yīng)用中，5G視覺系統(tǒng)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將高清圖像數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫嘶蜻吘売?jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步處理和分析。云端或邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)利用強(qiáng)大的計(jì)算能力和先進(jìn)的AI算法，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行深度學(xué)習(xí)和模式識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接質(zhì)量的智能化檢測(cè)。這種基于5G和AI的視覺檢測(cè)方案，不僅提高了焊接質(zhì)量檢測(cè)的精度和效率，還大幅降低了人工干預(yù)的成本和風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 焊接過(guò)程監(jiān)控

傳統(tǒng)的焊接過(guò)程監(jiān)控主要依賴于工人的經(jīng)驗(yàn)和簡(jiǎn)單的傳感器，難以實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的全面、實(shí)時(shí)、高精度的監(jiān)控。而5G視覺系統(tǒng)的引入，為焊接過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控提供了全新的解決方案。通過(guò)集成高清工業(yè)相機(jī)和先進(jìn)的圖像處理算法，5G視覺系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)捕捉焊接過(guò)程中的高清圖像，并對(duì)這些圖像進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析和處理。其能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)焊接接頭的形成過(guò)程，包括熔池的形態(tài)、焊接速度、焊接溫度等關(guān)鍵參數(shù)，確保焊接過(guò)程符合工藝要求。同時(shí)，5G視覺系統(tǒng)還能夠?qū)附舆^(guò)程中可能出現(xiàn)的異常情況進(jìn)行及時(shí)預(yù)警，如焊接偏移、焊接飛濺等，有助于及時(shí)調(diào)整焊接參數(shù)，避免焊接質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。5G視覺系統(tǒng)通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)將實(shí)時(shí)圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫嘶蜻吘売?jì)算節(jié)點(diǎn)進(jìn)行進(jìn)一步的處理和分析。云端或邊緣計(jì)算節(jié)點(diǎn)利用強(qiáng)大的計(jì)算能力和先進(jìn)的AI算法，對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和挖掘，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)焊接過(guò)程的智能化監(jiān)控。這種基于5G和AI的視覺監(jiān)控方案，不僅提高了焊接過(guò)程監(jiān)控的精度和效率，還大幅降低了人工監(jiān)控的成本和風(fēng)險(xiǎn)。此外，5G視覺系統(tǒng)還具有高度的靈活性和可擴(kuò)展性。其可以根據(jù)不同的焊接工藝和產(chǎn)品要求，進(jìn)行定制化的配置和優(yōu)化。同時(shí)，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展和普及，5G視覺系統(tǒng)還可以與其他工業(yè)設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫連接和協(xié)作，實(shí)現(xiàn)更加智能化和自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。

3 5G視覺系統(tǒng)的集成方案

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

5G視覺系統(tǒng)集成方案中的系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)高效、穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。在設(shè)計(jì)5G視覺系統(tǒng)的架構(gòu)時(shí)，需要充分考慮系統(tǒng)的可擴(kuò)展性、靈活性，以及與其他工業(yè)設(shè)備的無(wú)縫連接能力。系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將不同的功能模塊進(jìn)行解耦，以便于系統(tǒng)的擴(kuò)展和維護(hù)，包括圖像采集模塊、圖像處理模塊、數(shù)據(jù)分析模塊及通信模塊等。每個(gè)模塊都應(yīng)具有明確的接口定義和功能劃分，以確保模塊之間的獨(dú)立性和協(xié)同性。系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)注重實(shí)時(shí)性和高效性。5G視覺系統(tǒng)需要處理大量的高清圖像數(shù)據(jù)，并要求實(shí)時(shí)響應(yīng)，因此系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)采用高性能的硬件平臺(tái)和優(yōu)化的軟件算法，以確保圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、傳輸及處理。同時(shí)，還需要考慮數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析和挖掘。系統(tǒng)架構(gòu)還應(yīng)具備強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)通信能力。5G視覺系統(tǒng)需要通過(guò)5G網(wǎng)絡(luò)與其他工業(yè)設(shè)備進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交換，因此系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)支持5G網(wǎng)絡(luò)的接入和傳輸，并具備網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡、數(shù)據(jù)加密等安全機(jī)制，以確保網(wǎng)絡(luò)通信的穩(wěn)定性和安全性。系統(tǒng)架構(gòu)還應(yīng)考慮與其他工業(yè)設(shè)備的集成和協(xié)作。5G視覺系統(tǒng)通常需要與焊接機(jī)器人、智能傳感器等設(shè)備集成，以實(shí)現(xiàn)更加智能化和自動(dòng)化的生產(chǎn)流程。因此，系統(tǒng)架構(gòu)應(yīng)提供開放的接口和協(xié)議，以便于與其他設(shè)備的無(wú)縫連接和協(xié)作。

3.2 通訊協(xié)議與接口

5G視覺系統(tǒng)作為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的前沿技術(shù)，其通訊協(xié)議的選擇需兼顧實(shí)時(shí)性、可靠性及安全性。5G視覺系統(tǒng)主要采用的通訊協(xié)議包括但不限于5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議，以及控制面與用戶面分離協(xié)議。作為系統(tǒng)的基礎(chǔ)通訊網(wǎng)絡(luò)，5G網(wǎng)絡(luò)提供了大帶寬、低時(shí)延、廣連接的特性，使得高清圖像數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)、穩(wěn)定地傳輸。同時(shí)，5G網(wǎng)絡(luò)協(xié)議遵循3GPP（第三代合作伙伴計(jì)劃）等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織制訂的規(guī)范，確保了全球范圍內(nèi)的互操作性和兼容性。在系統(tǒng)內(nèi)部，工業(yè)以太網(wǎng)協(xié)議（如Ethernet/IP、Modbus TCP等）被廣泛用于連接圖像采集設(shè)備、處理單元及控制中心，具有高速、穩(wěn)定、易于集成的特點(diǎn)，能夠滿足工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境對(duì)通訊性能的要求。此外，控制面與用戶面分離協(xié)議的應(yīng)用，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)的靈活性和效率?？刂泼鎱f(xié)議（如GTP–C、NGAP等）負(fù)責(zé)信令傳輸和會(huì)話管理，而用戶面協(xié)議（如GTP–U、UDP/IP等）則專注于數(shù)據(jù)傳輸。接口設(shè)計(jì)是確保系統(tǒng)各組件間順暢通信的關(guān)鍵。在5G視覺系統(tǒng)中，接口設(shè)計(jì)遵循標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化及可擴(kuò)展性原則。采用國(guó)際或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的接口協(xié)議（如GigE Vision、USB3 Vision等），可確保系統(tǒng)能夠與市場(chǎng)上主流的圖像采集設(shè)備、處理單元及控制軟件兼容。同時(shí)，將系統(tǒng)劃分為不同的功能模塊，并為每個(gè)模塊設(shè)計(jì)獨(dú)立的接口，以便于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。針對(duì)高清圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸需求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了高效的數(shù)據(jù)傳輸接口，支持低時(shí)延、高帶寬的數(shù)據(jù)傳輸特性，以確保圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性?？紤]到工業(yè)自動(dòng)化環(huán)境對(duì)安全性的高要求，接口設(shè)計(jì)還包括數(shù)據(jù)加密、訪問(wèn)控制等安全機(jī)制，能夠有效防止數(shù)據(jù)泄漏和非法訪問(wèn)等安全問(wèn)題的發(fā)生。綜上所述，5G視覺系統(tǒng)的通訊協(xié)議與接口設(shè)計(jì)是一個(gè)復(fù)雜而關(guān)鍵的過(guò)程。通過(guò)合理選擇通訊協(xié)議和精心設(shè)計(jì)接口機(jī)制，可以確保系統(tǒng)各組件間的高效、可靠通信，為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的智能化和自動(dòng)化發(fā)展提供有力支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

5G視覺系統(tǒng)中的3D視覺技術(shù)作為機(jī)器視覺的重要分支，在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。該技術(shù)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(shè)備3D相機(jī)通過(guò)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(biāo)信息。這一過(guò)程融合了光學(xué)投影、圖像采集及三維重建等多項(xiàng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高精度的物體識(shí)別、定位及形態(tài)檢測(cè)。在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線中，3D視覺技術(shù)的優(yōu)勢(shì)尤為突出，不僅能提供精確的焊接路徑規(guī)劃，提高焊接效率和質(zhì)量，還能實(shí)時(shí)監(jiān)控焊接過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，確保焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和一致性。此外，3D視覺技術(shù)具備強(qiáng)大的環(huán)境適應(yīng)能力，能在復(fù)雜多變的生產(chǎn)環(huán)境中穩(wěn)定工作，不受外界因素干擾。因此，3D視覺技術(shù)在自動(dòng)焊接生產(chǎn)線等工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景，對(duì)于提升生產(chǎn)效率、保證產(chǎn)品質(zhì)量及推動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化進(jìn)程具有重要意義。隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，3D視覺技術(shù)與5G視覺系統(tǒng)的深度融合，將為自動(dòng)焊接生產(chǎn)線帶來(lái)更加智能化、高效化的解決方案。

參考文獻(xiàn)

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