焊接在航空航天制造中占據(jù)著重要位置，是實(shí)現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案、保證設(shè)計(jì)選材靈活性的重要技術(shù)。采用先進(jìn)焊接工藝、實(shí)現(xiàn)焊接過程機(jī)械化和自動(dòng)化、擴(kuò)大計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)器人在焊接中的應(yīng)用，是提高航空航天產(chǎn)品質(zhì)量，保證飛行器的安全、可靠性，改善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工工藝性的關(guān)鍵所在。在焊接過程中采用視覺傳感方法實(shí)時(shí)獲取焊接區(qū)及鄰域信息，具有信息量大、靈敏度和精度高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、傳感器與工件不接觸等優(yōu)點(diǎn)，通過先進(jìn)合理的圖像處理，可在焊縫跟蹤、質(zhì)量控制、焊后無損檢測等方面發(fā)揮重要作用，在航天航空制造等眾多行業(yè)領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。

航空航天制造領(lǐng)域焊接特點(diǎn)及其對焊縫自動(dòng)跟蹤的要求

在航空航天制造領(lǐng)域，飛行器承力構(gòu)件、發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)件、燃料貯箱、機(jī)載設(shè)備等的制造都離不開焊接。對產(chǎn)品制造精度的高標(biāo)準(zhǔn)要求、待焊工件的安裝誤差、出于某些力學(xué)考慮對被焊工件進(jìn)行軟態(tài)約束從而導(dǎo)致焊接過程中產(chǎn)生的變形，這些因素都使得有必要對焊縫進(jìn)行自動(dòng)跟蹤。與其焊接在以下幾個(gè)方面具有特殊性：

（1）焊接路徑的復(fù)雜性。

由于航空航天結(jié)構(gòu)的特殊性，焊接軌跡常為復(fù)雜的空間曲線，如運(yùn)載火箭燃料貯箱結(jié)構(gòu)。此時(shí)采用有效的焊縫跟蹤和焊炬姿態(tài)調(diào)節(jié)是焊接過程穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量可靠性的保證。為提高結(jié)構(gòu)性能或?qū)崿F(xiàn)特殊功能，在航空航天制造中常需要使用焊接手段將小型元部件組合連接成特定的大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)，如運(yùn)載火箭尾噴管結(jié)構(gòu)，這同樣需實(shí)現(xiàn)對復(fù)雜空間路徑的自動(dòng)跟蹤，同時(shí)進(jìn)行焊槍姿態(tài)的相應(yīng)調(diào)整。航空航天制造過程中的多位姿焊接對視覺傳感及信息處理的準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性提出很高要求。

（2）被焊工件材料的光學(xué)特性。

航空航天制造所涉及的被焊工件，既有合金結(jié)構(gòu)鋼和不銹鋼，也有高溫合金、鋁合金、鈦合金、甚至復(fù)合材料等。對于視覺傳感而言，這些材料所表現(xiàn)出的光學(xué)特性（反射強(qiáng)度、紋理質(zhì)地、顏色特征等等）都值得關(guān)注和研究。某些材料對電弧等外部光源有強(qiáng)烈的反射，就必須在視覺傳感的光路設(shè)計(jì)中采取措施降低其負(fù)面影響。而某些材料在焊接中因氧化等原因會具有新的顏色特征[1]，可為焊縫無損檢測軌跡視覺自動(dòng)引導(dǎo)提供基礎(chǔ)。另外，不同材料在焊接過程中的熔化現(xiàn)象也各不相同，熔池和鄰域信息以及焊縫成形的光學(xué)特征也是焊接視覺傳感重點(diǎn)關(guān)注的對象。

（3）焊接工藝方法的特點(diǎn)。

航空航天制造涉及了多種電弧焊、電阻焊、激光焊、電子束焊等。不同的工藝方法在工件材料、坡口形式、焊縫特征、光學(xué)環(huán)境和視覺信息等方面有不同特點(diǎn)，在焊縫跟蹤精度和速度方面也有不同要求。例如，激光焊熱源集中，坡口間隙小，對視覺識別精度要求較高；焊接速度快，對焊縫跟蹤實(shí)時(shí)性要求較高。而各種材料的明弧焊及其他熔化焊，弧光和熔池的光強(qiáng)及光譜特征也各不相同，對焊縫視覺自動(dòng)跟蹤的光學(xué)系統(tǒng)和處理算法都提出了挑戰(zhàn)。另外，在需要進(jìn)行多層多道焊的場合中，為實(shí)現(xiàn)填充焊和蓋面焊的跟蹤，需要對前道焊縫表面形貌進(jìn)行識別。航空航天領(lǐng)域制造質(zhì)量意義重大，經(jīng)常進(jìn)行的焊后無損檢測也對已完成焊接的焊縫自動(dòng)跟蹤提出需求。

以往常常根據(jù)是否外加輔助光源而將焊縫跟蹤方法分為主動(dòng)視覺和被動(dòng)視覺。但從有利于技術(shù)創(chuàng)新的角度，應(yīng)關(guān)注基于對象特征（焊接坡口宏觀幾何特征、工件區(qū)域光學(xué)特征等）對焊接視覺方法進(jìn)行分類的思路。

基于焊接坡口宏觀幾何特征的焊縫視覺跟蹤

最常見的跟蹤方法是結(jié)構(gòu)光法，即采用特定的結(jié)構(gòu)光（點(diǎn)、線、圓弧以及光柵等形式）作為輔助光源照射待識別區(qū)域，通過圖像中的光斑畸變獲取焊接坡口幾何結(jié)構(gòu)信息?；诰€結(jié)構(gòu)光法的焊縫跟蹤視覺系統(tǒng)曾應(yīng)用于Ariane 5運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尾噴管的自動(dòng)TIG焊接。在對接、光的方法，可獲得焊縫的多點(diǎn)信息，有利于增強(qiáng)可靠性。

結(jié)構(gòu)光法在焊接自動(dòng)化中獲得了實(shí)際應(yīng)用，但也存在局限性。在待識別區(qū)域結(jié)構(gòu)特征不明顯（如極窄間隙的對接焊、多層焊中的蓋面焊等）的情況下，光斑圖像難以產(chǎn)生明顯畸變。在實(shí)際焊接生產(chǎn)過程中，焊工經(jīng)常用眼睛經(jīng)適當(dāng)減光措施直接觀測焊接區(qū)域工件光學(xué)特征（質(zhì)地、紋理、顏色和光影等）從而實(shí)現(xiàn)有效的手動(dòng)跟蹤?？梢曰谌斯ぶ悄艿乃悸费芯堪l(fā)展新的焊縫視覺跟蹤技術(shù)方法。

基于紋理特征的焊縫識別方法

紋理可看作是物體在一定尺度上表面微觀特征規(guī)律性分布的宏觀表現(xiàn)。重復(fù)出現(xiàn)的微觀特征可被稱為紋理基元，而圖像紋理則是由大量基元按照一定規(guī)律排列而成的，可以通過對紋理基元及其組合方式實(shí)現(xiàn)對紋理的描述。焊縫經(jīng)常呈現(xiàn)魚鱗狀波紋，可研究基于圖像紋理基元模板匹配的搜索算法進(jìn)行焊縫跟蹤[14]，在焊后的自動(dòng)無損檢測中得到應(yīng)用。

紋理也可被認(rèn)為是一種反映區(qū)域中像素灰度級空間分布規(guī)律的屬性。可基于灰度共生矩陣方法建立對焊縫圖像紋理特征的描述，自動(dòng)將焊縫與母材區(qū)分出來。由于考慮了子圖像的區(qū)域特征，基于紋理特征值的描述比基于灰度值的描述更能夠反映焊縫區(qū)與母材區(qū)的特征差別。根據(jù)上述原理，以實(shí)際焊接過程中拍攝的視頻圖像為素材，編寫圖像采集和處理程序并進(jìn)行焊縫識別測試，得到如圖1 所示的識別結(jié)果，顯示了該方法焊縫視覺跟蹤方面的應(yīng)用前景。

焊縫區(qū)識別結(jié)果

基于色彩信息的焊縫識別方法

隨著彩色攝像技術(shù)的進(jìn)步和普及，如何充分利用圖像的色彩信息進(jìn)行目標(biāo)識別成為焊接視覺傳感技術(shù)中的重要思路。彩色圖像比黑白圖像包含更多的信息，為了有效地表達(dá)和處理彩色信息，需要建立相應(yīng)的彩色表達(dá)模型，也需要研究適用的彩色圖像處理方法。

在焊接視覺中，某些識別對象因材料特點(diǎn)、熱加工過程、氧化反應(yīng)等原因具有特定的顏色特征，可利用其進(jìn)行焊縫識別以及焊縫質(zhì)量的判斷。例如，在鋼管水耦合自動(dòng)超聲波無損檢測中，母材表面因氧化作用而呈現(xiàn)黃褐色，而待檢測焊縫經(jīng)過銑削加工呈現(xiàn)淡青色，可通過顏色空間的分析將焊縫區(qū)與母材區(qū)進(jìn)行區(qū)分。通過設(shè)定新的基準(zhǔn)色構(gòu)造出新的彩色空間，新生成的色彩表達(dá)分量矩陣突出了焊縫區(qū)與母材區(qū)的不同特點(diǎn)，較好地實(shí)現(xiàn)了圖像分割和焊縫識別。彩色CCD拍攝的原始圖像如圖2 所示，在RGB彩色空間中每個(gè)像素可表示為三維坐標(biāo)空間中的一個(gè)點(diǎn)，如圖3所示，經(jīng)彩色空間轉(zhuǎn)換后進(jìn)行圖像分割，得到分割結(jié)果如圖4所示。又如，鈦合金焊縫因氧化層厚度的不同，其顏色隨氧化層的增厚按銀白、淺黃、深黃、金紫、深藍(lán)、灰藍(lán)、灰紅、灰黑的順序進(jìn)行變化。在鈦合金焊縫成型質(zhì)量的檢測中，其中一項(xiàng)重要的工作就是通過其顏色判斷焊接質(zhì)量，焊件的縫和熱影響區(qū)的表面變色應(yīng)符合航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)規(guī)定。再如，在航空制造中，常面臨異種材料的連接，這增強(qiáng)了選材設(shè)計(jì)的靈活性，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的更高性能。不同材料在顏色上的差異性可以用于其間接縫的識別與跟蹤，基于色彩信息的視覺方法的研究在該領(lǐng)域具有可觀的前景。#p#分頁標(biāo)題#e#

圖象閾值分割結(jié)果

多傳感器信息融合

信息融合是指對多源信息進(jìn)行綜合處理，從而得出更為準(zhǔn)確、可靠的結(jié)論。它是在多個(gè)級別上對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合處理的過程，每個(gè)處理級別都反映了對原始數(shù)據(jù)不同程度的抽象；可以對多個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行多級別、多方面、多層次的處理，從而產(chǎn)生新的有意義的信息。針對焊縫識別問題，我們可以在一個(gè)焊接過程中關(guān)注多個(gè)不同的傳感器進(jìn)行信息融合，也可以利用一個(gè)傳感器獲得工件焊接區(qū)域不同類型的特征信息進(jìn)行融合處理，增加焊縫自動(dòng)識別的適應(yīng)性和可靠性。信息融合為焊縫識別與跟蹤技術(shù)沿人工智能方向的發(fā)展提供了可能。

結(jié)束語

航空航天制造領(lǐng)域的焊接在材料、結(jié)構(gòu)、焊接工藝方法等方面都有其特征，對焊縫自動(dòng)識別與跟蹤的準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性和適應(yīng)性也有專門要求。基于結(jié)構(gòu)光法焊縫視覺跟蹤技術(shù)已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用。焊接視覺技術(shù)未來的發(fā)展應(yīng)更關(guān)注和利用工件焊接區(qū)域光學(xué)特征。探索多傳感信息融合的視覺跟蹤方法是航空航天制造焊接自動(dòng)化的重要研究方向