基于多傳感器的工業(yè)機(jī)器人故障信息采集平臺(tái)研究

王少愚

(江漢大學(xué) 智能制造學(xué)院,湖北 武漢 430056)

0 引言

新時(shí)期背景下,工業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)革新不僅為我國(guó)社會(huì)的全面發(fā)展提供了便利,也為我國(guó)居民生活水平的提升夯實(shí)了最為重要的工業(yè)基礎(chǔ)。在工業(yè)機(jī)器人智能化水平不斷提升、應(yīng)用范圍持續(xù)擴(kuò)大的情況下,頻繁的機(jī)械運(yùn)動(dòng)以及日益復(fù)雜的作業(yè)環(huán)境使工業(yè)機(jī)器人部件終日受振動(dòng)、油污、負(fù)載、溫度等影響,整體工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)故障頻發(fā)?；诖?想要最大程度發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)價(jià)值,借助工業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)為社會(huì)發(fā)展提供助力,就一定要全面降低工業(yè)機(jī)器人的故障概率。利用更智能的技術(shù)平臺(tái),幫助技術(shù)人員充分掌握工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài),以待及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障隱患[1-3]。

現(xiàn)階段,比較主流的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)維模式有3種,即事后維護(hù)、周期性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù),其中預(yù)防性維護(hù)的效果最佳、效益最高。因此,本文以預(yù)防性維護(hù)為切入點(diǎn),構(gòu)建適用于大部分工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的工業(yè)機(jī)器人故障信息采集平臺(tái),期望能夠通過(guò)全天候檢測(cè)工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)的模式,掌握工業(yè)機(jī)器人在不同階段的實(shí)際運(yùn)行情況,并結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境與作業(yè)需求對(duì)未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)工業(yè)機(jī)器人發(fā)生故障的概率進(jìn)行預(yù)測(cè),進(jìn)而及時(shí)做好相應(yīng)的檢修準(zhǔn)備工作,盡力減少非計(jì)劃性的工業(yè)機(jī)器人停機(jī)時(shí)間,避免造成更高的經(jīng)濟(jì)損失。

1 故障信息采集平臺(tái)需求分析

工業(yè)機(jī)器人的伺服電機(jī)會(huì)在其正常運(yùn)行的狀態(tài)下,以相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)帶動(dòng)各個(gè)機(jī)械部件運(yùn)動(dòng),這一過(guò)程中機(jī)械部件相互碰撞、摩擦所產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)、摩擦溫度也是趨于平穩(wěn)的?；诖丝芍?在機(jī)械部件振動(dòng)幅度變高、速度變快或機(jī)械部件區(qū)域溫度等異常的情況下,即使整體工業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)還可以保持相對(duì)穩(wěn)定的生產(chǎn)狀態(tài),但如果不能針對(duì)異常情況進(jìn)行故障分析與處理,便可能導(dǎo)致小隱患逐漸發(fā)展為大的故障問(wèn)題[4]。因此要建立起能夠全天候檢測(cè)工業(yè)機(jī)器人各個(gè)部件運(yùn)行狀態(tài)的平臺(tái),以便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并實(shí)時(shí)向技術(shù)人員傳輸機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù),提示其在有需要的情況下及時(shí)開(kāi)展檢測(cè)與維護(hù)、修復(fù)工作[5]。

綜上,針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的作業(yè)特點(diǎn),要求適配于工業(yè)機(jī)器人生產(chǎn)需求的故障信息采集與分析平臺(tái)具備如下幾方面特征:

(1)精準(zhǔn)采集數(shù)據(jù)。針對(duì)工業(yè)機(jī)器人的故障表征,配置諸如溫度感應(yīng)、振動(dòng)感應(yīng)、轉(zhuǎn)速感應(yīng)等多種傳感器,且各傳感器要與平臺(tái)中心處理節(jié)點(diǎn)保持順暢通信,以此確保技術(shù)人員能夠充分掌握工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)。

(2)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析。順應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的實(shí)際作業(yè)流程,即時(shí)采集各構(gòu)件的信息并進(jìn)行精準(zhǔn)分析。

(3)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)故障。相關(guān)平臺(tái)不僅要精準(zhǔn)采集工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的各種故障隱患,還要具備相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源庫(kù)與歷史信息副本,以便在長(zhǎng)期總結(jié)故障特點(diǎn)與規(guī)律的前提下,幫助技術(shù)人員更好地預(yù)測(cè)后期可能出現(xiàn)的機(jī)械故障。

2 故障信息采集平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

隨著工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展,各工業(yè)企業(yè)中的生產(chǎn)線路也在不斷升級(jí),因而故障采集與檢測(cè)系統(tǒng)也需要順應(yīng)工業(yè)機(jī)器人的升級(jí)節(jié)奏而有所創(chuàng)新。為滿足故障信息采集平臺(tái)后期的升級(jí)需求,在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)之前,需要基于該平臺(tái)后期的升級(jí)需求而預(yù)留一定的升級(jí)拓展空間[6]。本研究利用模塊化的設(shè)計(jì)模式,直接使用具有良好接口資源的成熟處理器(型號(hào)為STM32F407)作為信息采集平臺(tái)的控制核心,進(jìn)而根據(jù)工業(yè)機(jī)器人各構(gòu)件的故障表征特點(diǎn),分別串聯(lián)溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器以及振動(dòng)傳感器,輔以ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)模塊達(dá)成各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的即時(shí)通信。故障信息采集平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu),如圖1所示。

圖1 故障信息采集平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)

為避免故障信息采集平臺(tái)影響到工業(yè)機(jī)器人的穩(wěn)定運(yùn)行,本設(shè)計(jì)將各采集節(jié)點(diǎn)硬件模塊的重量與體積控制到最小的程度。同時(shí),配合控制器系統(tǒng)選擇能精準(zhǔn)銜接系統(tǒng)I/O接口并順暢通信的各類傳感器。在平臺(tái)投入使用后,利用平臺(tái)內(nèi)部程序采集工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù),利用ZigBee無(wú)線傳輸模塊將數(shù)據(jù)以及采集時(shí)間、體積等相關(guān)信息打包上傳于工業(yè)機(jī)器人監(jiān)控與數(shù)據(jù)處理中心。為保障整體平臺(tái)運(yùn)行的穩(wěn)定性,避免平臺(tái)供電系統(tǒng)對(duì)工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行效果造成影響,本設(shè)計(jì)不僅選用更安全的鋰電池進(jìn)行供電,還采用多監(jiān)控模塊輪番采集信息模式,保障每一套采集模塊在非作業(yè)時(shí)間時(shí)能夠降低供能進(jìn)入睡眠模式,以增加節(jié)點(diǎn)的續(xù)航能力。除此之外,平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)還包含聲音傳感器以及告警模塊,保障在采集并分析出工業(yè)機(jī)器人異常運(yùn)行狀態(tài)的情況下能夠及時(shí)向工作人員發(fā)布告警信息,引導(dǎo)工作人員及時(shí)停機(jī)維護(hù)。

3 故障信息采集平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

3.1 工業(yè)機(jī)器人故障信息節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行流程如圖2所示。接通電源后,采集節(jié)點(diǎn)會(huì)先清除各個(gè)傳感器和無(wú)線傳輸模塊中殘存的數(shù)據(jù),再讀取預(yù)先輸入到該節(jié)點(diǎn)之中的平臺(tái)ID信息,等待平臺(tái)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)與檢測(cè)需求發(fā)布任務(wù)信息。節(jié)點(diǎn)在接收到平臺(tái)的任務(wù)信息后需要分析并執(zhí)行指令。如假設(shè)平臺(tái)發(fā)布的是數(shù)據(jù)采集信息,該節(jié)點(diǎn)會(huì)控制各個(gè)傳感器收集信息,同時(shí)讀取鋰電池的電壓值,將電池電量、傳感器采集信息等數(shù)據(jù)打包發(fā)送至平臺(tái)數(shù)據(jù)處理中心。信息發(fā)送后,分時(shí)段檢測(cè)平臺(tái)是否接收到信息,最后等待平臺(tái)反饋。在平臺(tái)反饋告警信息的情況下,需要根據(jù)具體的故障類型播放與之對(duì)應(yīng)的預(yù)設(shè)告警語(yǔ)音,通知現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員前來(lái)處理。完成上述操作后,采集節(jié)點(diǎn)回歸等待指令的狀態(tài),一旦長(zhǎng)時(shí)間未接收到相關(guān)指令號(hào),采集節(jié)點(diǎn)便會(huì)控制鋰電池降低電能輸出,自動(dòng)進(jìn)入睡眠狀態(tài),以降低電量能耗。

圖2 采集節(jié)點(diǎn)軟件工作流程

3.2 工業(yè)機(jī)器人故障信息預(yù)處理

工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)比較特殊,因此故障采集平臺(tái)所能采集到的數(shù)據(jù)信息也比較復(fù)雜。為避免平臺(tái)每采集到特殊信息都要向工作人員發(fā)出警告,影響工作人員的正常作業(yè)。本次設(shè)計(jì)在原始機(jī)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)了工業(yè)機(jī)器人故障數(shù)據(jù)預(yù)處理功能,即利用系統(tǒng)分析與處理故障噪聲的方法,精準(zhǔn)提煉出冗雜故障信息中陳舊、重復(fù)的數(shù)據(jù)信息,以此優(yōu)化信噪比例,讓數(shù)據(jù)信息的處理結(jié)果更高效、精準(zhǔn)。其流程如下:(1)數(shù)據(jù)采集。平臺(tái)通過(guò)各傳感模塊收集工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的各類數(shù)據(jù)源,包含振動(dòng)頻率、溫度等。(2)數(shù)據(jù)清洗。對(duì)已采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與篩查,重點(diǎn)剔除其中的不完整、重復(fù)、無(wú)關(guān)或不準(zhǔn)確、無(wú)意義的故障信息,而后主動(dòng)填補(bǔ)缺失值,處理異常數(shù)值。(3)數(shù)據(jù)集成。將來(lái)自溫度、振動(dòng)等來(lái)源于不同傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合以及合并,重點(diǎn)分析并提出其中的重復(fù)數(shù)據(jù)。(4)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。承接上一步驟,對(duì)保留下來(lái)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行歸一化、標(biāo)準(zhǔn)化、離散化操作,以此為后續(xù)的數(shù)據(jù)分析與建模作業(yè)夯實(shí)基礎(chǔ)。(5)數(shù)據(jù)規(guī)約。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、抽樣、特征選擇等處理,以便更好地支持后期的數(shù)據(jù)分析與告警作業(yè)。

3.3 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)便是指平臺(tái)硬件模塊中的數(shù)據(jù)匯總中心,其不僅需要負(fù)責(zé)接收各個(gè)傳感器以及采集節(jié)點(diǎn)所采集、傳輸出的數(shù)據(jù)信息,還要完成采集節(jié)點(diǎn)資源管理配置、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)特征提取、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等各種功能。本次監(jiān)控平臺(tái)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)工作的主要設(shè)備為X86計(jì)算機(jī),正式投入使用后支持在Windows10以上的PC端、智能手機(jī)以及智能平板等各終端中運(yùn)行,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)能夠利用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)全面接受各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)中收集的工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行信息,并將這些信息內(nèi)容以數(shù)據(jù)、圖表等可視化的形式展現(xiàn)在工作人員終端顯示屏之中,以便于工作人員隨時(shí)隨地觀測(cè)工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行狀態(tài)、分析其故障隱患。同時(shí),該平臺(tái)還會(huì)將采集到的數(shù)據(jù)信息全面儲(chǔ)存于中心數(shù)據(jù)庫(kù)中,而后提取相關(guān)信號(hào)中關(guān)于工業(yè)機(jī)器人故障的特征信息,將其與故障數(shù)據(jù)庫(kù)中的既有故障特征數(shù)據(jù)對(duì)比,以此來(lái)分析工業(yè)機(jī)器人是否存在故障抑或是風(fēng)險(xiǎn)隱患。

該平臺(tái)在明確工業(yè)機(jī)器人中存在故障時(shí),觸發(fā)報(bào)警模塊發(fā)出告警信息,引導(dǎo)相關(guān)工作人員及時(shí)檢查并維修相關(guān)問(wèn)題,避免造成更高的損失。除此之外,工業(yè)機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控平臺(tái)還能夠?qū)Ω鱾€(gè)采集節(jié)點(diǎn)、傳感器模塊等進(jìn)行精細(xì)化配置為故障診斷和預(yù)測(cè)提供實(shí)時(shí)和準(zhǔn)確的工況數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化和集中化的管理。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之,針對(duì)現(xiàn)階段工業(yè)機(jī)器人機(jī)械構(gòu)件的磨損、故障隱患,既有的檢測(cè)手段以及檢測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)代工業(yè)領(lǐng)域?qū)崟r(shí)、高效的檢測(cè)要求。本文所提出的工業(yè)機(jī)器人故障信息采集平臺(tái)能夠?qū)C(jī)器人故障信息進(jìn)行收集與分析,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜機(jī)械設(shè)備的預(yù)防性維護(hù),具備進(jìn)一步研究與推廣應(yīng)用的價(jià)值。