焊接機器人工作站可視化遠程運維系統(tǒng)研究

摘"要：為了解決傳統(tǒng)人工運維管理方法效率低、成本高、成效差等問題，提高焊接機器人工作站的安全性和可靠性，提出一種結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)的焊接機器人工作站可視化遠程運維系統(tǒng)?；贐/S架構(gòu)，采用MVC設(shè)計模式開發(fā)Web應(yīng)用系統(tǒng)，對系統(tǒng)功能進行模塊化設(shè)計，降低系統(tǒng)整體耦合性。利用封裝WebGL的第三方庫Three.js創(chuàng)建工作站模擬場景，與各物理單元同步映射，實現(xiàn)數(shù)據(jù)孿生，實現(xiàn)對工作站的三維實時可視化監(jiān)測。通過對所開發(fā)系統(tǒng)的操作測試，證明了該系統(tǒng)滿足實時性、數(shù)字交互性和可配置性要求。

關(guān)鍵詞：焊接機器人工作站"遠程運維系統(tǒng)"數(shù)字孿生"Web可視化交互

中圖分類號："TP274

Research"on"Visual"Remote"Operation"and"Maintenance"System"for"Welding"Robot"Workstation

YANG"Suzhen"SHEN"Bihua"WU"Haiduan

School"of"Intelligent"Manufactuing，"Zhangzhou"Institute"of"Technology，"Zhangzhou，"Fujian"Province，"363000"China

Abstract："In"order"to"solve"the"problems"of"low"efficiency，"high"cost，"and"poor"effectiveness"of"traditional"manual"operation"and"maintenance"management"methods，"and"to"improve"the"safety"and"reliability"of"welding"robot"workstations，"a"visual"remote"operation"and"maintenance"system"for"welding"robot"workstations"combined"with"Digital"Twin"technology"is"proposed."Based"on"the"B/S"architecture，"it"develops"a"web"application"system"using"the"MVC"design"pattern，"modularizes"system"functions，"and"reduces"overall"system"coupling."It"builds"a"workstation"pseudo"scene"using"the"third-party"library"Three.js"that"encapsulates"WebGL，"synchronizes"mapping"with"its"various"physical"units，"achieving"data"twin，"and"realizing"real-time"3D"visualization"monitoring"of"the"workstation."Through"operational"testing"of"the"developed"system，"it"has"been"proven"that"the"system"meets"the"requirements"of"real-time"performance，"digital"interactivity，"and"configurability.

Key"Words："Welding"robot"workstation;"Remote"operation"and"maintenance"system;"Digital"Twin;"Web"visualization"interaction

焊接機器人工作站是目前最常用的焊接自動化裝備[1]，其能夠極大地提高焊接生產(chǎn)效率并保證質(zhì)量，進一步減少人工介入，提升生產(chǎn)空間，降低投資成本。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算等信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，機器人采用遠程運維手段成為一個重要發(fā)展趨勢，國內(nèi)外學(xué)者對此進行了較多的研究。SABRY"A"H等人[2]遠程監(jiān)控工業(yè)機器人的功耗進行故障檢測，獲取實時數(shù)據(jù)與預(yù)先指定任務(wù)正常工作的關(guān)節(jié)數(shù)據(jù)比較，預(yù)測排除潛在故障。許向南等人[3]遠程監(jiān)測工業(yè)機器人的真實運作情況，實時采集并存儲機器人的運行數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的處理與歷史數(shù)據(jù)的回顧?？梢暬悄壳把b備遠程運維技術(shù)的研究熱點之一，可以大大提高裝備遠程運維的便捷性和效率。杜瑩瑩等人[4]基于數(shù)字孿生對工業(yè)機器人進行實時可視化遠程監(jiān)控，實現(xiàn)對實時運行數(shù)據(jù)的采集與傳輸，并在建模的虛擬單元上映射數(shù)據(jù)。MOURTZIS"D等人[5]設(shè)計和開發(fā)數(shù)字孿生，創(chuàng)建能夠?qū)I(yè)設(shè)備進行預(yù)測維護合適的框架，基于仿真模型并分析收集的數(shù)據(jù)來預(yù)測設(shè)備未來可能出現(xiàn)的故障，提高設(shè)備的可用性?，F(xiàn)有焊接機器人工作站的運維系統(tǒng)大多以數(shù)據(jù)信息管理為主，功能單一，缺乏可視化手段，適用性十分有限。鑒于此，本文提出一種基于遠程監(jiān)測技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的焊接機器人工作站可視化遠程運維平臺，克服工作站間的數(shù)據(jù)交互困難，簡化信息的記錄與管理；通過三維模型可視化映射現(xiàn)實焊接機器人工作站，數(shù)字交互儀監(jiān)測工作站及其各部件的狀態(tài)，實時評估工作站當(dāng)下的裝備性能及故障隱患。

1"系統(tǒng)總體架構(gòu)與功能設(shè)計

系統(tǒng)采用B/S（瀏覽器/服務(wù)器）架構(gòu)，通過瀏覽器即可完成客戶端的操作[6]，系統(tǒng)后續(xù)的升級和維護不需要擔(dān)心所在運行計算機硬件的兼容性。在參考傳統(tǒng)MVC設(shè)計模式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)層次架構(gòu)如圖1所示，細分為設(shè)備層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和展示層，從而將業(yè)務(wù)邏輯、數(shù)據(jù)、界面顯示分離，實現(xiàn)模塊間耦合性降低。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，同時需要考慮業(yè)務(wù)邏輯實現(xiàn)的可行性以及各功能之間的聯(lián)系，處理好公共資源的更新與同步。主要功能模塊設(shè)計如下。

1.1"首頁

導(dǎo)入百度地圖插件，根據(jù)數(shù)據(jù)庫信息在地圖上顯示已建立工作站；點擊地圖上工作站圖標顯示一些基本信息；通過鏈接跳轉(zhuǎn)到查看工作站詳細信息；查閱管理員所發(fā)布通知公告。

1.2"用戶中心

進行對注冊用戶信息的增刪改查；管理用戶權(quán)限，初步將制定三級權(quán)限（超級管理員、工作站管理者、工作站運維人員）。

1.3"工作站及設(shè)備中心

實現(xiàn)對工作站及設(shè)備的增刪改查；可上傳工作站設(shè)備圖片、工作站三維模型、基本操作手冊等文件。

1.4"數(shù)據(jù)中心

通過通信協(xié)議，實時接收更新外部打包的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲及查詢；數(shù)據(jù)圖形可視化，將接收到的數(shù)據(jù)通過曲線圖等形象地表示。

1.5"監(jiān)測中心

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，實現(xiàn)點擊模型不同位置上設(shè)備或傳感器顯示對應(yīng)信息和數(shù)據(jù)；實現(xiàn)對模型放大或旋轉(zhuǎn)等可視化交互操作。

1.6"監(jiān)控中心

用于連接工作站所有的攝像機，實時監(jiān)控現(xiàn)場；遠程對攝像頭進行監(jiān)控角度擺動的基本操控。

1.7"診斷中心

結(jié)合評估算法對工作站焊接機器人整體工作性能進行評估；列表焊接機器人工作站（機器人本體、變位機、周圍安全設(shè)備、焊接電源）可能存在故障，建立故障樹，計算故障概率；閾值監(jiān)測工作站工作參數(shù)，并實現(xiàn)超出報警。

1.8"運維中心

實現(xiàn)基本的工單管理：運維派單、接收處理、驗收，及時進行設(shè)備維修和巡檢管理；由負責(zé)新建并提交任務(wù)申請，登記任務(wù)人員，分配任務(wù)完成情況等。

1.9"系統(tǒng)中心

查看系統(tǒng)操作日志；數(shù)據(jù)字典，修改數(shù)據(jù)庫屬性，全局配置，提高工程可維護性、可擴展性以及可配置性。

2"系統(tǒng)數(shù)據(jù)的確定與傳輸

2.1"數(shù)據(jù)的選擇與存儲

創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，MySQL有較小的體積，能夠?qū)崿F(xiàn)快速地存儲和查詢，滿足系統(tǒng)遠程監(jiān)測實時性的要求，故選擇其作為數(shù)據(jù)的存儲平臺。明確和完善焊接機器人工作站基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，以及與各功能模塊相關(guān)的數(shù)據(jù)等。

2.1.1焊接機器人工作站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）工業(yè)機器人參數(shù)，主要包括型號、重量、自由度、負載、工作空間（臂展）、最大速度、使用的焊接方法和切割方法（弧焊或點焊）等；（2）焊接設(shè)備參數(shù)，主要包括焊接電源、焊接槍、焊接鉗等設(shè)備的產(chǎn)品型號、電源電壓、輸入功率、工作電壓、電流調(diào)節(jié)范圍、主要用途等；（3）工作站結(jié)構(gòu)參數(shù)及參數(shù)性能，主要包括工作站規(guī)格（長寬高）、總功率、最大工作范圍、焊接平均效率等；（4）工件參數(shù)，主要包括待焊工件的型號、尺寸、形狀、材質(zhì)、壁厚、焊接接頭類型等；（5）環(huán)境參數(shù)，主要包括工作溫度、濕度、風(fēng)速、振動等。

2.1.2焊接機器人工作站的動態(tài)數(shù)據(jù)

（1）焊接工藝參數(shù)，主要包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度、送絲速度、焊絲直徑、焊絲干伸長度、氣體流量；（2）位姿準確度、位姿重復(fù)性、軌跡準確度、軌跡重復(fù)性、擺動偏差、焊接良品率；（3）日工作焊接時間、日產(chǎn)能等。

在數(shù)據(jù)庫中建立存儲表格，定義相應(yīng)數(shù)據(jù)字段，以運行數(shù)據(jù)為例，數(shù)據(jù)表格信息表1所示。

2.2"通信的建立與數(shù)據(jù)傳輸

將機器人工作站作為服務(wù)端，遠程運維系統(tǒng)作為客戶端。系統(tǒng)使用Socket實現(xiàn)雙方的通信，Socket是對TCP/IP協(xié)議的封裝，TCP（傳輸控制協(xié)議）為用戶提供面向連接、可靠的字節(jié)流服務(wù)，它在數(shù)據(jù)傳輸時確認機制和重傳機制保證了數(shù)據(jù)不丟失、不重復(fù)、按順序到達。因此，能夠保證傳遞工作站運行數(shù)據(jù)的正確性和完整性，滿足系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測的要求。

在這個過程中，服務(wù)端先進入監(jiān)控狀態(tài)，獲取工作站控制系統(tǒng)上位機的IP地址并設(shè)置端口號，系統(tǒng)平臺向其發(fā)送WebSocket連接的請求后建立TCP通信，設(shè)置監(jiān)聽周期以保證數(shù)據(jù)的實時性，接收并封裝工作站傳遞而來的數(shù)據(jù)，可根據(jù)需求繪制工作站運行數(shù)據(jù)動態(tài)折線圖，數(shù)據(jù)接收完畢后，斷開TCP連接，節(jié)省資源。

同時，將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，通過Ajax與后臺數(shù)據(jù)庫進行交互，異步加載獲取并展示工單信息、通告消息等，在不重新加載整個網(wǎng)頁的情況下，刷新網(wǎng)頁局部內(nèi)容和動態(tài)加載實時數(shù)據(jù)，增強系統(tǒng)的實時性。數(shù)據(jù)交換采用application/json格式，使用動態(tài)表格對工作站各數(shù)據(jù)信息列表展示及管理并且能夠?qū)С鰯?shù)據(jù)文件，便于后續(xù)對歷史數(shù)據(jù)的回顧與處理分析。

3"基于數(shù)字孿生的可視化監(jiān)測

3.1"虛擬場景的搭建

首先搭建焊接機器人工作站的3D虛擬場景。利用對WebGL封裝和簡化的第三方庫Three.js，在網(wǎng)頁上繪制和渲染復(fù)雜三維模型，把三維空間圖像顯示在二維的屏幕上，并且允許用戶與之進行交互?？梢越柚^為成熟的可視化3D建模工具對工作站進行建模，WebGL提供多種加載器以支持不同文件格式的模型。本文將繪制好的模型轉(zhuǎn)化為.obj格式并導(dǎo)入，以實現(xiàn)之后對界面上工作站各部件的拾取、識別。通過WebGL的obj加載器返回由一個或多個網(wǎng)格模型對象mesh組成的object3D對象，它具有children屬性，實質(zhì)上為一個數(shù)組，數(shù)組成員為這些mesh對象。焊接機器人工作站是一個復(fù)雜系統(tǒng)，mesh對象對應(yīng)組成工作站裝配體模型的各部件或傳感器。工作站模型導(dǎo)入并在線加載完成后，可實現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，如圖2所示。

此外在場景中，還需創(chuàng)建渲染器，規(guī)定模型展示的范圍；選擇相機和燈光，使模型顯示在頁面上，并確定查看的位置、方向和角度；添加坐標系、網(wǎng)格線或輔助線，便于調(diào)節(jié)照相模型、相機、燈光的位置和角度。

3.2"數(shù)據(jù)孿生及其映射

焊接機器人工作站上各部件相應(yīng)數(shù)據(jù)的實時顯示，是實現(xiàn)數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)與現(xiàn)實物理系統(tǒng)映射的關(guān)鍵。系統(tǒng)使用Three.js提供的功能接口，通過鼠標點擊模型，拾取模型上相應(yīng)的部件。實現(xiàn)該交互操作，需要先將顯示屏幕坐標系轉(zhuǎn)換為場景三維坐標系。屏幕上的點擊點是以屏幕坐標系左上角頂點為坐標原點的相對橫坐標和相對縱坐標，為A點在三維坐標系中的坐標值，轉(zhuǎn)換關(guān)系表達式為

式（1）、式（2）中，和分別為三維模型顯示區(qū)的絕對寬度和絕對高度，由于三維坐標系的范圍是[-1，1]，故需要根據(jù)式（3）和式（4）將點進行坐標標準化，以得到最終的顯示點B（x2，y2）。

利用Raycaster（"）函數(shù)以相機視點為起點創(chuàng)建光線射線，射線穿過鼠標在屏幕上的點擊點，從深度為0的模型顯示區(qū)最前方延伸到深度為1的模型顯示區(qū)最后方，射線在這段中間區(qū)域依次穿過焊接機器人工作站模型上多個部件即mesh對象，順序存放在數(shù)組intersectObjects中，數(shù)組序列中intersectObjects[0]就是我們點擊屏幕所要選中的工作站部件。在準確地拾取到所需工作站部件后，查詢數(shù)據(jù)庫中相應(yīng)數(shù)據(jù)表格中存儲的實時運行數(shù)據(jù)或信息，進行顯示。

4"系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

本系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境使用面向Web應(yīng)用開發(fā)的IDEA開發(fā)工具，主體采用SSM框架和LayUI經(jīng)典模塊化前端框架進行搭建，結(jié)合利用第三方庫Echarts.js、Three.js等進行編程實現(xiàn)功能。在本地服務(wù)器端部署遠程運維系統(tǒng)，在焊接機器人工作站正常運行狀態(tài)下，對系統(tǒng)進行操作測試。登錄界面上（如圖3（a）所示），已注冊用戶通過賬號和密碼驗證登錄；進入系統(tǒng)首頁后（如圖3（b）所示），用戶可對所屬工作站進行管理和監(jiān)測；在設(shè)備管理界面上（如圖3（c）所示），實現(xiàn)對工作站、設(shè)備、工單、日志、歷史數(shù)據(jù)等列表顯示和增刪改查的基礎(chǔ)操作；數(shù)據(jù)顯示界面上，與現(xiàn)場工作站上位控制端請求建立通信后實時接收運行數(shù)據(jù)，存儲進數(shù)據(jù)庫，選擇數(shù)據(jù)繪制折線圖動態(tài)展示（如圖3（d）所示）；數(shù)字孿生界面上選擇工作站，點擊拾取需要監(jiān)測部件，對部件關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息、狀態(tài)參數(shù)、實時工作數(shù)據(jù)等刷新顯示、可視化，掌握工作站的運行狀態(tài)（如圖3（e）所示）；運維工單管理界面上，可以進行派單、跟單和工單查詢等操作（如圖3（f）所示）。測試結(jié)果表明系統(tǒng)功能完備，符合預(yù)期設(shè)計要求。

5"結(jié)語

本文設(shè)計開發(fā)了一種面向焊接機器人工作站的可視化遠程運維系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于Web應(yīng)用開發(fā)技術(shù)和B/S結(jié)構(gòu)，采用分層技術(shù)架構(gòu)和模塊化功能架構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，創(chuàng)建與物理場景相映射的虛擬場景，與現(xiàn)場控制上位機建立通信，傳輸實時運行數(shù)據(jù)及信息，實現(xiàn)數(shù)據(jù)孿生，在線可視化監(jiān)測工作站運行狀態(tài)。通過操作測試，本系統(tǒng)具有良好的實時性、數(shù)字交互性以及可配置性，為焊接機器人工作站遠程運維系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究提供有益參考。

參考文獻

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