焊接機(jī)器人工作站可視化遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)研究

摘"要：為了解決傳統(tǒng)人工運(yùn)維管理方法效率低、成本高、成效差等問題，提高焊接機(jī)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(jī)器人工作站可視化遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)。基于B/S架構(gòu)，采用MVC設(shè)計(jì)模式開發(fā)Web應(yīng)用系統(tǒng)，對(duì)系統(tǒng)功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，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(chǎng)景，與各物理單元同步映射，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)孿生，實(shí)現(xiàn)對(duì)工作站的三維實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)。通過對(duì)所開發(fā)系統(tǒng)的操作測(cè)試，證明了該系統(tǒng)滿足實(shí)時(shí)性、數(shù)字交互性和可配置性要求。

關(guān)鍵詞：焊接機(jī)器人工作站"遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)"數(shù)字孿生"Web可視化交互

中圖分類號(hào)："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(jī)器人工作站是目前最常用的焊接自動(dòng)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(jìn)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(jì)算等信息技術(shù)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造領(lǐng)域，機(jī)器人采用遠(yuǎn)程運(yùn)維手段成為一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了較多的研究。SABRY"A"H等人[2]遠(yuǎn)程監(jiān)控工業(yè)機(jī)器人的功耗進(jìn)行故障檢測(cè)，獲取實(shí)時(shí)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(cè)排除潛在故障。許向南等人[3]遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)工業(yè)機(jī)器人的真實(shí)運(yùn)作情況，實(shí)時(shí)采集并存儲(chǔ)機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)，方便數(shù)據(jù)的處理與歷史數(shù)據(jù)的回顧。可視化是目前裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)的研究熱點(diǎn)之一，可以大大提高裝備遠(yuǎn)程運(yùn)維的便捷性和效率。杜瑩瑩等人[4]基于數(shù)字孿生對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)時(shí)運(yùn)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(jì)和開發(fā)數(shù)字孿生，創(chuàng)建能夠?qū)I(yè)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)維護(hù)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(cè)設(shè)備未來可能出現(xiàn)的故障，提高設(shè)備的可用性。現(xiàn)有焊接機(jī)器人工作站的運(yùn)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(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)和數(shù)字孿生技術(shù)的焊接機(jī)器人工作站可視化遠(yuǎn)程運(yùn)維平臺(tái)，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(shí)焊接機(jī)器人工作站，數(shù)字交互儀監(jiān)測(cè)工作站及其各部件的狀態(tài)，實(shí)時(shí)評(píng)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(jì)

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(jí)和維護(hù)不需要擔(dān)心所在運(yùn)行計(jì)算機(jī)硬件的兼容性。在參考傳統(tǒng)MVC設(shè)計(jì)模式的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)層次架構(gòu)如圖1所示，細(xì)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(shí)現(xiàn)模塊間耦合性降低。

系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)需要考慮業(yè)務(wù)邏輯實(shí)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(jì)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(diǎn)擊地圖上工作站圖標(biāo)顯示一些基本信息；通過鏈接跳轉(zhuǎn)到查看工作站詳細(xì)信息；查閱管理員所發(fā)布通知公告。

1.2"用戶中心

進(jìn)行對(duì)注冊(cè)用戶信息的增刪改查；管理用戶權(quán)限，初步將制定三級(jí)權(quán)限（超級(jí)管理員、工作站管理者、工作站運(yùn)維人員）。

1.3"工作站及設(shè)備中心

實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)等文件。

1.4"數(shù)據(jù)中心

通過通信協(xié)議，實(shí)時(shí)接收更新外部打包的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(cè)中心

結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊模型不同位置上設(shè)備或傳感器顯示對(duì)應(yīng)信息和數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)；遠(yuǎn)程對(duì)攝像頭進(jìn)行監(jiān)控角度擺動(dòng)的基本操控。

1.7"診斷中心

結(jié)合評(píng)估算法對(duì)工作站焊接機(jī)器人整體工作性能進(jìn)行評(píng)估；列表焊接機(jī)器人工作站（機(jī)器人本體、變位機(jī)、周圍安全設(shè)備、焊接電源）可能存在故障，建立故障樹，計(jì)算故障概率；閾值監(jiān)測(cè)工作站工作參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)超出報(bào)警。

1.8"運(yùn)維中心

實(shí)現(xiàn)基本的工單管理：運(yùn)維派單、接收處理、驗(yàn)收，及時(shí)進(jìn)行設(shè)備維修和巡檢管理；由負(fù)責(zé)新建并提交任務(wù)申請(qǐng)，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(hù)性、可擴(kuò)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(chǔ)

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(chǔ)和查詢，滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)性的要求，故選擇其作為數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)平臺(tái)。明確和完善焊接機(jī)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(jī)器人工作站的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

（1）工業(yè)機(jī)器人參數(shù)，主要包括型號(hào)、重量、自由度、負(fù)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(diǎn)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(hào)、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(hào)、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(dòng)等。

2.1.2焊接機(jī)器人工作站的動(dòng)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(zhǔn)確度、位姿重復(fù)性、軌跡準(zhǔn)確度、軌跡重復(fù)性、擺動(dòng)偏差、焊接良品率；（3）日工作焊接時(shí)間、日產(chǎn)能等。

在數(shù)據(jù)庫中建立存儲(chǔ)表格，定義相應(yīng)數(shù)據(jù)字段，以運(yùn)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(jī)器人工作站作為服務(wù)端，遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)作為客戶端。系統(tǒng)使用Socket實(shí)現(xiàn)雙方的通信，Socket是對(duì)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(shí)確認(rèn)機(jī)制和重傳機(jī)制保證了數(shù)據(jù)不丟失、不重復(fù)、按順序到達(dá)。因此，能夠保證傳遞工作站運(yùn)行數(shù)據(jù)的正確性和完整性，滿足系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)的要求。

在這個(gè)過程中，服務(wù)端先進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，獲取工作站控制系統(tǒng)上位機(jī)的IP地址并設(shè)置端口號(hào)，系統(tǒng)平臺(tái)向其發(fā)送WebSocket連接的請(qǐng)求后建立TCP通信，設(shè)置監(jiān)聽周期以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(yùn)行數(shù)據(jù)動(dòng)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(shí)，將數(shù)據(jù)保存至數(shù)據(jù)庫，通過Ajax與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫進(jìn)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(gè)網(wǎng)頁的情況下，刷新網(wǎng)頁局部內(nèi)容和動(dòng)態(tài)加載實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。數(shù)據(jù)交換采用application/json格式，使用動(dòng)態(tài)表格對(duì)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(duì)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(cè)

3.1"虛擬場(chǎng)景的搭建

首先搭建焊接機(jī)器人工作站的3D虛擬場(chǎng)景。利用對(duì)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(jìn)行交互。可以借助較為成熟的可視化3D建模工具對(duì)工作站進(jìn)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(shí)現(xiàn)之后對(duì)界面上工作站各部件的拾取、識(shí)別。通過WebGL的obj加載器返回由一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)格模型對(duì)象mesh組成的object3D對(duì)象，它具有children屬性，實(shí)質(zhì)上為一個(gè)數(shù)組，數(shù)組成員為這些mesh對(duì)象。焊接機(jī)器人工作站是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，mesh對(duì)象對(duì)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(shí)現(xiàn)模型的旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，如圖2所示。

此外在場(chǎng)景中，還需創(chuàng)建渲染器，規(guī)定模型展示的范圍；選擇相機(jī)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(biāo)系、網(wǎng)格線或輔助線，便于調(diào)節(jié)照相模型、相機(jī)、燈光的位置和角度。

3.2"數(shù)據(jù)孿生及其映射

焊接機(jī)器人工作站上各部件相應(yīng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生虛擬系統(tǒng)與現(xiàn)實(shí)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(biāo)點(diǎn)擊模型，拾取模型上相應(yīng)的部件。實(shí)現(xiàn)該交互操作，需要先將顯示屏幕坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為場(chǎng)景三維坐標(biāo)系。屏幕上的點(diǎn)擊點(diǎn)是以屏幕坐標(biāo)系左上角頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)的相對(duì)橫坐標(biāo)和相對(duì)縱坐標(biāo)，為A點(diǎn)在三維坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，轉(zhuǎn)換關(guān)系表達(dá)式為

式（1）、式（2）中，和分別為三維模型顯示區(qū)的絕對(duì)寬度和絕對(duì)高度，由于三維坐標(biāo)系的范圍是[-1，1]，故需要根據(jù)式（3）和式（4）將點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)化，以得到最終的顯示點(diǎn)B（x2，y2）。

利用Raycaster（"）函數(shù)以相機(jī)視點(diǎn)為起點(diǎn)創(chuàng)建光線射線，射線穿過鼠標(biāo)在屏幕上的點(diǎn)擊點(diǎn)，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(jī)器人工作站模型上多個(gè)部件即mesh對(duì)象，順序存放在數(shù)組intersectObjects中，數(shù)組序列中intersectObjects[0]就是我們點(diǎn)擊屏幕所要選中的工作站部件。在準(zhǔn)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(chǔ)的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)或信息，進(jìn)行顯示。

4"系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)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(jìn)行搭建，結(jié)合利用第三方庫Echarts.js、Three.js等進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)功能。在本地服務(wù)器端部署遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)，在焊接機(jī)器人工作站正常運(yùn)行狀態(tài)下，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作測(cè)試。登錄界面上（如圖3（a）所示），已注冊(cè)用戶通過賬號(hào)和密碼驗(yàn)證登錄；進(jìn)入系統(tǒng)首頁后（如圖3（b）所示），用戶可對(duì)所屬工作站進(jìn)行管理和監(jiān)測(cè)；在設(shè)備管理界面上（如圖3（c）所示），實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)工作站上位控制端請(qǐng)求建立通信后實(shí)時(shí)接收運(yùn)行數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)進(jìn)數(shù)據(jù)庫，選擇數(shù)據(jù)繪制折線圖動(dòng)態(tài)展示（如圖3（d）所示）；數(shù)字孿生界面上選擇工作站，點(diǎn)擊拾取需要監(jiān)測(cè)部件，對(duì)部件關(guān)聯(lián)的設(shè)備信息、狀態(tài)參數(shù)、實(shí)時(shí)工作數(shù)據(jù)等刷新顯示、可視化，掌握工作站的運(yùn)行狀態(tài)（如圖3（e）所示）；運(yùn)維工單管理界面上，可以進(jìn)行派單、跟單和工單查詢等操作（如圖3（f）所示）。測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)功能完備，符合預(yù)期設(shè)計(jì)要求。

5"結(jié)語

本文設(shè)計(jì)開發(fā)了一種面向焊接機(jī)器人工作站的可視化遠(yuǎn)程運(yùn)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(chǎng)景相映射的虛擬場(chǎng)景，與現(xiàn)場(chǎng)控制上位機(jī)建立通信，傳輸實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)及信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)孿生，在線可視化監(jiān)測(cè)工作站運(yùn)行狀態(tài)。通過操作測(cè)試，本系統(tǒng)具有良好的實(shí)時(shí)性、數(shù)字交互性以及可配置性，為焊接機(jī)器人工作站遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng)的工程應(yīng)用研究提供有益參考。

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