CN115139336A - 一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统与方法。该系统包括下位机、工业机器人控制柜、工业机器人本体、信号采集卡、传感器、通信卡、上位机。该系统通过信号采集卡采集振动、电流、声发射等多种传感器数据到下位机，通过通信卡采集机器人控制柜内部的实时信息到下位机；上位机提供图形用户界面，同时支持数据筛选功能：根据用户需求筛选出特定关节角度范围内的振动、电流、声发射等传感器数据。该系统通用性强，能够同时采集与工业机器人健康监测相关的多种传感器信号，并支持数据筛选功能，能够自动化地筛选出工业机器人平稳运行期间的传感器信号，从而使工业机器人的故障诊断结果更加准确，具有很高的推广价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统与方法，该系统主要用于工业机器人状态信息的采集、数据的筛选，属于工业机器人故障诊断领域。
背景技术
工业机器人是智能制造系统最具代表性的设备之一，其精度退化和设备故障问题十分突出，给企业的安全生产和经济效益造成巨大负面影响，不仅给企业带来生产安全问题，还会在经济效益层面造成巨大的损失。但目前面向工业机器人的健康评估方法尚未开展较多研究。由此可见，研究工业机器人的健康评估方法，采集并分析其状态监测数据，对于减少意外停机事故，延长机器人的精度和使用寿命，从而减少企业意外损失和实现安全生产具有重要意义。
工业机器人运动不同于旋转机械，工业机器人关节在运动中属于往返运动，且速度具有三个阶段：由加速启动到平稳再到减速，因此整个运动周期并非平稳运动。而建立故障诊断模型采用平稳阶段的健康监测信号更能训练出可靠的故障诊断模型，再从平稳阶段信号中截取若干样本，从而训练基于数据驱动的故障诊断模型。
机器人运行过程中每个周期产生的数据量大，人工筛选耗时长、效率低，这就引起了工业机器人健康评估的一个重要问题，即，如何自动化筛选出工业机器人在平稳状态的健康监测数据。通过数据筛选系统，筛选出工业机器人在平稳状态的健康监测数据，从而为训练基于数据驱动的故障诊断模型构建做准备。
发明内容
本发明目的是提供一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统与方法，以克服上述缺陷。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：
一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法，包括以下步骤：
下位机通过采集板卡分别建立与多种健康监测传感器之间的通信连接；
下位机通过以太网建立与上位机的通信连接；
下位机建立与工业机器人控制柜之间的通信连接；
下位机实时获取健康监测传感器数据与工业机器人控制柜信号并进行存储；
下位机利用设定的筛选角度区间，结合工业机器人控制柜信号，对存储的健康监测传感器数据进行筛选，并将筛选结果通过上位机显示。
所述下位机建立与工业机器人控制柜之间的通信连接，包括以下步骤：
下位机获取工业机器人控制柜的通信参数；
下位机通过通讯卡与工业机器人控制柜建立连接，通过Profinet协议，利用工业机器人控制柜的通信参数配置下位机，建立下位机与工业机器人控制柜的通信。
下位机还分别对健康监测传感器数据的存储起始时间以及采集频率、工业机器人控制柜信号的存储起始时间以及采集频率进行存储。
所述下位机接收的健康监测传感器数据包括：振动信号、电流信号、声发射信号中至少一种；
所述下位机接收的工业机器人控制柜信号包括：关节角度、位置坐标、扭矩。
所述筛选角度区间为[Angle_left_constant，Angle_right_constant]，区间范围在工业机器人关节运转范围内；若区间内左极值小于区间内右极值，则筛选出的健康监测传感器数据为工业机器人关节正转期间的数据，若区间内左极值大于区间内右极值，则筛选出的健康监测传感器数据为工业机器人关节反转期间的数据。
所述利用设定的筛选角度区间，结合工业机器人控制柜信号，对存储的健康监测传感器数据进行筛选，具体为：
1)为存储的每一类健康监测传感器数据分别添加时间索引序列，将每个实时健康监测传感器映数据射到时间戳：根据健康监测传感器数据采集的存储起始时间Tsensor_start和健康监测传感器数据的采集频率fsensor，计算出健康监测传感器数据关节每个实时角度值对应的时间戳Timestamp1：
其中，index_numsensor为健康监测传感器数据的索引；
2)将实时角度值映射到时间戳：根据工业机器人控制柜信号的存储起始时间Trobot_start和工业机器人控制柜信号的采集频率frobot，计算出工业机器人控制柜信号关节每个实时角度值对应的时间戳Timestamp2：
其中，index_numangle为实时角度值的索引；
3)从前往后开始遍历实时角度值,寻找筛选区间左区间值Angle_left_constant，记录其时间戳Timestamp2，记为Timestampleft_constant，继续往下遍历实时角度值，寻找筛选区间右区间值Angle_right_constant，记录其时间戳Timestamp2，记为Timestampright_constant；
4)若Angle_left_constant小于Angle_right_constant，则筛选信号为正转阶段，判断时间区间在[Timestampleft_constant,Timestampright_constant]内的实时角度信号是否为递增，若递增，则截取该时间区间内Timestamp1对应的健康监测传感器数据，并保存，否则，不对该区间的健康监测传感器数据进行处理；
若Angle_left_constant大于Angle_right_constant，则筛选信号为反转阶段，判断时间区间在[Timestampleft_constant,Timestampright_constant]内的实时角度信号是否为递减，若递减，则截取该时间区间内Timestamp1对应的健康监测传感器数据，并保存，否则，不对该区间的健康监测传感器数据进行处理；
5)继续从Timestampright_constant开始遍历实时角度值，循环步骤3)和步骤4)，直到遍历所有角度值。
一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法。
一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，包括：多种健康监测传感器、工业机器人控制柜、下位机、以及上位机，
所述多种健康监测传感器，分别安装在工业机器人上，用于采集健康监测传感器数据，并将采集到的健康监测传感器数据通过采集板卡发送给下位机；
所述工业机器人控制柜，一边与工业机器人连接，另一边通过通讯卡与下位机连接，用于采集机器人的工业机器人控制柜信号，并发送给下位机；
所述下位机，用于存储健康监测传感器数据以及工业机器人控制柜信号，并对健康监测传感器数据进行筛选，将筛选后的健康监测传感器数据通过上位机显示。
所述下位机为数据采集控制器PXIe-8840。
所述通讯卡为KUNBUS通讯卡。
本发明具有以下有益效果及优点：
本发明能够同时采集、传输和存储实时的振动、电流、声发射、温度等传感器数据，以及工业机器人控制柜的数据(实时坐标、关节角度、扭矩)，并能够根据关节角度值来筛选不同关节角度范围内的工业机器人的传感器监测数据，具有功能丰富，结构简单特点。而且能够灵活根据用户需求来筛选指定关节角度区间内的传感器监测数据，为工业机器人健康监测数据分析提供保证。
附图说明
图1是本发明实施例的用于工业机器人健康监测数据采集与筛选系统示意图；
图2是读取实时的工业机器人控制柜信号的通信配置图；
图3是数据筛选软件执行逻辑图；
图4a是数据筛选实例图；
图4b是数据筛选实例图；
图4c是数据筛选实例图；
图4d是数据筛选实例图；
图4e是数据筛选实例图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
本发明目的在于提供一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统。该系统具有上位机(软件用户界面)、下位机(数据采集控制器PXIe-8840)、工业机器人控制柜、工业机器人、信号采集卡、传感器(振动、电流、声发射等)、KUNBUS通信卡(Profinet通信)。振动传感器和声发射传感器安装在工业机器人外壁，电流传感器安装在工业机器人控制柜的线路上；传感器通过信号采集卡和下位机(数据采集控制器PXIe-8840)相连；下位机(数据采集控制器PXIe-8840)和工业机器人控制柜通过KUNBUS通信卡(Profinet通信)相连；传感器能够实时采集工业机器人的传感器监测数据(振动、电流、声发射等)，并传输至下位机(数据采集控制器PXIe-8840)；下位机(数据采集控制器PXIe-8840)可通过Profinet通信，向工业机器人控制柜发出请求控制器数据指令，从而工业机器人控制柜内部的实时数据(关节角度值、坐标、扭矩)通过Profinet实时发送到下位机(数据采集控制器PXIe-8840)；上位机和下位机通过以太网连接，可传达上位机所执行的软件指令至下位机，也可传输下位机采集到的数据至上位机。根据实时关节角度值，在上位机执行程序，来筛选出指定关节角度范围内的传感器监测数据。
本发明的技术方案为：一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，包括硬件部分和软件部分。
硬件部分包括上位机(软件用户界面)、下位机(数据采集控制器PXIe-8840)、传感器数据采集模块(振动信号、电流信号、声发射信号等)、Profinet通信模块。下位机(数据采集控制器PXIe-8840)借助KUNBUS通讯卡通过Profinet协议连接工业机器人控制柜通讯口；下位机(数据采集控制器PXIe-8840)和传感器数据采集模块通过采集板卡进行连接；并通过以太网连接上位机，在上位机执行软件，实现人机交互。
软件部分包括Profinet通信和数据筛选。Profinet通信建立起下位机(数据采集控制器PXIe-8840)和工业机器人控制柜(从)之间的通信，向工业机器人发出请求指令，接收来自于工业机器人控制柜内部的数据，工业机器人控制柜通过编码器的相关参数，就可获取到工业机器人每个关节当前的信息，然后将当前信息映射到通信系统中定义好的64个字节的内存中，内存中的信息不断更新；此时PXI系统从内存中读取这些不断更新的64个字节，进行解析，从而通过通信系统实时采集到工业机器人控制柜内部信息(关节角度值、坐标、扭矩)；数据筛选软件实现根据用户指定关节角度范围和运转方向来筛选传感器监测数据，包括筛选出指定角度范围或正/反向的传感器监测数据，输入筛选区间和控制柜信号中的角度值、传感器监测数据，读取筛选区间的区间值对应的时间戳，根据时间戳来截取对应范围内的传感器监测数据。
所述传感器监测信号采集卡为PXIe-4497、PXI-6133。
所述Profinet通信模块采用KUNBUS通信卡，通过Profinet协议进行传输给数据采集控制器。
所述下位机为NI控制器PXIe-8840。
所述上位机为具有千兆网口的计算机。
一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，该系统能够同时采集来自多源传感器的健康监测数据，又能够采集来自工业机器人控制器内部的信息，并根据工业机器人控制器的关节角度值对健康监测数据实施筛选，筛选出在运动中指定角度范围内的健康监测数据，该系统包含硬件部分和软件部分。包括以下步骤，
第一步，建立下位机(数据采集控制器)与健康监测传感器之间的连接；
第二步，建立上位机(软件用户界面)与下位机(数据采集控制器)的连接；
第三步，建立数据采集控制器与工业机器人控制柜之间的通信；
第四步，同时获取工业机器人的实时的传感器监测数据与工业机器人控制柜中的信号；
第五步，将实时健康监测数据和工业机器人控制柜中的信号存储；
第六步，载入实时的传感器监测数据和工业机器人控制柜中的信号，并输入筛选角度区间，进行筛选实时的传感器监测数据。
第一步中建立下位机(数据采集控制器)与健康监测传感器之间的连接是通过采集板卡实现。
第二步中建立上位机(软件用户界面)与下位机(数据采集控制器)的连接是通过以太网实现。
第三步中建立下位机(数据采集控制器)与工业机器人控制柜之间的通信是通过Profinet通信实现，具体为：
首先获取通信参数，读取工业机器人控制器的相关通信参数，如Device No、IPAdress、Subnetmak、Gateway等；
然后通过KUNBUS连接工业机器人控制柜和下位机(数据采集控制器)，将获取的工业机器人控制柜的相关通信参数配置到下位机，建立起工业机器人控制柜和下位机(数据采集控制器)的通信；
下位机(数据采集控制器)为主设备，工业机器人控制柜为从设备。
第四步中获取的传感器监测数据包括：振动信号、电流信号、声发射信号等；工业机器人控制柜中的信号包括：关节角度、位置坐标、扭矩。
第四步中获取的传感器监测数据与工业机器人控制柜中的信号需要具有同时性，相同的起始时间。
第五步中存储的数据不仅仅包含所采集的数据，还包括存储起始时间和采集频率。
第六步中输入筛选角度区间[Angle_left_constant,Angle_right_constant]，区间范围应在工业机器人关节运转范围内；若左区间小于右区间，则筛选出的传感器监测数据为工业机器人正转期间的数据，若左区间大于右区间，则筛选出的传感器监测数据为工业机器人反转期间的数据；且筛选范围可根据用户需求而定。
图1是数据筛选系统示意图。
工业机器人控制柜和KUNBUS通讯卡相连，然后再连接到下位机(数据采集控制器PXIe-8840)。
振动、电流、声发射等传感器和采集板卡相连，然后再连接到下位机(数据采集控制器PXIe-8840)。
上位机接收下位机(数据采集控制器PXIe-8840)采集的传感器监测信号(振动、电流、声发射)、工业机器人控制柜内部信号，并通过人机交互进行数据显示和执行数据筛选软件。
图2是建立工业机器人与下位机(数据采集控制器PXIe-8840)通信的示意图。
用户读取工业机器人控制柜中用于建立Profinet通信的相关参数，将这些参数配置到数据采集控制器PXIe-8840，从而建立起工业机器人与下位机(数据采集控制器PXIe-8840)的通信。
下位机(数据采集控制器PXIe-8840)为主站，工业机器人控制柜为从站，通过下位机(数据采集控制器PXIe-8840)可实现对工业机器人的控制。
建立通信后，用户操作机器人，键入作业任务，机器人开始作业，下位机(数据采集控制器PXIe-8840)开始采集传感器数据(振动、电流、声发射等信号)和来自机器人控制柜的信号(关节角度、位置、扭矩)，并存储。
图3是健康监测数据筛选软件的示意图。
上位机载入下位机(数据采集控制器PXIe-8840)采集的传感器监测数据和工业机器人控制柜的实时角度值，并指定筛选关节角度范围[Angle_left_constant,Angle_right_constant]。
①为存储的每一类传感器监测数据添加时间索引序列，将每个实时传感器信号映射到时间戳：根据传感器监测数据采集的存储起始时间Tsensor_start和传感器监测数据的采集频率fsensor，计算出关节每个实时角度值(index_numsensor为实时传感器信号的索引)对应的时间戳Timestamp1。
②将实时角度值映射到时间戳。根据工业机器人控制柜信号的存储起始时间Trobot_start和工业机器人控制柜信号的采集频率frobot，计算出工业机器人控制柜信号关节每个实时角度值(index_numangle为实时角度值的索引)对应的时间戳Timestamp2。
③从前往后开始遍历实时角度值数据,寻找筛选区间左区间值Angle_left_constant，记录其时间戳Timestampleft_constant，继续往下遍历实时角度值，寻找筛选区间右区间值Angle_right_constant，记录其时间戳Timestampright_constant。
④若Angle_left_constant小于Angle_right_constant，则筛选信号为正转阶段，判断时间区间在[Timestampleft_constant,Timestampright_constant]内的实时角度信号是否为递增，若递增，则截取该时间区间内Timestamp1对应的健康监测传感器数据，并保存，否则，不对该区间的健康监测传感器数据进行处理；若Angle_left_constant大于Angle_right_constant，则筛选信号为反转阶段，判断时间区间在[Timestampleft_constant,Timestampright_constant]内的实时角度信号是否为递减，若递减，则则截取该时间区间内Timestamp1对应的健康监测传感器数据，并保存，否则，不对该区间的健康监测传感器数据进行处理。
⑤继续从Timestampright_constant开始遍历实时角度值，循环③④步骤，直到遍历所有角度值。
图4是筛选结果实例。
图4(a)是一个完整的正反转区间的角度信号，角度值由-90度正转到90度，然后停顿一下，再反转到-90度；图4(b)是一个完整的正反转区间的传感器信号，在-90度和90度附近，由于停顿减速，信号幅值较小；图4(c)是筛选任务[-90度,30度]的结果，左区间小于右区间值，信号幅值逐渐增加，在正转最开始阶段；图4(d)是筛选任务[-90度,30度]的结果，左区间小于右区间值，信号平稳，在正转中间阶段；图4(e)是筛选任务[90度,60度]的结果，左区间大于右区间值，信号幅度逐渐增加，在反转起步阶段。
Claims (10)
1.一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法，其特征在于，包括以下步骤：
下位机通过采集板卡分别建立与多种健康监测传感器之间的通信连接；
下位机通过以太网建立与上位机的通信连接；
下位机建立与工业机器人控制柜之间的通信连接；
下位机实时获取健康监测传感器数据与工业机器人控制柜信号并进行存储；
下位机利用设定的筛选角度区间，结合工业机器人控制柜信号，对存储的健康监测传感器数据进行筛选，并将筛选结果通过上位机显示。
2.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法，其特征在于，所述下位机建立与工业机器人控制柜之间的通信连接，包括以下步骤：
下位机获取工业机器人控制柜的通信参数；
下位机通过通讯卡与工业机器人控制柜建立连接，通过Profinet协议，利用工业机器人控制柜的通信参数配置下位机，建立下位机与工业机器人控制柜的通信。
3.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法，其特征在于，下位机还分别对健康监测传感器数据的存储起始时间以及采集频率、工业机器人控制柜信号的存储起始时间以及采集频率进行存储。
4.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法，其特征在于，
所述下位机接收的健康监测传感器数据包括：振动信号、电流信号、声发射信号中至少一种；
所述下位机接收的工业机器人控制柜信号包括：关节角度、位置坐标、扭矩。
5.根据权利要求1所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法，其特征在于，所述筛选角度区间为[Angle_left_constant，Angle_right_constant]，区间范围在工业机器人关节运转范围内；若区间内左极值小于区间内右极值，则筛选出的健康监测传感器数据为工业机器人关节正转期间的数据，若区间内左极值大于区间内右极值，则筛选出的健康监测传感器数据为工业机器人关节反转期间的数据。
6.根据权利要求1或3所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法，其特征在于，所述利用设定的筛选角度区间，结合工业机器人控制柜信号，对存储的健康监测传感器数据进行筛选，具体为：
1)为存储的每一类健康监测传感器数据分别添加时间索引序列，将每个实时健康监测传感器映数据射到时间戳：根据健康监测传感器数据采集的存储起始时间Tsensor_start和健康监测传感器数据的采集频率fsensor，计算出健康监测传感器数据关节每个实时角度值对应的时间戳Timestamp1：
其中，index_numsensor为健康监测传感器数据的索引；
2)将实时角度值映射到时间戳：根据工业机器人控制柜信号的存储起始时间Trobot_start和工业机器人控制柜信号的采集频率frobot，计算出工业机器人控制柜信号关节每个实时角度值对应的时间戳Timestamp2：
其中，index_numangle为实时角度值的索引；
3)从前往后开始遍历实时角度值,寻找筛选区间左区间值Angle_left_constant，记录其时间戳Timestamp2，记为Timestampleft_constant，继续往下遍历实时角度值，寻找筛选区间右区间值Angle_right_constant，记录其时间戳Timestamp2，记为Timestampright_constant；
4)若Angle_left_constant小于Angle_right_constant，则筛选信号为正转阶段，判断时间区间在[Timestampleft_constant,Timestampright_constant]内的实时角度信号是否为递增，若递增，则截取该时间区间内Timestamp1对应的健康监测传感器数据，并保存，否则，不对该区间的健康监测传感器数据进行处理；
若Angle_left_constant大于Angle_right_constant，则筛选信号为反转阶段，判断时间区间在[Timestampleft_constant,Timestampright_constant]内的实时角度信号是否为递减，若递减，则截取该时间区间内Timestamp1对应的健康监测传感器数据，并保存，否则，不对该区间的健康监测传感器数据进行处理；
5)继续从Timestampright_constant开始遍历实时角度值，循环步骤3)和步骤4)，直到遍历所有角度值。
7.一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，其特征在于，包括存储器和处理器；所述存储器，用于存储计算机程序；所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-6所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选方法。
8.一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，其特征在于，包括：多种健康监测传感器、工业机器人控制柜、下位机、以及上位机，
所述多种健康监测传感器，分别安装在工业机器人上，用于采集健康监测传感器数据，并将采集到的健康监测传感器数据通过采集板卡发送给下位机；
所述工业机器人控制柜，一边与工业机器人连接，另一边通过通讯卡与下位机连接，用于采集机器人的工业机器人控制柜信号，并发送给下位机；
所述下位机，用于存储健康监测传感器数据以及工业机器人控制柜信号，并对健康监测传感器数据进行筛选，将筛选后的健康监测传感器数据通过上位机显示。
9.根据权利要求8所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，其特征在于，所述下位机为数据采集控制器PXIe-8840。
10.根据权利要求8所述的一种用于工业机器人健康监测的数据采集与筛选系统，其特征在于，所述通讯卡为KUNBUS通讯卡。
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