本發(fā)明涉及工業(yè)自動(dòng)化與智能制造。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種適用于工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)、健康評(píng)估、動(dòng)態(tài)調(diào)控與預(yù)測(cè)性維護(hù)的一種基于mes系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人智能控制與運(yùn)維方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
1、工業(yè)機(jī)器人作為智能制造的核心裝備，廣泛應(yīng)用于焊接、裝配、搬運(yùn)、噴涂等工序。隨著生產(chǎn)線自動(dòng)化程度的提高，工業(yè)機(jī)器人的數(shù)量不斷增加，其運(yùn)行可靠性直接影響生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。然而，現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人維護(hù)主要依賴定期保養(yǎng)或故障后維修，存在以下問(wèn)題：
2、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與生產(chǎn)管理脫節(jié)：工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)（如機(jī)器人控制器）通常與上層mes系統(tǒng)（制造執(zhí)行系統(tǒng)）獨(dú)立運(yùn)行，機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)無(wú)法實(shí)時(shí)反饋至生產(chǎn)調(diào)度層，導(dǎo)致生產(chǎn)計(jì)劃無(wú)法根據(jù)設(shè)備健康狀態(tài)動(dòng)態(tài)調(diào)整。
3、缺乏預(yù)測(cè)性維護(hù)能力：機(jī)器人關(guān)鍵部件（如減速機(jī)、伺服電機(jī)、控制器）的退化過(guò)程難以在線感知，往往出現(xiàn)突發(fā)故障導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)。傳統(tǒng)維護(hù)方式無(wú)法基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)剩余壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)。
4、調(diào)控響應(yīng)滯后：當(dāng)機(jī)器人出現(xiàn)異常（如關(guān)節(jié)過(guò)熱、振動(dòng)加劇）時(shí)，無(wú)法自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)參數(shù)（速度、加速度、軌跡）以減緩故障發(fā)展，缺乏閉環(huán)智能控制手段。
5、數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象：機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)、報(bào)警記錄與mes、erp系統(tǒng)未實(shí)現(xiàn)有效集成，無(wú)法為企業(yè)設(shè)備管理與生產(chǎn)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。
6、因此，如何將mes系統(tǒng)的生產(chǎn)管理能力與工業(yè)機(jī)器人的實(shí)時(shí)控制相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人狀態(tài)在線評(píng)估、智能調(diào)控與協(xié)同運(yùn)維，成為當(dāng)前工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域亟待解決的技術(shù)問(wèn)題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明的一個(gè)目的是解決至少上述問(wèn)題和/或缺陷，并提供至少后面將說(shuō)明的優(yōu)點(diǎn)。
2、為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的這些目的和其它優(yōu)點(diǎn)，提供了一種基于mes系統(tǒng)的工業(yè)機(jī)器人智能控制與運(yùn)維方法，包括：
3、s1、機(jī)器人智能檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集工業(yè)機(jī)器人的運(yùn)行數(shù)據(jù)，經(jīng)濾波后上傳至mes系統(tǒng)主體；
4、s2、mes系統(tǒng)主體的機(jī)器人健康分析單元對(duì)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取、健康指數(shù)計(jì)算、故障模式匹配和健康等級(jí)劃分，生成健康評(píng)估報(bào)告；
5、s3、若健康等級(jí)為正常或輕度異常，則動(dòng)態(tài)調(diào)控單元根據(jù)健康評(píng)估報(bào)告和當(dāng)前生產(chǎn)計(jì)劃，匹配調(diào)控規(guī)則，計(jì)算目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，生成調(diào)控指令，進(jìn)入s4，否則進(jìn)入s5；
6、s4、機(jī)器人plc控制模塊接收調(diào)控指令，通過(guò)機(jī)器人控制器修改機(jī)器人的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)后，進(jìn)入s6；
7、s5、若健康等級(jí)為中度異常或嚴(yán)重異常，預(yù)警模塊觸發(fā)預(yù)警并推送信息，并進(jìn)行s6；
8、s6、數(shù)據(jù)交互模塊將機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)、調(diào)控記錄、預(yù)警日志同步至企業(yè)erp系統(tǒng)；
9、其中，所述健康指數(shù)包括：進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)決策的機(jī)器人整體健康指數(shù) hi robot，定位故障關(guān)節(jié)的各關(guān)節(jié)健康指數(shù) hi joint；
10、所述整體健康指數(shù) hi robot通過(guò)下式進(jìn)行表征：
11、
12、上式中，n為關(guān)節(jié)總數(shù)，為第 j個(gè)關(guān)節(jié)的健康指數(shù)， β j為第 j個(gè)關(guān)節(jié)的權(quán)重，且；
13、所述各關(guān)節(jié)健康指數(shù) hi joint通過(guò)下式進(jìn)行表征：
14、
15、上式中， w1、 w2、 w3、 w4分別為各分項(xiàng)評(píng)分函數(shù)的權(quán)重， f vib為振動(dòng)評(píng)分， f t為溫度評(píng)分， f i為電流評(píng)分， f p為油壓評(píng)分。
16、優(yōu)選的是，在s2中，所述特征提取的內(nèi)容包括：合成振動(dòng) rms xyz、振動(dòng)峰值 peak、振動(dòng)峭度 kurt、關(guān)節(jié)溫度 t j、溫度變化率 dt j/ dt、電機(jī)電流 i rms、電流畸變率 thd、油壓 p、油壓波動(dòng) p std。
17、優(yōu)選的是，振動(dòng)評(píng)分 f vib通過(guò)下式進(jìn)行表征：
18、
19、上式中，min為求極小值函數(shù)， v limit為預(yù)設(shè)的振動(dòng)有效值安全閾值， α為峰值影響因子，0≤ α≤1；
20、溫度評(píng)分 f t通過(guò)下式進(jìn)行表征：
21、
22、電流評(píng)分 f i通過(guò)下式進(jìn)行表征：
23、
24、上式中， i rated為機(jī)器人驅(qū)動(dòng)電機(jī)的額定電流有效值， thd limit為預(yù)設(shè)的電流總諧波畸變率閾值；
25、油壓評(píng)分 f p通過(guò)下式進(jìn)行表征：
26、
27、上式中， p normal為工業(yè)機(jī)器人潤(rùn)滑系統(tǒng)的額定油壓， p std_limit為預(yù)設(shè)的油壓標(biāo)準(zhǔn)差安全閾值。
28、優(yōu)選的是，在s2中，所述故障模式匹配通過(guò)下式的余弦相似度匹配來(lái)實(shí)現(xiàn)：
29、
30、上式中， sim k為當(dāng)前故障特征向量與第k個(gè)故障模式特征向量的余弦相似度， f now為當(dāng)前采集并處理得到的故障特征向量， f k為故障模式庫(kù)中第k個(gè)標(biāo)準(zhǔn)故障模式的特征向量，||·||為向量的歐幾里得范數(shù)；
31、當(dāng) sim k> θ時(shí)，判定當(dāng)前關(guān)節(jié)匹配第 k種故障模式，其中， θ為預(yù)設(shè)的匹配閾值。
32、優(yōu)選的是，在s3中，所述動(dòng)態(tài)調(diào)控單元中規(guī)則庫(kù)的內(nèi)容包括：規(guī)則id、條件、動(dòng)作，優(yōu)先級(jí)，其調(diào)控規(guī)則為：
33、規(guī)則id中r01的條件為：當(dāng)所有關(guān)節(jié)健康等級(jí)均為正常，且任務(wù)優(yōu)先級(jí)為高；對(duì)應(yīng)動(dòng)作匹配為：各關(guān)節(jié)保持原運(yùn)動(dòng)速度；對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定為：3；
34、規(guī)則id中r02的條件為：當(dāng)任意關(guān)節(jié)健康等級(jí)為輕度異常，且對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)溫度大于60℃；對(duì)應(yīng)動(dòng)作匹配為：將對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)的速度調(diào)節(jié)為原速度的80%，加速度為原加速度的70%；對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定為：2；
35、規(guī)則id中r03的條件為：當(dāng)任意關(guān)節(jié)健康等級(jí)為中度異常；對(duì)應(yīng)動(dòng)作匹配為：若存在備用機(jī)器人則切換任務(wù)至備用機(jī)器人，否則降速至50%；對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定為：1；
36、規(guī)則id中r04的條件為：當(dāng)任意關(guān)節(jié)健康等級(jí)為嚴(yán)重異常；對(duì)應(yīng)動(dòng)作匹配為：則立即緊急停機(jī)，鎖定機(jī)器人；對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定為：0；
37、規(guī)則id中r05的條件為：當(dāng)檢測(cè)到碰撞特征；對(duì)應(yīng)動(dòng)作匹配為：立即停止并回退10mm；對(duì)應(yīng)優(yōu)先級(jí)設(shè)定為：0；
38、其中，在對(duì)調(diào)控規(guī)則進(jìn)行匹配時(shí)，基于當(dāng)前各關(guān)節(jié)健康等級(jí)、全局生產(chǎn)計(jì)劃優(yōu)先級(jí)，來(lái)篩選滿足條件的規(guī)則，并按優(yōu)先級(jí)最高的執(zhí)行；
39、若多條規(guī)則優(yōu)先級(jí)相同，則選擇對(duì)設(shè)備影響最小的動(dòng)作。
40、一種工業(yè)機(jī)器人智能控制與運(yùn)維系統(tǒng)，包括：
41、用于生產(chǎn)計(jì)劃管理與設(shè)備協(xié)同調(diào)度的mes系統(tǒng)主體；
42、用于采集機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)的機(jī)器人智能檢測(cè)模塊，所述機(jī)器人智能檢測(cè)模塊安裝于工業(yè)機(jī)器人本體及控制器上，所述機(jī)器人智能檢測(cè)模塊包括：用于采集關(guān)節(jié)振動(dòng)的傳感器ⅰ、用于采集電機(jī)電流的傳感器ⅱ、用于采用關(guān)節(jié)溫度、控制器溫度的傳感器ⅲ、用于采集減速機(jī)潤(rùn)滑油壓的傳感器ⅵ；
43、與機(jī)器人控制器通信連接，用于接收調(diào)控指令并修改機(jī)器人運(yùn)動(dòng)參數(shù)的機(jī)器人plc控制模塊；
44、用于響應(yīng)調(diào)控指令的執(zhí)行模塊，包括：機(jī)器人伺服驅(qū)動(dòng)器、制動(dòng)器及潤(rùn)滑電磁閥；
45、用于根據(jù)健康等級(jí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)的預(yù)警模塊；
46、用于在各模塊間進(jìn)行數(shù)據(jù)加密傳輸，并與企業(yè)erp系統(tǒng)同步的數(shù)據(jù)交互模塊，支持工業(yè)以太網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)；
47、其中，所述mes系統(tǒng)主體通過(guò)數(shù)據(jù)交互模塊分別與機(jī)器人智能檢測(cè)模塊、機(jī)器人plc控制模塊、預(yù)警模塊雙向通信連接；
48、所述機(jī)器人plc控制模塊與執(zhí)行模塊單向電連接；
49、所述機(jī)器人智能檢測(cè)模塊與工業(yè)機(jī)器人雙向信號(hào)連接，以實(shí)時(shí)采集機(jī)器人運(yùn)行數(shù)據(jù)并反饋至mes系統(tǒng)主體。
50、優(yōu)選的是，所述mes系統(tǒng)主體內(nèi)置機(jī)器人健康分析單元和動(dòng)態(tài)調(diào)控單元；
51、其中，機(jī)器人健康分析單元包括：
52、用于對(duì)原始傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波和歸一化的數(shù)據(jù)預(yù)處理子單元；
53、用于提取反映機(jī)器人健康狀態(tài)特征量的特征提取子單元；
54、對(duì)機(jī)器人整體及各關(guān)節(jié)健康指數(shù)進(jìn)行計(jì)算的健康指數(shù)計(jì)算子單元；
55、識(shí)別潛在故障類型的故障模式匹配子單元；
56、根據(jù)健康指數(shù)劃分機(jī)器人健康等級(jí)的健康等級(jí)劃分子單元。
57、優(yōu)選的是，所述動(dòng)態(tài)調(diào)控單元包括：
58、存儲(chǔ)多條針對(duì)工業(yè)機(jī)器人調(diào)控規(guī)則的規(guī)則庫(kù)；
59、據(jù)機(jī)器人健康等級(jí)、生產(chǎn)任務(wù)優(yōu)先級(jí)及當(dāng)前工作狀態(tài)來(lái)匹配調(diào)控規(guī)則的規(guī)則匹配子單元；
60、根據(jù)匹配規(guī)則計(jì)算機(jī)器人目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的目標(biāo)參數(shù)計(jì)算子單元；
61、將目標(biāo)運(yùn)動(dòng)參數(shù)封裝為調(diào)控指令，通過(guò)數(shù)據(jù)交互模塊發(fā)送至機(jī)器人plc控制模塊的指令生成子單元。
62、本發(fā)明至少包括以下有益效果：
63、其一，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了mes系統(tǒng)與工業(yè)機(jī)器人的深度融合，構(gòu)建了從數(shù)據(jù)采集、健康評(píng)估、智能調(diào)控到運(yùn)維預(yù)警的完整閉環(huán)，提升了機(jī)器人運(yùn)行的可靠性和生產(chǎn)協(xié)同性。
64、其二，本發(fā)明通過(guò)對(duì)機(jī)器人關(guān)鍵部件（關(guān)節(jié)、電機(jī)、減速機(jī)）的在線健康評(píng)估，能夠提前發(fā)現(xiàn)潛在故障，實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)性維護(hù)，減少非計(jì)劃停機(jī)時(shí)間。
65、其三，本發(fā)明的動(dòng)態(tài)調(diào)控單元可根據(jù)機(jī)器人健康狀態(tài)自動(dòng)調(diào)整運(yùn)動(dòng)參數(shù)，延緩故障惡化，保障生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，同時(shí)避免因突發(fā)故障導(dǎo)致的安全事故。
66、其四，本發(fā)明通過(guò)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)，兼容主流工業(yè)機(jī)器人品牌（如發(fā)那科、庫(kù)卡、abb、安川等），便于在現(xiàn)有自動(dòng)化產(chǎn)線中部署和集成。
67、其五，本發(fā)明通過(guò)數(shù)據(jù)交互模塊實(shí)現(xiàn)與erp系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步，為設(shè)備全生命周期管理和生產(chǎn)優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。
68、本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)、目標(biāo)和特征將部分通過(guò)下面的說(shuō)明體現(xiàn)，部分還將通過(guò)對(duì)本發(fā)明的研究和實(shí)踐而為本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解。