一种机器人装配工作台的数字孪生应用系统

技术领域

本发明涉及汽数字孪生领域，具体是一种机器人装配工作台的数字孪生应用系统。

背景技术

现有可视化远程监控方案的数据传输量较大，以及因此带来的数据传输稳定性问题，在以装配作业为代表的生产过程中会产生大量数据，现有生产环境下难以对这些拥有潜在价值的数据进行收集、利用，现有的对生产机器的远程控制技术效果不直观、缺少控制结果的反馈或反馈效果差。

对于现有的自动化装配技术，针对装配过程的实时监控一般通过摄像头等光学设备进行实时画面监控，而针对装配作业的远程控制功能一般是通过启用预先设计好的程序代码实现，对于现有的自动化装配技术，其实时监控方案需要传输的数据量与呈现效果成正比，实时性和监控质量难以两全。同时，对于上述的实时监控方案，其监控数据难以被利用。自动装配过程中的远程控制灵活性不足，无法处理一般性的突发任务。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种机器人装配工作台的数字孪生应用系统。

一种机器人装配工作台的数字孪生应用系统，包括：

场景模型，针对实际装配工作台的一比一还原建模，实现可视化呈现；

通信模块，基于PLC进行传感器信息收集与发送，通过Simens TCP/IP Ethernet协议进行设备之间的第一步通信；

控制模块，对比、分析控制指令从而调动相应的通信模块功能进行对用户指定的数据进行定量修改，从而达到精确的远程控制功能；

数据模块，在控制模块进行数据解析之后即可调用交互方法实现孪生数据的整合、存储。

所述的场景模型包括完全按照实体工作台进行布置的静态模型、能够进行层级关系处理、硬件约束设置和物理属性配置的动态模型。

所述的通信模块包括收集传感器信号并进行汇总的设备互通模块、通过客户端设备的输入输出设备与OPC UA服务器通过OPC UA协议进行数据交互的人机通信模块。

所述的控制模块包括用于将通信模块获取的孪生原始数据进行解析的数据解析模块、获取数据实现孪生功能的驱动模块、用户在界面触发相应的远程控制指令的人机交互模块。

所述的人机交互模块包括通过孪生平台实时监控装配工作台的运行状态的运行监控模块、基于数据解析模块和驱动模块的处理结果进行进一步的加工、分析的异常处理模块。

所述的驱动模块在获取到孪生所需的数据之后，依据这些数据驱动孪生平台各个部件进行运动，实现孪生的基础功能。

所述的运行监控模块把握装配过程中的重要细节。

所述的异常处理模块在符合预设的条件时触发异常处理方法。

所述的数据模块包括用于存储数据的数据库模块、将正确格式的数据写入数据库模块的数据库读写模块。

所述的数据模块基于SQL Server搭建数据库，内置与数据库模块的交互方法。

本发明的有益效果是：采用运行监控模块，依据数字孪生技术使用关键数据驱动数字模型进行实时监控，监控过程中只需要传输相应的关键数据即可实现完整的动作，极大降低了数据的传输量；传输的数据都是影响设备动作的关键性数据而不包含其它数据，通过通信模块对这些数据进行分析、存储以进行场景复现等功能，提高了数据利用率；对于现有方案远程控制的灵活性不足的特点，本发明通过数据模块对所有采集的数据进行更改从而控制设备运行，实现了定点、精确的控制。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的模块组成结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。

如图1所示，一种机器人装配工作台的数字孪生应用系统，包括：

场景模型，针对实际装配工作台的一比一还原建模，实现可视化呈现；

通信模块，基于PLC进行传感器信息收集与发送，通过Simens TCP/IP Ethernet协议进行设备之间的第一步通信；

控制模块，对比、分析控制指令从而调动相应的通信模块功能进行对用户指定的数据进行定量修改，从而达到精确的远程控制功能；

数据模块，在控制模块进行数据解析之后即可调用交互方法实现孪生数据的整合、存储。

所述的场景模型包括完全按照实体工作台进行布置的静态模型、能够进行层级关系处理、硬件约束设置和物理属性配置的动态模型。

所述的通信模块包括收集传感器信号并进行汇总的设备互通模块、通过客户端设备的输入输出设备与OPC UA服务器通过OPC UA协议进行数据交互的人机交互模块。

具体的，传输的数据都是影响设备动作的关键性数据而不包含其它数据，通过通信模块对这些数据进行分析、存储以进行场景复现等功能，提高了数据利用率。

具体的，通信模块包含的设备互通模块和人机通信模块，使用一个交换机进行设备间的数据交互，其通信协议为Simens TCP/IP Ethernet协议，同时设有一个OPC UA服务器获取这些数据以供人机交互模块访问。

具体的，所述的通信模块使用PLC内置支持的通信协议，简化了数据收集过程中的中间环节即提高了数据采集效率，在服务器设备端接收到PLC发送的数据后，使用OPC UA协议将数据发送到搭载数字孪生平台的设备或其他可以进行数据处理的设备，由于OPC UA协议能够跨平台传输数据，大大扩展了孪生平台的应用场景。

具体的，通信模块的架构决定了在OPC UA服务器中保存了人机交互所需的所有数据，因此数据模块也依赖于通信模块中的服务器进行数据存取操作。

具体的，人机通信模块中，实际上当客户端设备从OPC UA服务器处获取到相关数据之后并不会也不能直接将数据发送给输出设备，输出设备无法识别这些信号，当OPC UA客户端获取到数据后，首先由数据读写模块与缓存区的数据进行比对，完成比对后判断是否需要写入数据库，只有当判断数据需要写入数据库即需要进行存储时，才会将数据覆盖缓冲区，实现一轮数据更新。

上述的双层嵌套通信方案虽然一定程度上提高了系统复杂度，但也大大提高了本发明的跨平台部署能力。

所述的控制模块包括用于将通信模块获取的孪生原始数据进行解析的数据解析模块、获取数据实现孪生功能的驱动模块、用户在界面触发相应的远程控制指令的人机交互模块。

具体的，所述的数据解析模块的主要目的就是将通信模块获取的孪生原始数据进行解析，并将解析后的数据于孪生驱动所需的数据进行比对、查验，在确保数据无误且可用之后调用数据处理方法并激活驱动模块进行孪生驱动。

所述的人机交互模块包括通过孪生平台实时监控装配工作台的运行状态的运行监控模块、基于数据解析模块和驱动模块的处理结果进行进一步的加工、分析的异常处理模块。

具体的，采用运行监控模块，依据数字孪生技术使用关键数据驱动数字模型进行实时监控，监控过程中只需要传输相应的关键数据即可实现完整的动作，极大降低了数据的传输量。

所述的驱动模块在获取到孪生所需的数据之后，依据这些数据驱动孪生平台各个部件进行运动，实现孪生的基础功能。

具体的，在孪生的基础功能之上，所述的运行监控模块把握装配过程中的重要细节。

所述的异常处理模块在符合预设的条件时触发异常处理方法。

具体的，基于数据解析模块和驱动模块的处理结果，异常处理模块将进行进一步的加工、分析，在符合预设的条件时触发异常处理方法。

具体的，孪生平台的远程控制功能也依赖于控制模块，当用户在人机交互界面触发了相应的远程控制指令是，控制模块会对比、分析控制指令从而调动相应的通信模块功能进行对用户指定的数据进行定量修改，从而达到精确的远程控制功能。

所述的数据模块包括用于存储数据的数据库模块、将正确格式的数据写入数据库模块的数据库读写模块。

具体的，对于现有方案远程控制的灵活性不足的特点，本发明通过数据模块对所有采集的数据进行更改从而控制设备运行，实现了定点、精确的控制。

所述的数据模块基于SQL Server搭建数据库，内置与数据库模块的交互方法。

使用方法：

首先由数据读写模块与缓存区的数据进行比对，完成比对后判断是否需要写入数据库，只有当判断数据需要写入数据库即需要进行存储时，才会将数据覆盖缓冲区，实现一轮数据更新；

此时，控制模块会不断的尝试读取缓存区数据，当缓存区数据进行了更新之后控制模块将获取这些数据并运行数据解析模块，通过数据解析模块的功能将获取到的数据解析成对应的格式并添加时间戳记号；

此时数据将有两个流向，首先将生成数据备份反馈给读写模块，由读写模块将正确格式的数据写入数据库，同时数据也会被存储在一个另特定的缓存区中，这个缓存区工作原理与前文所述缓存区类似，区别在于缓存区数据由驱动模块不断的尝试读取，一旦缓存区数据进行了更新，驱动模块会使用这些数据驱动场景模型进行运动完成一轮输出。

以上步骤即实现了人机交互模块中的运行监控功能，除此之外，在场景模型中会建立一些约束条件，例如限位和限速。

具体的，当数据解析模块对数据进行解析时，同时也会计算数据的相关指标尤其是相对起始状态的位置与速度，一旦到达阈值将会触发报警，此时会调用预先设定好的急停或减速程序对设备进行控制。

此外，在未触发报警时用户可根据人机交互界面所展示的功能对设备进行控制，但这些功能中除了急停功能将在一段程序自动运行过程中不可用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。