一种喷涂车间运行状态可视化系统的构建方法
阅读说明：本技术 一种喷涂车间运行状态可视化系统的构建方法 (Construction method of spray painting workshop operation state visualization system ) 是由 谢敏 余志强 王攀 李仁宏 杨晶 刘磊 李星彤 于 2021-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种喷涂车间运行状态可视化系统的构建方法,通过采集喷涂车间运行状态数据,构建喷涂车间数字化模型,并基于采集到的实时数据进行数据可视化以及车间数字化模型的同步更新,实现喷涂车间的虚-实同步,从而支持管理人员在全面、直观掌握喷涂车间运行状态的情况下进行决策和优化。解决了当前喷涂车间运行状态可视化面临的数据采集不充分、数据展示形式单调、虚-实同步性差的问题。(The invention provides a construction method of a spray painting workshop operation state visualization system, which is characterized in that a spray painting workshop digital model is constructed by collecting spray painting workshop operation state data, and data visualization and synchronous update of the workshop digital model are carried out based on the collected real-time data, so that virtual-real synchronization of the spray painting workshop is realized, and therefore, management personnel are supported to make decisions and optimize under the condition of comprehensively and intuitively mastering the spray painting workshop operation state. The problems of insufficient data acquisition, monotonous data display form and poor virtual-real synchronism faced by the visualization of the running state of the current spraying workshop are solved.)
技术领域
本发明属于智能装备制造的喷涂车间技术领域，具体地说，涉及一种喷涂车间运行状态可视化系统的构建方法。
背景技术
喷涂是一种典型的表面处理工艺，在汽车、飞机、船舶等产品的制造、维护中大量使用。喷涂车间是企业面向喷涂生产而构建的制造单元，其管控水平对减少研发成本、提高喷涂生产质量具有重要的意义。
喷涂车间运行状态可视化是提升喷涂车间管控水平的重要方面，它能够对于喷涂车间内的设备状态、工艺状态、物流过程等进行展示，使管理者全面掌握喷涂车间的实际情况，从而支持管理者的决策。然而，当前关于喷涂车间运行状态可视化的研究和应用仍面临一些问题，其主要表现在：①随着喷涂机器人等设备的应用，喷涂车间的自动化水平日益提高，但设备状态数据未进行有效采集以及可视化；②二维形式数据可视化较为常见，在数据多样化展示方面有待提高；③数据的实时性，尤其是物理车间与虚拟车间之间的虚-实同步方面有待提升。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足和需求，提出了一种喷涂车间运行状态可视化系统的构建方法，通过采集喷涂车间运行状态数据，构建喷涂车间数字化模型，并基于采集到的实时数据进行数据可视化以及车间数字化模型的同步更新，实现喷涂车间的虚-实同步，从而支持管理人员在全面、直观掌握喷涂车间运行状态的情况下进行决策和优化。解决了当前喷涂车间运行状态可视化面临的数据采集不充分、数据展示形式单调、虚-实同步性差的问题。
本发明具体实现内容如下：
本发明提出了一种喷涂车间运行状态可视化系统的构建方法，包括以下步骤：
步骤1：开发数据采集服务，采集喷涂车间运行状态数据，所述喷涂车间运行状态数据包括喷涂机器人状态数据、喷枪数据、喷涂工艺数据、涂料余量数据、烘箱数据、AGV小车数据、涂料供应装置数据、工件数据和人员数据；
步骤2：构建数据层，将采集到的喷涂车间运行状态数据发送到数据层中，并将接收到的喷涂车间运行状态数据存储到数据层中；
步骤3：构建逻辑层，在逻辑层中构建数据交互服务模块接收数据层发送的数据，并在逻辑层中构建与数据交互服务模块连接的喷涂车间数字化模型生成模块；通过数据交互服务模块接收采集到的喷涂车间运行状态数据，并从中选取出物理喷涂车间生产要素发送到喷涂车间数字化模型生成模块，通过物理喷涂车间生产要素，构建喷涂车间数字化模型；所述物理喷涂车间生产要素包括喷涂机器人状态数据、喷枪数据、涂料供应装置数据、烘箱数据和人员数据；
步骤4：在逻辑层中设置与数据交互服务模块连接的数据分析服务模块，对喷涂车间运行状态数据进行分析；
步骤5：构建功能层，在功能层中构建数据显示模块和场景显示模块；所述数据显示模块中设置分别与所述数据交互服务模块连接的预警设置单元、性能指标数据显示单元、机器人状态数据显示单元、涂料余量显示单元、喷涂工艺数据显示单元、烘箱数据显示单元；所述场景显示模块包括与喷涂车间数字化模型生成模块连接的三维场景浏览单元和三维场景同步更新单元。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2中，所述数据层中设置有数据采集服务模块、内存数据库和关系数据库，所述数据采集服务模块接收采集到的喷涂车间运行状态数据，并发送到内存数据库中进行存储，然后由内存数据库发送到数据交互服务模块中；所述关系数据库与数据交互服务模块连接。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1中：
所述工件数据包括时间戳、批次号、工件类型、位置坐标和当前工艺进程；
所述喷涂机器人状态数据包括时间戳、机器人设备编号、机器人关节角度、累积运行时间、故障信息以及报警信息；
所述喷涂工艺数据包括时间戳、喷枪编号、当前程序号、当前刷子号、流量值、雾化值、扇形值、供料组号、静电开关状态、静电电压值、喷涂累积流量、换色阀状态；
所述涂料余量数据包括时间戳、供料租号、剩余涂料体积以及最大涂料容量；
所述人员数据包括时间戳、人员编号、位置坐标以及当前作业信息。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3中，构建喷涂车间数字化模型的具体操作为：
首先，构建喷涂车间生产要素的几何模型；
其次，对构建的几何模型进行轻量化处理，添加材质和贴图，实现物理模型的构建；
接着，基于处理得到的物理模型，构建行为模型，使物理模型具备行为特征，具体包括：机器人关节的运动、工件平移、喷枪开/关、涂料供应装置开/关、烘箱开/关以及人员平移；
最后，集成几何模型、物理模型和行为模型，形成喷涂车间数字化模型。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3中构建的数据交互服务模块的操作具体如下：
首先，基于喷涂车间运行状态数据，计算喷涂车间性能指标；所述喷涂车间性能指标包括当日产出、累计产出、预估产量以及设备平均利用率
然后，基于用户自定义的参数预警区间，对异常的喷涂车间运行状态数据进行识别；所述参数预警区间包括流量值预警区间、雾化值预警区间、扇形值预警区间、静电电压值预警区间、烘箱温度值预警区间、剩余涂料体积预警区间、预估产量预警区间以及设备平均利用率预警区间。
为了更好地实现本发明，进一步地，使用预警设置单元进行人机交互，来进行参数预警区间的用户自定义；
所述机器人状态数据显示单元采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，进行机器人状态数据的显示；
所述喷涂工艺数据显示单元采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，进行喷涂工艺数据的显示；
所述性能指标数据显示单元采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，进行性能指标数据的显示；
所述涂料余量显示单元采用仪表盘的方式，进行涂料余量的显示；
所述烘箱数据显示单元采用数字方式，进行烘箱温度的显示。
为了更好地实现本发明，进一步地，采用所述三维场景浏览单元进行喷涂车间三维场景的旋转、平移、视角切换以及场景漫游。
为了更好地实现本发明，进一步地，采用三维场景同步更新单元将采集到的喷涂车间运行状态数据，驱动喷涂车间数字化模型进行同步更新，从而进行虚拟喷涂车间与物理喷涂车间的同步更新。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据交互服务模块提供的数据交互服务包括：
（1）数据交互服务模块从内存数据库中读取喷涂车间运行状态数据；
（2）数据交互服务模块向数据分析服务模块推送喷涂车间运行状态数据，数据分析服务模块向数据交互服务模块反馈喷涂车间产量数据以及存在异常的喷涂车间运行状态数据；
（3）数据交互服务模块向喷涂车间数字化模型生成模块推送喷涂车间运行状态数据，生成喷涂车间数字化模型向数据交互服务模块反馈三维场景同步更新完成的消息数据；
（4）数据交互服务模块向数据显示模块推送运行状态数据以及产量数据，数据显示模块向数据交互服务发送请求以及数据更新完成消息；
（5）数据交互服务模块在关系数据库中，对历史运行状态数据、性能数据进行新增、读取以及删除操作。
本发明与现有技术相比，具体以下优点及有益效果：
本发明通过采集喷涂车间运行状态数据，构建喷涂车间数字化模型，建立基于实时数据的喷涂车间三维场景驱动以及可视化，为喷涂车间数据采集不充分、数据展示形式单调、虚-实同步性差等问题的解决提供了技术方案。本发明的有益效果包括：
①构建了面向喷涂车间的数据采集服务，实现喷涂机器人状态、喷涂工艺状态、烘箱温度等数据的采集；
②采用动态的三维可视化手段并结合图表、曲线等方式，使得喷涂车间运行状态可视化更直观、更具展示度；
③基于采集到的实施数据，实现喷涂车间三维场景的实时驱动。通过本发明的实施，管理者能够全面掌握喷涂车间的运行状态，对于管理者的决策和喷涂车间作业过程优化具有很大帮助，有利于提升喷涂车间管理水平。
附图说明
图1为本发明系统架构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；也可以是直接相连，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1：
本实施例提出了一种喷涂车间运行状态可视化系统的构建方法，如图1所示，包括以下步骤：
步骤1：开发数据采集服务，采集喷涂车间运行状态数据，所述喷涂车间运行状态数据包括喷涂机器人状态数据、喷枪数据、喷涂工艺数据、涂料余量数据、烘箱数据、AGV小车数据、涂料供应装置数据、工件数据和人员数据；
步骤2：构建数据层，将采集到的喷涂车间运行状态数据发送到数据层中，并将接收到的喷涂车间运行状态数据存储到数据层中；
步骤3：构建逻辑层，在逻辑层中构建数据交互服务模块接收数据层发送的数据，并在逻辑层中构建与数据交互服务模块连接的喷涂车间数字化模型生成模块；通过数据交互服务模块接收采集到的喷涂车间运行状态数据，并从中选取出物理喷涂车间生产要素发送到喷涂车间数字化模型生成模块，通过物理喷涂车间生产要素，构建喷涂车间数字化模型；所述物理喷涂车间生产要素包括喷涂机器人状态数据、喷枪数据、涂料供应装置数据、烘箱数据和人员数据；
步骤4：在逻辑层中设置与数据交互服务模块连接的数据分析服务模块，对喷涂车间运行状态数据进行分析；
步骤5：构建功能层，在功能层中构建数据显示模块和场景显示模块；所述数据显示模块中设置分别与所述数据交互服务模块连接的预警设置单元、性能指标数据显示单元、机器人状态数据显示单元、涂料余量显示单元、喷涂工艺数据显示单元、烘箱数据显示单元；所述场景显示模块包括与喷涂车间数字化模型生成模块连接的三维场景浏览单元和三维场景同步更新单元。
实施例2：
本实施例在上述实施例1的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤2中，所述数据层中设置有数据采集服务模块、内存数据库和关系数据库，所述数据采集服务模块接收采集到的喷涂车间运行状态数据，并发送到内存数据库中进行存储，然后由内存数据库发送到数据交互服务模块中；所述关系数据库与数据交互服务模块连接。
本实施例的其他部分与上述实施例1相同，故不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例1-2任一项的基础上，为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤1中：
所述工件数据包括时间戳、批次号、工件类型、位置坐标和当前工艺进程；
所述喷涂机器人状态数据包括时间戳、机器人设备编号、机器人关节角度、累积运行时间、故障信息以及报警信息；
所述喷涂工艺数据包括时间戳、喷枪编号、当前程序号、当前刷子号、流量值、雾化值、扇形值、供料组号、静电开关状态、静电电压值、喷涂累积流量、换色阀状态；
所述涂料余量数据包括时间戳、供料租号、剩余涂料体积以及最大涂料容量；
所述人员数据包括时间戳、人员编号、位置坐标以及当前作业信息。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3中，构建喷涂车间数字化模型的具体操作为：
首先，构建喷涂车间生产要素的几何模型；
其次，对构建的几何模型进行轻量化处理，添加材质和贴图，实现物理模型的构建；
接着，基于处理得到的物理模型，构建行为模型，使物理模型具备行为特征，具体包括：机器人关节的运动、工件平移、喷枪开/关、涂料供应装置开/关、烘箱开/关以及人员平移；
最后，集成几何模型、物理模型和行为模型，形成喷涂车间数字化模型。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤3中构建的数据交互服务模块的操作具体如下：
首先，基于喷涂车间运行状态数据，计算喷涂车间性能指标；所述喷涂车间性能指标包括当日产出、累计产出、预估产量以及设备平均利用率
然后，基于用户自定义的参数预警区间，对异常的喷涂车间运行状态数据进行识别；所述参数预警区间包括流量值预警区间、雾化值预警区间、扇形值预警区间、静电电压值预警区间、烘箱温度值预警区间、剩余涂料体积预警区间、预估产量预警区间以及设备平均利用率预警区间。
为了更好地实现本发明，进一步地，使用预警设置单元进行人机交互，来进行参数预警区间的用户自定义；
所述机器人状态数据显示单元采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，进行机器人状态数据的显示；
所述喷涂工艺数据显示单元采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，进行喷涂工艺数据的显示；
所述性能指标数据显示单元采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，进行性能指标数据的显示；
所述涂料余量显示单元采用仪表盘的方式，进行涂料余量的显示；
所述烘箱数据显示单元采用数字方式，进行烘箱温度的显示。
为了更好地实现本发明，进一步地，采用所述三维场景浏览单元进行喷涂车间三维场景的旋转、平移、视角切换以及场景漫游。
为了更好地实现本发明，进一步地，采用三维场景同步更新单元将采集到的喷涂车间运行状态数据，驱动喷涂车间数字化模型进行同步更新，从而进行虚拟喷涂车间与物理喷涂车间的同步更新。
为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据交互服务模块提供的数据交互服务包括：
（1）数据交互服务模块从内存数据库中读取喷涂车间运行状态数据；
（2）数据交互服务模块向数据分析服务模块推送喷涂车间运行状态数据，数据分析服务模块向数据交互服务模块反馈喷涂车间产量数据以及存在异常的喷涂车间运行状态数据；
（3）数据交互服务模块向喷涂车间数字化模型生成模块推送喷涂车间运行状态数据，生成喷涂车间数字化模型向数据交互服务模块反馈三维场景同步更新完成的消息数据；
（4）数据交互服务模块向数据显示模块推送运行状态数据以及产量数据，数据显示模块向数据交互服务发送请求以及数据更新完成消息；
（5）数据交互服务模块在关系数据库中，对历史运行状态数据、性能数据进行新增、读取以及删除操作。
本实施例的其他部分与上述实施例1-2任一项相同，故不再赘述。
实施例4：
本实施例在此给出了一个本发明的具体的完整实施案例，具体如下：
参见图1,一种喷涂车间运行状态可视化系统包含物理层、数据层、逻辑层和功能层。物理层包括喷涂机器人、喷枪、烘箱、AGV小车以及工件。数据层包括数据采集服务、内存数据库以及关系数据库。逻辑层包括数据分析服务、数据交互服务以及喷涂车间数字化模型。功能层包括预警设置、机器人状态数据显示、喷涂工艺数据显示、性能指标数据显示、涂料余量显示、烘箱数据显示以及三维场景同步更新、三维场景浏览。
根据上述四个层次，本发明的技术方案包括以下步骤：
1）开发数据采集服务，采集喷涂车间运行状态数据，对采集的数据进行处理后存入数据库。
2）根据物理喷涂车间生产要素，建立喷涂车间数字化模型。
3）开发数据分析服务，实现对喷涂车间运行状态数据的分析。
4）开发喷涂车间运行状态可视化客户端，使喷涂车间数字化模型、运行状态数据直观显示。
5）开发数据交互服务，使数据分析服务、喷涂车间数字化模型、数据库、喷涂车间运行状态可视化客户端之间能够进行数据交互。
优选地，步骤1）中，喷涂车间运行状态数据包括工件数据、机器人状态数据、喷涂工艺数据、涂料余量数据、烘箱温度数据以及人员数据。
所述的工件数据包括时间戳、批次号、工件类型、位置坐标和当前工艺进程。
所述的机器人状态数据包括时间戳、机器人设备编号、机器人关节角度、累积运行时间、故障信息以及报警信息。
所述的喷涂工艺数据包括时间戳、喷枪编号、当前程序号、当前刷子号、流量值、雾化值、扇形值、供料组号、静电开关状态、静电电压值、喷涂累积流量、换色阀状态。
所述的涂料余量数据包括时间戳、供料租号、剩余涂料体积以及最大涂料容量。
所述的人员数据包括时间戳、人员编号、位置坐标以及当前作业信息。
优选地，步骤1）中，数据库采用内存数据库与关系数据库相结合，其中内存数据库采用Redis，关系数据库采用MySQL。
进一步优选地，步骤1）中，喷涂车间运行状态数据存储到内存数据库。
优选地，步骤2）中，物理喷涂车间生产要素包括机器人、喷枪、涂料供应装置、烘箱以及人员。
优选地，步骤2）中，建立喷涂车间数字化模型包括以下步骤：
（1）采用Rhino软件构建喷涂车间生产要素的几何模型。
（2）对步骤（1）获得的几何模型，采用3DMax软件进行轻量化处理，添加材质和贴图，实现物理模型的构建。
（3）基于步骤（2）处理得到的物理模型，采用Unity3D构建喷涂车间生产要素的行为模型，使物理模型具备行为特征，具体包括：机器人关节的运动、工件平移、喷枪开/关、涂料供应装置开/关、烘箱开/关以及人员平移。
（4）集成步骤（1）的几何模型、步骤（2）的物理模型、步骤（3）的行为模型，形成喷涂车间数字化模型。
优选地，步骤3）中，开发数据交互服务包括以下步骤：
（1）基于喷涂车间运行状态数据，计算喷涂车间性能指标。
（2）基于用户自定义的参数预警区间，对异常的喷涂车间运行状态数据进行识别。
所述的喷涂车间性能指标包括当日产出、累计产出、预估产量以及设备平均利用率。
所述的参数预警区间包括流量值预警区间、雾化值预警区间、扇形值预警区间、静电电压值预警区间、烘箱温度值预警区间、剩余涂料体积预警区间、预估产量预警区间以及设备平均利用率预警区间。
优选地，步骤4）中，喷涂车间运行状态可视化客户端包括预警设置功能、机器人状态数据显示功能、喷涂工艺数据显示功能、性能指标数据显示功能、涂料余量显示功能、烘箱温度数据显示功能、三维场景同步更新功能以及三维场景浏览功能。
所述的预警设置功能实现参数预警区间的用户自定义。
所述的机器人状态数据显示功能采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，实现机器人状态数据的显示。
所述的喷涂工艺数据显示功能采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，实现机器人状态数据的显示。
所述的性能指标数据显示功能采用数字、仪表盘、曲线相结合的方式，实现性能指标数据的显示。
所述的涂料余量显示功能采用仪表盘的方式，实现性涂料余量的显示。
所述的烘箱温度数据显示功能采用数字方式，实现烘箱温度的显示。
所述的三维场景同步更新功能是利用步骤1）采集到的喷涂车间运行状态数据，驱动喷涂车间数字化模型进行同步更新，使虚拟喷涂车间与物理喷涂车间同步。
所述的三维场景浏览功能实现喷涂车间三维场景的旋转、平移、视角切换以及场景漫游。
优选地，步骤5）中，数据交互服务包括以下操作：
（1）数据交互服务从内存数据库中读取喷涂车间运行状态数据。
（2）数据交互服务向数据分析服务推送喷涂车间运行状态数据，数据分析服务向数据交互服务反馈喷涂车间产量数据以及存在异常的喷涂车间运行状态数据。
（3）数据交互服务向喷涂车间数字化模型推送喷涂车间运行状态数据，喷涂车间数字化模型向数据交互服务反馈三维场景同步更新完成的消息数据。
（4）数据交互服务向喷涂车间运行状态可视化客户端推送运行状态数据以及产量数据，喷涂车间运行状态可视化客户端向数据交互服务发送请求以及数据更新完成消息。
（5）数据交互服务在关系数据库中，对历史运行状态数据、性能数据进行新增、读取以及删除。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。
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