CN101414179A - 人机交互的装配工艺规划系统 - Google Patents

Abstract

一种制造业领域的人机交互的装配工艺规划系统，本发明中，装配数据预处理模块对应每个零件的CAD几何模型建立相应的碰撞检测模型，指定装配约束元素，建立装配关系树；虚拟装配仿真模块提取虚拟装配所需的数据，建立虚拟装配仿真场景；装配辅助分析模块实现对装配过程的动态回放，静态显示零件的装配轨迹，计算模型间距离；装配工艺生成模块从虚拟装配数据库中获得装配过程数据，参照数据库中的标准装配工艺条目生成装配工艺，进行工位划分；装配工艺评价模块读取装配操作动作及操作对象数据，计算装配过程的效率，得到人机工程学分析数据；虚拟装配数据管理模块执行数据维护任务。本发明实现了虚拟环境下机械产品的动态装配及工艺规划功能。

Description

人机交互的装配工艺规划系统

技术领域

本发明涉及的是一种制造业技术领域的系统，具体是一种人机交互的装配工艺规划系统。

背景技术

产品的装配是产品的设计实现过程关键的一步。装配规划提供主要的设计反馈，有助于设计者从制造的角度改进设计。基于虚拟现实技术的产品装配能够减少劳动力，提高产品装配规划的质量和完整性。在虚拟环境中对产品进行装配操作，一方面增加了产品装配过程的真实性，提高了产品可装配验证的效率；另一方面为产品装配的工艺规划和装配线的设计以及装配工人的人机工程学评价提供了依据。虚拟装配工艺规划具有快捷、高效、成本低廉的特点，可以大大缩短产品开发周期，降低生产成本，提高产品在市场中的竞争力。

经对现有技术文献的检索发现，Christian Mascle等在《Proceedings of the1999 IEEE International Symposium on Assembly and Task Planning》(1999年IEEE国际研讨会论文集)(1999)8～13页上发表的“Feature-Based AssemblyModel and Multi-Agents System Structure for Computer-Aided Assembly”(基于特征的装配建模和计算机辅助装配的多代理系统结构)中提出了基于特征的模型，并开发了基于特征的产品装配规划系统SCAP，使用一组基于装配可行性、可操作性、装配重定向次数、成本和稳定性等的标准，来衡量获得的装配序列的好坏，对基于特征的产品模型在装配建模和规划上有很大的帮助，但研究注重于装配序列和路径的规划，没有涉及到完整复杂的装配工艺工序内容。

经检索还发现，刘检华等人在《系统仿真学报》(2005)2163～2166页上发表的“基于装配任务的虚拟装配工艺模型研究”中在对虚拟装配工艺规划过程中的工艺数据进行分析的基础上，提出了产品层次装配任务链模型，该模型能有效表达虚拟装配工艺规划过程中的工艺数据，同时给出了由产品层次装配任务链模型向虚拟装配工艺模型转化方法，建立了虚拟装配工艺模型，但对工艺的研究，只是限于对装配工夹具的操作工艺信息进行了数据采集和处理，未涉及虚拟装配中具体的装配操作过程的研究。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的上述问题，提供了一种人机交互的装配工艺规划系统，使其实现了人机交互下面向操作过程的虚拟装配、自动生成完整的装配工艺、装配辅助分析等功能。与计算机虚拟仿真技术相结合，可以在设计阶段就对生产线系统和工位进行充分的规划，以便尽早地发现系统布局、配置方面的问题，从而更快、更好地改善系统和工位设计。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：装配数据预处理模块、虚拟装配仿真模块、装配辅助分析模块、装配工艺生成模块、装配工艺评价模块、虚拟装配数据管理模块、虚拟装配数据库，其中：

虚拟装配数据管理模块执行数据维护任务，负责管理各模块与虚拟装配数据库之间的通讯，包括数据的添加、插入、删除、查询操作，其储存的数据有：零件碰撞检测模型、零件装配约束元素信息、装配关系树、装配操作动作数据、装配操作对象数据、标准装配工艺信息、DFMA(面向制造与装配的设计)定量分析方法的装配操作时间；

装配数据预处理模块在CAD(计算机辅助设计)软件中生成产品装配语义，以及产品信息模型(零件信息、装配树信息、约束信息、语义信息)，采用碰撞模型生成工具BVCD(基于层次包围盒的碰撞检测开发包)生成零件的碰撞模型，并查找零件显示模型，建立显示模型、碰撞模型、产品信息之间的对应关系，并将碰撞模型、显示模型存入与产品信息对应的虚拟装配数据库；

虚拟装配仿真模块从虚拟装配数据库中提取虚拟装配所需的数据，包括：显示模型、碰撞模型、零件信息、装配体信息、约束信息、语义信息、几何元素信息等，建立虚拟装配仿真场景，并在终端显示装配过程，同时以文本方式记录下装配过程数据，装配过程数据包括：装配动作数据、装配对象数据、目标对象数据、所用工具等，并存入虚拟装配数据库；

装配辅助分析模块对虚拟装配仿真模块进行的虚拟装配过程进行回放和装配轨迹的显示，对产品的装配序列和装配路径进行分析，通过间隙测量对装配质量进行分析，并将结果作为产品工艺规划的依据；

装配工艺生成模块从虚拟装配数据库中获得装配过程数据，参照虚拟装配数据库中的标准装配工艺条目生成装配工艺，手动添加工艺，确认后进行工位划分，将完成规划的工艺结果存入虚拟装配数据库；

装配工艺评价模块读取虚拟装配数据库中的装配操作动作、操作对象数据，在DFMA方法所提供的装配操作效率表中查找装配操作时间，获得装配过程的效率，得到人机工程学分析数据，用于判断装配工艺的合理性。

上述模块通过ODBC(开放式数据接口)标准接口单独与虚拟装配数据库通信。

所述装配数据预处理模块，根据实际零件几何尺寸，通过Pro/Engineer图形系统建立零件的几何参数模型，经处理获得几何模型的面片信息，根据模型面片信息生成零件碰撞模型，为零件几何模型生成装配语义，根据各零件的相互装配关系建立装配关系树，所得的碰撞模型、装配语义、装配树通过ODBC接口存入虚拟装配数据库，以备虚拟装配仿真模块调用。

所述装配数据预处理模块，其建立的装配语义是对装配零部件间装配关系的抽象表达，包括了装配零部件间的约束个数和类型、约束顺序、以及工程约束和两个装配对象(零件或部件)，根据功能特征将装配语义从顶层划分为螺纹联接语义、轴孔配合语义、传动语义、键槽配合语义、平面定位语义和特殊装配语义等，而每一个顶层语义根据约束特性和工程约束还可细分，其中：螺纹联接语义包括螺钉联接、螺柱联接、螺母联接以及本身螺纹联接；轴孔配合语义包括直轴装配、曲轴装配、周向导向面定位、轴向导向面定位；传动语义包括带传动、链转动、齿轮传动和凸轮传动等；特殊装配语义由用户根据具体应用，进行定义和扩充，以自定义语义的形式进行表达，如应用在发动机装配的活塞连杆总成装配语义和中心装配语义。

所述虚拟装配仿真模块，通过ODBC接口读取虚拟装配数据库中的装配所需的数据，应用OpenGL Performer图形系统，使用虚拟装配技术，操作者通过鼠标、键盘或数据手套与虚拟环境中的虚拟手进行交互，借助虚拟手操作各种对象，基于几何约束和自由度分析方法，借助实时的碰撞检测，模拟机械产品实际的装配过程，使用多层嵌套的树形装配结构，按照自下而上的装配层次顺序进行虚拟装配，以文本方式记录下装配操作动作及操作对象数据，并存入虚拟装配数据库，供装配工艺生成模块与装配工艺评价模块调用。

所述装配辅助分析模块，其在装配过程中记录操作对象的运动路径，记录的起点和终点由用户设置，记录结束后按照不同速率回放，操作对象按照记录下的运动路径重现操作过程，并可选择单个操作对象将其运动轨迹显示在操作界面上，包括轨迹点、轨迹线、扫略体三种显示方式，获得两个操作对象间的最小距离，测量指定点、线、面之间的距离。本模块具有的功能有：产品整个装配过程回放功能，可用于装配序列规划和装配工艺检查；具体零部件装配过程回放功能，可用于查看和检查零部件的装配工艺；静态显示零部件的装配轨迹，显示的轨迹为零部件装配路径规划提供依据；间隙测量功能，计算点、线、面、体之间的距离，用于装配质量评估。

所述装配工艺生成模块，从虚拟装配数据库中获取装配操作动作及操作对象数据，将数据以操作动作为单位逐条与通过ODBC查询到的标准装配工艺进行比对，查找出对应的标准工艺及其时间，显示在界面上，界面上可设置工艺的单独成工位标志，用户可手动添加或删除工艺条目，在界面上输入装配生产线工位节拍，对确认后的工艺进行自动或手动工位划分，自动划分的条件是：时间不超过工位节拍的前提下，使用全自动工具或界面上设置单独成工位标志的工艺单独生成一个工位，使用相同工具或夹具的相邻工艺优先划分为同一工位，工位划分后用户选择将工位工艺存入虚拟装配数据库。

本发明工作时，各模块存在着一定的依赖关系：虚拟装配数据管理模块在最顶层，管理、维护各模块产生的数据；装配数据预处理模块通过虚拟装配数据管理模块对虚拟装配数据库进行查询、写入等操作；只有虚拟装配预处理模块生成产品的碰撞模型，并将碰撞模型、显示模型、产品信息写入虚拟装配数据库，虚拟装配仿真模块才能从数据库中获取足够的数据建立仿真场景进行虚拟装配操作；装配辅助分析模块所需要的数据直接来源于虚拟装配仿真模块的操作过程数据；只有装配仿真模块记录了装配过程数据，并将其存入虚拟装配数据库，装配工艺生成模块才能从虚拟装配数据库中获取足够的数据生成工艺内容；装配工艺生成模块所生成并保存在数据库中的工艺数据是装配工艺评价模块的数据来源。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

面向完整的装配过程，注重实际的装配操作，将软件工具的智能性与人的经验知识有机结合，实现虚拟装配与实际装配生产的紧密联系，为装配工艺规划提供多角度的参考信息。在虚拟装配过程中，记录下装配动作信息和装配操作对象数据，动态生成详细的虚拟装配工艺。虚拟装配结束后，保存完整装配工艺，供随时调用查看；回放装配操作过程，直观地显示装配对象运动轨迹；根据装配动作信息和装配操作对象数据，进行装配效率计算及人机工程学分析。本发明为装配工艺规划人员提供有效的参考信息，节约生产线工位桂花成本，缩短工艺规划设计周期。

附图说明

图1为本发明系统结构图；

图2为本发明整体工作流程图；

图3为本发明中虚拟装配映射关系组成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：装配数据预处理模块、虚拟装配仿真模块、装配辅助分析模块、装配工艺生成模块、装配工艺评价模块、虚拟装配数据管理模块、虚拟装配数据库，其中：

虚拟装配数据管理模块执行数据维护任务，负责管理各模块与虚拟装配数据库之间的通讯，包括数据的添加、插入、删除、查询操作，其储存的数据有：零件碰撞检测模型、零件装配约束元素信息、装配关系树、装配操作动作数据、装配操作对象数据、标准装配工艺信息、DFMA(面向制造与装配的设计)定量分析方法的装配操作时间；

装配数据预处理模块在CAD(计算机辅助设计)软件中生成产品装配语义，以及产品信息模型(零件信息、装配树信息、约束信息、语义信息)，采用碰撞模型生成工具BVCD(基于层次包围盒的碰撞检测开发包)生成零件的碰撞模型，并查找零件显示模型，建立显示模型、碰撞模型、产品信息之间的对应关系，并将碰撞模型、显示模型存入与产品信息对应的虚拟装配数据库；

虚拟装配仿真模块从虚拟装配数据库中提取虚拟装配所需的数据，包括：显示模型、碰撞模型、零件信息、装配体信息、约束信息、语义信息、几何元素信息等，建立虚拟装配仿真场景，并在终端显示装配过程，同时以文本方式记录下装配过程数据，装配过程数据包括：装配动作数据、装配对象数据、目标对象数据、所用工具等，并存入虚拟装配数据库；

装配辅助分析模块对虚拟装配仿真模块进行的虚拟装配过程进行回放和装配轨迹的显示，对产品的装配序列和装配路径进行分析，通过间隙测量对装配质量进行分析，并将结果作为产品工艺规划的依据；

装配工艺生成模块从虚拟装配数据库中获得装配过程数据，参照虚拟装配数据库中的标准装配工艺条目生成装配工艺，手动添加工艺，确认后进行工位划分，将完成规划的工艺结果存入虚拟装配数据库；

装配工艺评价模块读取虚拟装配数据库中的装配操作动作、操作对象数据，在DFMA方法所提供的装配操作效率表中查找装配操作时间，获得装配过程的效率，得到人机工程学分析数据，用于判断装配工艺的合理性。

上述模块通过ODBC(开放式数据接口)标准接口单独与虚拟装配数据库通信。

所述装配数据预处理模块，其通过图形化界面与用户交互，在生成产品语义时，用户在Pro/Engineer环境下打开已经装配好的产品装配模型，在此环境下本模块通过交互式选择装配对象来定义对象之间的装配语义，并输入对应的参数信息，生成完整的产品信息，并输出为文件，具体如下：

在Pro/Engineer环境下打开已经装好的产品装配模型，并据此生成产品的零件信息、装配树信息、约束信息等；然后，在Pro/Engineer装配树上选择互相装配的两个对象，根据对象之间的约束情况自动查找有可能匹配的语义，由用户最终确定语义类型；用户输入语义参数信息，如几何特征的直径、长度等，用户定义完所有的装配语义后，本模块生成完整的产品信息，并输出为产品信息文件。

所述装配数据预处理模块，其由用户输入碰撞包围盒直径，并导入零件几何模型进行计算，获得零件碰撞模型，实施过程中，可根据实际需要调整碰撞模型精度；然后在界面上指定零件几何模型上的约束元素：平面约束元素、线约束元素、曲面约束元素，并指定其所属语义类型，最后指定该零件在装配关系树中的位置，并将碰撞模型、装配约束元素信息、装配关系树存入虚拟装配数据库。

所述装配数据预处理模块，其生成装配零件的碰撞模型，具体如下：首先根据装配零件的实际尺寸，在Pro/Engineer环境下建立三维几何模型，将几何模型导击为stl面片模型；将stl面片模型导入界面，建立碰撞包围盒根节点RootBV，其为几何模型的顶层包围盒，然后将顶层包围盒等分，将等分后的包围盒与stl面片模型的所有面片逐个求交，舍弃不相交的包围盒，其余包围盒保存为下层包围盒，如此循环直到计算到用户设定的碰撞包围盒直径精度，碰撞包围盒根节点RootBV下的子节点根据层次记为BVi[j]，i为子节点所在层数，最终保存碰撞模型。

所述装配数据预处理模块，其生成产品的显示模型、碰撞模型、产品信息的对应关系，并存入数据库，具体如下：首先根据产品信息查找产品中的所有零件名称；然后，由用户指定模型路径，在指定的路径下查找与零件名称相同的显示模型与碰撞模型，并建立对应关系；最后，按照对应关系，将显示模型、碰撞模型、产品信息存入虚拟装配数据库。

所述虚拟装配仿真模块，其启动时通过一个图形化界面与用户交互，在界面下用户通过虚拟装配数据库调用装配环境模型作为当前的装配工作环境，同时读取虚拟装配数据库中的零件显示模型、碰撞模型以及产品信息至内存准备虚拟装配。在仿真场景启动界面上，用户选择装配关系树、模型的默认放置方式、仿真装配窗口位置大小。模型的默认放置方式：模型默认位姿、自动摆放、手动摆放。保存用户设置后启动仿真装配窗口，通过OpenGL Performer图形系统建立虚拟场景。如模型的默认放置方式为手动摆放，则窗口初始化时需在虚拟环境中通过鼠标依次手动放置各零件。装配关系树显示在窗口界面上，用户可在装配关系树上选择零件名称手动向虚拟环境中添加零件模型。界面上的装配工具菜单显示可用工具的名称、图片、型号、尺寸，选择工具名称进行添加，模块从虚拟装配数据库中读取工具模型添加至虚拟场景。用户通过鼠标、键盘或数据手套与虚拟场景中的虚拟手进行交互，借助虚拟手操作各种零件进行装配，装配语义确认后基于装配语义识别与解算，借助实时的碰撞检测，模拟机械产品实际的装配过程。装配具体过程：当虚拟手抓持一个装配零件靠近另一个装配零件时，模块自动进行语义捕捉，如果两零件语义识别并匹配，则零件上的装配约束元素高亮显示，以便用户进行确认；如两零件语义不匹配则无任何显示。用户通过键盘快捷键确认语义后，模块对两零件装配语义进行解算，通过位姿矩阵变换对装配语义的某一元素自由度进行约束，进入装配约束导航阶段，此时零件只能按照语义设定的自由度进行运动，当两零件距离小于阈值时剩余装配语义约束元素自动进行确认。装配语义得到完全解算后装配完成。

所述装配辅助分析模块，其在装配过程中在界面上选择开始记录操作对象的运动路径，在选择停止记录后，记录的起点和终点之间用户的操作过程会记录下来保存在内存中，记录结束后可以按照不同速率进行回放：1x、2x、3x，系统驱动相应操作对象按照记录下的运动路径重现操作过程。记录结束后，可选择单个操作对象将其运动轨迹显示在操作界面上，包括轨迹点、轨迹线、扫略体三种显示方式。用户在装配操作空间分析功能下，在虚拟环境中选择两个模型，计算两个模型间的最小间隙。

所述装配辅助分析模块，其进行最小间隙测量，具体如下：

①使用基于空间分割的包围盒层次树模型进行距离计算，得到最近包围盒对，则最近点必然包含在这两个包围盒中；

②分别查询这两个包围盒涉及到的多边形组群，得到两个多边形组群；

③对于两个组群中的任意多边形对，采用三维空间内平面有界多边形间最小距离(面/面距离)计算方法来计算距离；

④距离最小的两个面即为需要查找的面，此时最小距离对应的面上的点即为需要查找的最近点。

所述装配工艺生成模块，其通过MFC制作的界面与用户交互，完成装配工艺的生成与工位划分，从数据库中获取装配操作动作及操作对象数据，将数据以操作动作为单位逐条与通过ODBC接口查询到的标准装配工艺进行比对，查找出对应的标准工艺及其时间，显示在界面上，界面上可设置工艺的单独成工位标志，用户可手动添加或删除工艺条目。在界面上输入机械产品型号及装配生产线工位节拍，对确认后的工艺进行自动或手动工位划分，自动划分的规则是：时间不超过工位节拍的前提下，使用全自动工具或界面上设置单独成工位标志的工艺单独生成一个工位，使用相同工具或夹具的相邻工艺优先划分为同一工位。将生产线工位划分后的工位工艺存入虚拟装配数据库。

所述装配工艺生成模块，其生成虚拟装配操作工艺，具体如下：

首先，本模块从虚拟装配数据库中获得装配操作动作及操作对象数据，从中提取虚拟装配中各个操作的7种属性信息：操作对象类型、使用工具信息、操作对象重量、定位方式、装配精度、操作对象移动距离，将上述7个属性信息逐条转换为与装配工艺映射关系编码，以此7个属性构成的7位装配工艺映射关系编码具有唯一性，如图3所示，映射关系编码是虚拟装配操作与标准装配操作工艺的纽带；

然后，查询虚拟装配数据库中的标准装配操作工艺数据库。数据库中的标准装配工艺语句按照7种属性进行描述：零件类型、装配精度、零件重量、移动距离、定位方式、工具类型、聚合动作，另外包括每条操作对应的虚拟装配操作映射关系号，和所需工时参数(数据由实地测得)。由于映射关系号与标准装配工艺对应关系的唯一性，借助上述方法通过虚拟装配操作过程记录的装配操作动作及操作对象数据得到7位装配工艺映射关系编码，通过数据接口对标准装配操作工艺数据库进行查询，找到映射关系号与之唯一对应的标准工艺，获得标准工艺内容及所需工时，并将其逐条显示在装配工艺生成界面上。

所述装配工艺评价模块，其包括三个子模块：装配效率计算子模块、基于NOISH(美国国家职业安全与健康研究所)方法的数据分析子模块、能量消耗分析子模块，其中：

装配效率计算子模块中由用户在装配效率计算界面上确认装配操作相关零件的装配主观信息，根据装配主观信息查询数据库中的装配操作时间，基于Boothroyd和Dewhurst的DFMA定量分析方法计算出装配效率；

基于NOISH方法的数据分析子模块和能量消耗分析子模块分别基于NOISH数据分析和能量消耗两种定量分析方法，从虚拟装配数据库中读取装配操作动作及操作对象数据，进行计算得出人机工程学分析结果。

所述装配效率计算子模块，其基于Boothroyd(布斯罗伊德)和Dewhurst(杜赫斯特)的DFMA定量分析方法计算进行装配效率计算，影响产品或组装装配成本的两个主要因素是：产品中零件数量的总数和操纵、嵌入和固定零件的简易性，产品中零件数量的总数通过装配过程中记录的操作对象数据获得，操纵、嵌入和固定零件的简易性通过参数t_ma来表征，t_ma为实际装配时间，t_ma是影响产品装配性的各种因素的综合影响所得的一个时间值，用户在装配效率计算界面上设定零件的主观装配信息选项。基于Boothroyd-Dewhurst方法，将手工装配的过程自然的分为两个独立的过程：手工持拿(获得、定位和移动零件)和插入及固定(把一个零件配合到另一个零件或零件组)，影响持拿时间的重要零件属性是：尺寸、厚度、重量、嵌套、缠结、易碎性、延展性、光滑度、黏着度、使用双手的必要性、使用抓持工具的必要性、光学放大的必要性及机械辅助的必要性等，用户在装配效率计算界面上设定上述的零件的主观装配信息选项，通过查询虚拟装配数据库中的DFMA方法装配操作时间获得t_ma，则手工装配效率计算表达式如下：

E_ma＝N_mint_a/t_ma

其中，N_min为零件理论的最小数量，t_a为一个零件的基本装配时间，t_ma为完成一个时间产品的估计装配时间，基本装配时间t_a是一个没有操纵、嵌入或固定困难的零件的平均装配时间，一般取为3秒。实际装配时间t_ma，需要考虑产品装配性的各种因素，t_ma是影响产品装配性的各种因素的综合影响所得的一个时间值，因此可以运用上述手工装配效率公式作为产品可装配性的分析评价工具。

所述基于NOISH方法的数据分析子模块，具体作如下操作：

a.根据NOISH多任务分析方法，由虚拟装配数据库中读取的装配操作动作数据及虚拟场景中视点的位置数据，计算获得所需数据，每一个操作的数据都必须被计算，所需的数据包括：

①对象的重量：如果在操作过程中重量有变化，在记录平均值和最大值；

②虚拟手相对于虚拟操作者水平面中点的水平和垂直位置；测量和记录手在起始点和终了点的水平和垂直位置；

③不对称角度：确定操作的起点和终点的不对称角度；

④操作频率：确定此操作在整个操作周期的平均操作频率次/分钟(平均值至少多于15分钟)；如果此操作频率从一个阶段到另外一个阶段的变化超过2次/分钟，那么此操作应该分开分析；

⑤操作的周期：确定每一个任务连续操作和允许恢复总的时间，必须基于整个车间或者工厂总的运转模式来确定；

⑥耦合类型：手对操作对象抓取和拿着的难易程度。

b.根据NOISH方程由以上所得数据计算出水平因子HM、垂直因子VM、距离因子DM、频率因子FM、不对称因子AM、耦合因子CM。

c.通过每一任务的各自变量计算与频率无关的推荐举重极限FIRWL值(Frequency-Independent Recommended Weight Limit)，此时的频率因子FM设为1。每一任务的FIRWL值反映的是单独重复此任务仅仅考虑操作力和肌肉疲劳因素而得到的安全范围内的最大负载量RWL值。

FIRWL＝LC x HM x VM x DM x AM x CM

d.对于每一个任务，使用它的FIWRL值乘以它的频率因子FM得到单任务推荐举重极限STWRL(Single-Task Recommended Weight Limit)。STWRL反映的是单独重复执行此任务考虑到综合因素时得到的安全范围内的最大负载量RWL值。

STRWL＝FIWRL x FM

e.通过用每一个任务的最大负载重量分别除以各自的FIRWL值获得各自的与频率无关的举重指数FILI(Frequency-Independent Lifting Index)。虽然最大负载重量不经常出现，用它计算FILI的原因是最大重力将使身体承受最大的力，对操作者身体危害最大。因此FILI可以确定低频率单任务对操作者产生的负载力问题，如果FILI大于1就要进行人机工程改进。

FILI＝Lmax/FIWRL

f.通过每一任务的平均负载重量分别除以各自的STWRL获得此任务的单任务推举重指数STLI(Single-Task Lifting Index)。由于平均负载重量能够更好的代表操作者在这个过程中新陈代谢的需求，而不依赖于单个任务。STLI的值可以用来评估此任务对身体疲劳产生的影响。

SILI＝Lava/STWRL

g.计算整个操作的综合举重指数CLI(Composite Lifting Index)。计算过程如下：

1)首先根据STLI从大到小对这个工作的所有任务进行重新排序，即根据操作者在执行此工作过程中所承受的力从大到小排序；以这种方式排序的目的是将难度大的任务首先考虑。

2)根据下列的公式计算此工作的CLI值：

CLI＝STLI₁+∑ΔLI

式中：

$\mathrm{\Σ\ΔLI}=({\mathrm{FILI}}_2\×(\frac{1}{{\mathrm{FM}}_{\mathrm{1,2}}}-\frac{1}{{\mathrm{FM}}_1}))+({\mathrm{FILI}}_3\×(\frac{1}{{\mathrm{FM}}_{\mathrm{1,2,3}}}-\frac{1}{{\mathrm{FM}}_{\mathrm{1,2}}}))+$

$\·\·\·+({\mathrm{FILI}}_n\×(\frac{1}{{\mathrm{FM}}_{\mathrm{1,2,3},\·\·\·,n}}-\frac{1}{{\mathrm{FM}}_{\mathrm{1,2,3},\·\·\·,(n-1)}}))$

如果CLI<1对大多数人是安全的；如果CLI>1存在潜在的危险；如果CLI>3几乎对所有的工人都是危险的。

能量消耗是评价劳动强度的一个重要指标，在工作内容确定的情况下，工作场所的布局直接影响着能量的消耗量。单位时间内人体承受的体力工作活动量

(工作负荷)必须处在一定的范围内。负荷过小，造成人力浪费；负荷过大，超过了人的生理负荷能力和功能能力的限度，又会损害劳动者的健康。

一般人体的最佳负荷是指正常环境下人体8小时不产生过度疲劳的最大工作负荷值。最大工作负荷值通常是以能量消耗界限表示。中国医学科学院卫生研究所对我国具有代表性行业中的262个工种的劳动时间和能量代谢进行了调查研究，提出如下能量消耗界限，即一个工作日(8h)的总能耗应在1400—1600kcal之间，最多不超过2000kcal，即8370焦耳。

所述能量消耗分析子模块，其在利用手臂水平或垂直移动对象时，评估动态负载，采用下面的经验公式[Spitzer，1987]确定工作量：

$A=(F\&CenterDot;H_n+\frac{F\&CenterDot;L}{9}+\frac{F\&CenterDot;H_0}{2})\&CenterDot;K\&CenterDot;n$

式中：工作量A，J(焦耳)；举或者移动对象的作用力或者挤压处理所使用的力F，N(牛顿)；对象被举起的距离Hn，m(米)；对象被下降的距离Ho，m(米)；对象的水平移动距离L，m(米)；生物力学准则系数K，表示身体单个部分的移动，等于6；在一个确定操作或者轮班中等同的技术循环数目n，与工作周期和生产线节拍相关。

每一个操作任务都计算得到一个能量消耗A，将一个工位中所有任务的能量消耗相加即可获得此工位操作工人在一个工作周期内总的能量消耗。如果计算结果大于能量消耗界限8370焦耳，则界面对用户发出人机工程警告。

如图2所示，本实施例工作过程如下：本实施例各模块的执行存在一定的顺序关系，虚拟装配数据管理模块在最顶层，管理、维护各模块产生的数据；装配数据预处理模块通过虚拟装配数据管理模块对虚拟装配数据库进行查询、写入等操作；只有虚拟装配预处理模块生成产品的碰撞模型，并将碰撞模型、显示模型、产品信息写入虚拟装配数据库，虚拟装配仿真模块才能从数据库中获取足够的数据建立仿真场景进行虚拟装配操作；装配辅助分析模块所需要的数据直接来源于虚拟装配仿真模块的操作过程数据；只有装配仿真模块记录了装配过程数据，并将其存入虚拟装配数据库，装配工艺生成模块才能从虚拟装配数据库中获取足够的数据生成工艺内容；装配工艺生成模块所生成并保存在数据库中的工艺数据是装配工艺评价模块的数据来源。

本实施例构造了装配零件的碰撞模型和装配语义，借助数据手套、鼠标、键盘等硬件设备与虚拟环境进行人机交互，通过语义的识别与结算进行了虚拟装配，记录下装配过程信息，支持装配过程回放及零件运动轨迹显示，进行了虚拟环境下的工艺生成与工位划分，计算出虚拟装配的效率，并从人机工程学的角度对装配工艺作出评价。

本实施例采用良好的windows界面，实现了C++、MFC、Pro/Engineer、OpenGLPerformer图形系统的集成，在OpenGL Performer主环境下完成各个功能模块。为虚拟环境中的产品装配提供了技术支持。同时也为装配工艺规划设计人员了解工艺安排、评估装配工艺提供了良好的工具，对指导实际装配生产线的设计有重要意义。

Claims (6)

1、一种人机交互的装配工艺规划系统，其特征在于，包括：装配数据预处理模块、虚拟装配仿真模块、装配辅助分析模块、装配工艺生成模块、装配工艺评价模块、虚拟装配数据管理模块、虚拟装配数据库，其中：

虚拟装配数据管理模块执行数据维护任务，负责管理各模块与虚拟装配数据库之间的通讯，包括数据的添加、插入、删除、查询操作，其储存的数据有：零件碰撞检测模型、零件装配约束元素信息、装配关系树、装配操作动作数据、装配操作对象数据、标准装配工艺信息、DFMA定量分析方法的装配操作时间；

装配数据预处理模块在CAD软件中生成产品装配语义、产品信息模型，产品信息模型包括：零件信息、装配树信息、约束信息、语义信息，采用碰撞模型生成工具BVCD生成零件的碰撞模型，并查找零件显示模型，建立显示模型、碰撞模型、产品信息之间的对应关系，并将碰撞模型、显示模型存入与产品信息对应的虚拟装配数据库；

虚拟装配仿真模块从虚拟装配数据库中提取虚拟装配所需的数据，包括：显示模型、碰撞模型、零件信息、装配体信息、约束信息、语义信息、几何元素信息，建立虚拟装配仿真场景，并在终端显示装配过程，同时以文本方式记录下装配过程数据，装配过程数据包括：装配动作数据、装配对象数据、目标对象数据、所用工具，并存入虚拟装配数据库；

装配辅助分析模块对虚拟装配仿真模块进行的虚拟装配过程进行回放和装配轨迹的显示，对产品的装配序列和装配路径进行分析，通过间隙测量对装配质量进行分析，并将结果作为产品工艺规划的依据；

装配工艺生成模块从虚拟装配数据库中获得装配过程数据，参照虚拟装配数据库中的标准装配工艺条目生成装配工艺，手动添加工艺，确认后进行工位划分，将完成规划的工艺结果存入虚拟装配数据库；

装配工艺评价模块读取虚拟装配数据库中的装配操作动作、操作对象数据，在DFMA方法所提供的装配操作效率表中查找装配操作时间，获得装配过程的效率，得到人机工程学分析数据，用于判断装配工艺的合理性；

上述模块通过ODBC标准接口单独与虚拟装配数据库通信。

2、根据权利要求1所述的人机交互的装配工艺规划系统，其特征是，所述装配数据预处理模块，根据实际零件几何尺寸，通过Pro/Engineer图形系统建立零件的几何参数模型，经处理获得几何模型的面片信息，根据模型面片信息生成零件碰撞模型，为零件几何模型生成装配语义，根据各零件的相互装配关系建立装配关系树，所得的碰撞模型、装配语义、装配树通过ODBC接口存入虚拟装配数据库，以备虚拟装配仿真模块调用。

3、根据权利要求1所述的人机交互的装配工艺规划系统，其特征是，所述装配数据预处理模块，其建立的装配语义是对装配零部件间装配关系的抽象表达，包括了装配零部件间的约束个数和类型、约束顺序、以及工程约束和两个装配对象，根据功能特征将装配语义从顶层划分为螺纹联接语义、轴孔配合语义、传动语义、键槽配合语义、平面定位语义和特殊装配语义，而每一个顶层语义根据约束特性和工程约束还可细分，其中：螺纹联接语义包括螺钉联接、螺柱联接、螺母联接以及本身螺纹联接；轴孔配合语义包括直轴装配、曲轴装配、周向导向面定位、轴向导向面定位；传动语义包括带传动、链转动、齿轮传动和凸轮传动；特殊装配语义由用户根据具体应用，进行定义和扩充，以自定义语义的形式进行表达。

4、根据权利要求1所述的人机交互的装配工艺规划系统，其特征是，所述虚拟装配仿真模块，通过ODBC接口读取虚拟装配数据库中的装配所需的数据，应用OpenGL Performer图形系统，使用虚拟装配技术，操作者通过鼠标、键盘或数据手套与虚拟环境中的虚拟手进行交互，借助虚拟手操作各种对象，基于几何约束和自由度分析方法，借助实时的碰撞检测，模拟机械产品实际的装配过程，使用多层嵌套的树形装配结构，按照自下而上的装配层次顺序进行虚拟装配，以文本方式记录下装配操作动作及操作对象数据，并存入虚拟装配数据库，供装配工艺生成模块与装配工艺评价模块调用。

5、根据权利要求1所述的人机交互的装配工艺规划系统，其特征是，所述装配辅助分析模块，其在装配过程中记录操作对象的运动路径，记录的起点和终点由用户设置，记录结束后按照不同速率回放，操作对象按照记录下的运动路径重现操作过程，并可选择单个操作对象将其运动轨迹显示在操作界面上，包括轨迹点、轨迹线、扫略体三种显示方式，获得两个操作对象间的最小距离，测量指定点、线、面之间的距离。

6、根据权利要求1所述的人机交互的装配工艺规划系统，其特征是，所述装配工艺生成模块，从虚拟装配数据库中获取装配操作动作及操作对象数据，将数据以操作动作为单位逐条与通过ODBC查询到的标准装配工艺进行比对，查找出对应的标准工艺及其时间，显示在界面上，界面上可设置工艺的单独成工位标志，用户可手动添加或删除工艺条目，在界面上输入装配生产线工位节拍，对确认后的工艺进行自动或手动工位划分，自动划分的条件是：时间不超过工位节拍的前提下，使用全自动工具或界面上设置单独成工位标志的工艺单独生成一个工位，使用相同工具或夹具的相邻工艺优先划分为同一工位，工位划分后用户选择将工位工艺存入虚拟装配数据库。

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