CN105489108B - 基于装配界面的机械装备装配训练方法 - Google Patents

Abstract

基于装配界面的机械装备装配训练方法,受训工人通过机械装备的虚拟装配场景与实际装配行为相结合的方式，完成机械装备的装配步骤实训、装配工具使用培训及钳工工艺培训；该机械装备装配训练方法与纯粹的虚拟现实和穿戴式虚拟现实装配相比，性价比高、体验度高、使用方便、装置结构简洁合理，系统稳定可靠，可大面积的推广。

Description

基于装配界面的机械装备装配训练方法

技术领域

本发明涉及机械装备的技术领域，具体地说是一种基于装配界面的机械装备装配训练方法。

背景技术

对于大型复杂机械装备，由于结构复杂、零部件多、体积大、重量大、安装费用高等诸多因素，造成装配过程复杂、装配费用高昂。为了保证一线生产任务安全、保质、保量、按时完成，通常不允许新入职的装配工人直接投入到实际操作，需要经过理论学习、技能培训和实际操作三步走才能正式上岗。随着机械行业人才流动加剧，使得装配工人的培训任务越来越繁重。为了提高装配操作的培训效果，最好的办法是在机械装备实物上进行装配训练，但这样又会无形中提高实际操作培训的成本。为了解决该问题，培训市场上出现了虚拟装配训练软件，即利用虚拟现实技术对机械装备装配过程进行培训。虚拟装配训练软件完全以计算机软件模拟机械装备的装备过程，可让装配工人掌握机械装备的装配过程和装配要点，但装配工人得不到肢体训练。随即一种将数据手套与虚拟现实技术相结合的机械装备装配训练方法出现，通过佩戴数据手套采集装配工人的肢体动作，将装配工人的肢体动作反映到虚拟现实场景中的机械装备装配过程。该方法需要佩戴数据手套和头盔等数据采集装置，并且缺少力、力矩、空间位置以及工具使用等方面的直接体验，使训练过程脱离了真实的装配体验。而且数据手套和头盔等可穿戴装备价格昂贵，无形中增加了机械装备的装配训练成本，在实际应用中效果并不好。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种基于装配界面的机械装备装配训练方法，其目的是解决以下问题：

1、以往机械装备装配训练的理论教学不能满足需求，而完全采用实物模拟培训方式又受到经费、场地等诸多因素的限制，培训手段的局限性使得传统的装配训练方法大面积推广难度大、成本高。

2、以往装配工人培训时间长、工人技能水平提升慢、培训成本高。而短期的机械装备装配训练，使装配工人对装配步骤、方法和手段记忆不清晰和技术得不到强化，往往会造成实际生产中出现装错、装配质量不高、装配慢等问题。

3、一些基于虚拟现实的机械装备装配训练方法，采用虚拟现实技术进行装配工人培训，但纯粹的基于软件层面的虚拟现实技术和穿戴式虚拟现实技术真实体验度低，缺乏肢体动作响应或空间物理信号的感知，培训效果并不理想。

技术方案：

本发明提供一种基于装配界面的机械装备装配训练方法，该方法装配训练开始时，首先启动机械装备虚拟装配软件，通过控件或菜单调出所要训练装配工步对应的虚拟装配场景，驱动装配界面装置到达对应的空间位置，开始接收来自于装配人员通过肢体或装配工具传递来的空间动作和力学信号。装配人员在装配训练过程中，可通过虚拟现实显示屏幕对部件的空间位置进行实时观察。此过程中，装配人员完成了真实的装配动作，并向装配训练装置输出真实的力学行为。与此同时作用在装配界面上的力、力矩、位移、转角等传感器实时采集装配界面上的力学信号和运动信号，并将传感信号传递给上位计算机，经上位计算机计算得到当前装配步骤的完成情况，并将其反映到当前装配步骤的虚拟现实场景，展示给装配工人。

基于装配界面的机械装备装配训练方法,其特征在于:受训工人通过机械装备的虚拟装配场景与实际装配行为相结合的方式，完成机械装备的装配步骤实训、装配工具使用培训及钳工工艺培训；该方法采用虚拟现实屏幕显示机械装备的装配场景、选择机械装备的装配步骤、确认机械装备及其零部件的当前空间位置；由专门的机械装置及其传感系统模拟的机械装备装配界面，接受和测量受训人员的肢体动作和力学行为，将测得数据传递给上位计算机，经上位计算机反馈给机械装备的虚拟装配场景。

所谓装配界面是指机械装备上用于接受来自于装配工人的肢体动作、力学行为或装配工具的力、力矩的零部件。

所述装配训练方法具体步骤如下：

a、装配工人开始装配训练时，首先调出机械装备虚拟装配系统，通过控件或菜单选择需要训练的装配步骤，系统调用和驱动相应装配界面的机械装置达到指定空间位置并开始接受来自于装配工人的肢体动作和力学行为；

b、装配工人徒手或运用钳工工具、装配工具，按照机械装备的装配技术要求对装配界面进行装配动作，并对装配界面发出适当的力、力矩和位移,此过程装配工人完成的是真实装配动作；

c、装配工人在装配训练时，通过视觉观察虚拟装配场景显示屏幕上的零部件空间位置变化并确认当前装配步骤是否完成；

d、装配工人在装配训练时，安装于装配界面上的力、力矩和位移等物理量感知传感器实时采集人作用于装配界面上的力、力矩和位移等物理信号，将其传递给上位计算机，经上位计算机计算,即基于虚拟装配场景软件得到当前装配步骤的完成情况，并将其反映到当前装配步骤的虚拟现实场景，展示给装配工人；

e、装配工人可以把每次机械装备的装配顺序、装配路径、工艺路线等过程进行信息保存或调出装配动画文件指导现场装配或教学。

装配界面的构建:

a、对机械装备的装配界面进行归类分析；

b、确定每一类的装配界面所需要采集的力学信号、位移信号和角度信号，明确相应的传感器，给出信号采集和通讯方案；

c、按照系统总体设计、装配界面归类分析、信号采集和通讯方案设计的步骤，开发基于肢体动作和力学行为采集的机械装备装配训练系统及虚拟装配场景软件；

在CAD建模环境中，完成机械装备零件及钳工工具建模；通过定义配合约束关系，将这些零件组装在一起得到界面的装配模型；该建模装配过程只考虑机械装备中零部件的装配位置和约束关系，装配顺序、装配操作等过程暂不考虑；

d、设计装配界面的支架结构，设计装配界面的空间驱动方案；

所有装配界面均布置和安装于一个训练台框架结构上，在框架结构的一侧布置装配所需的钳工工具箱，把装有传感器的真实装配钳工工具按编号放置好；框架结构的另一侧为虚拟装配场景显示屏幕；系统启动后，装配工人可以先完成机械装备各部件的装配后再进行整机装配；装配工人在虚拟装配训练系统选择要训练的装配步骤，系统弹出该装配步骤涉及零件的虚拟模型，并置于虚拟场景；虚拟装配训练系统根据该装配步骤要求发送控制信号给伺服驱动装置，驱动该零件对应的装配界面运行到指定的空间位置；

e、将装配界面及其空间驱动装置、触感系统集成安装于支架结构，建立传感系统与上位计算机进行通讯联接，完成上位计算机采集的力学、位移信号与机械装备虚拟训练系统的数据集成，即完成基于装配界面的机械装备装配训练装置的集成开发；随后进行该装置的试制、调试与校准。

优点及效果：

1、采用基于装配界面的机械装备装配训练方法及装置，可满足机械装备装配人员的课堂理论教学和装配训练；可完成装配步骤实训及装配过程中习惯性肢体动作和力学行为的养成训练，具体包括机械装备的装配工艺训练、钳工工艺实训、装配工具的使用实训。

2、采用基于装配界面的机械装备装配训练方法及装置，能够让学员清楚直观的了解机械装备的结构，在大规模使用过程中，能有效提高机械装备的装配人员的技能水平。

3、运用机械装置与虚拟现实技术、传感测试技术相结合的方法研制机械装备装配训练系统，突破了传统培训手段上的局限，克服了单纯虚拟现实技术或基于数据手套与虚拟现实结合技术的体验缺陷和行为习惯养成缺陷，提高了机械装备装配培训的效果,对机械行业装配工人的培训、考核及实际装配、检修工作等具有重要意义。

该机械装备装配训练方法与纯粹的虚拟现实和穿戴式虚拟现实装配相比，性价比高、体验度高、使用方便、装置结构简洁合理，系统稳定可靠，可大面积的推广。

附图说明

图1为本发明的机械装备虚拟装配系统界面层框图；

图2为本发明的机械装备虚拟装配系统装配培训原理图；

图3为本发明的机械装备虚拟装配系统体系结构框图。

具体实施方式：

首先结合附图对本发明做进一步的说明：

本发明是一种基于装配界面的机械装备装配训练方法，可以抽象的将与机械装备装配相关的装配人员、装配工具、要装配的相关零件等部件组成的系统定义为机械装备装配训练系统。如图1所示, 机械装备装配过程中，直接接受和测量装配操作的零部件或零部件局部结构与人员、工具的交互面抽象定义为装配界面。

受训工人通过机械装备的虚拟装配场景与实际装配行为相结合的方式，完成机械装备的装配步骤实训、装配工具使用培训及钳工工艺培训；该方法采用虚拟现实屏幕显示机械装备的装配场景、选择机械装备的装配步骤、确认机械装备及其零部件的当前空间位置；由专门的机械装置及其传感系统模拟的机械装备装配界面，接受和测量受训人员的肢体动作和力学行为，将测得数据传递给上位计算机，经上位计算机反馈给机械装备的虚拟装配场景。

所谓装配界面是指机械装备上用于接受来自于装配工人的肢体动作、力学行为或装配工具的力、力矩的零部件。

所述装配训练方法具体步骤如下：

a、装配工人开始装配训练时，首先调出机械装备虚拟装配系统，通过控件或菜单选择需要训练的装配步骤，系统调用和驱动相应装配界面的机械装置达到指定空间位置并开始接受来自于装配工人的肢体动作和力学行为；

b、装配工人徒手或运用钳工工具、装配工具，按照机械装备的装配技术要求对装配界面进行装配动作，并对装配界面发出适当的力、力矩和位移,此过程装配工人完成的是真实装配动作；

c、装配工人在装配训练时，通过视觉观察虚拟装配场景显示屏幕上的零部件空间位置变化并确认当前装配步骤是否完成；

d、装配工人在装配训练时，安装于装配界面上的力、力矩和位移等物理量感知传感器实时采集人作用于装配界面上的力、力矩和位移等物理信号，将其传递给上位计算机，经上位计算机计算,即基于虚拟装配场景软件得到当前装配步骤的完成情况，并将其反映到当前装配步骤的虚拟现实场景，展示给装配工人；

e、装配工人可以把每次机械装备的装配顺序、装配路径、工艺路线等过程进行信息保存或调出装配动画文件指导现场装配或教学。

本方法采用虚拟现实现实屏幕向装配工人实时显示装配状态。本方法完成虚拟场景与实际装配动作相结合的训练过程是基于肢体动作与力学行为采集的机械装备训练系统及虚拟装配场景软件实现。

A、对机械装备的装配界面进行归类分析：

1.螺栓力矩类界面；

2.搬运放置类界面；

3.轴线对中类界面；

4.螺纹攻丝类界面；

5.油污清理类界面；

6.记号采集类界面；

7.缝隙检查类界面；

8.油脂涂抹类界面；

9.重力支撑类界面；

10.管路线路连接类界面。

B、确定每一类的装配界面所需要采集的力学信号、位移信号和角度信号，明确相应的传感器，给出信号采集和通讯方案：

1.螺栓力矩类界面与信号采集

扳手信号采集传感器；

力矩扳手信号采集传感器；

螺栓方位控制信号采集传感器；

2.搬运放置类界面与信号采集

吊带绑缚信号采集传感器；

吊钩安装信号采集传感器；

吊运信号采集传感器；

对齐信号采集传感器；

水平测量信号采集传感器；

3.轴线对中类接口与信号采集传感器

4.螺纹攻丝类界面与信号采集

外螺纹校验信号采集传感器；

内螺纹校验信号采集传感器；

5.油污清理类界面与信号采集

油污清理信号采集传感器；

铁屑清理信号采集传感器；

毛刺清理信号采集传感器；

6.记号采集类界面与信号采集

编号过程信号采集传感器；

重要标识标记过程信号采集传感器；

检验记号涂抹过程信号采集传感器；

7.缝隙检查类界面与信号采集

齿轮啮合间隙检验信号采集传感器；

平面配合检验信号采集传感器；

跳动度检验信号采集传感器；

8.油脂涂抹类界面与信号采集

防锈漆涂装过程信号采集传感器；

润滑脂涂抹过程信号采集传感器；

9.重力支撑类界面与信号采集

千斤顶支撑和调整信号采集传感器；

装配工装放置和调整信号采集传感器；

10.管路连接类界面与信号采集

铜管弯转过程信号采集传感器；

管螺纹对接过程信号采集传感器；

装配工人按机械装备装配工艺手册指导开始进行装配训练时，首先启动界面装配训练系统软件，通过菜单或控件选择要训练的装配步骤；系统根据装配 步骤要求驱动对应装配界面的机械装置及其传感系统达到指定空间位置开始准备接收来自装配工人的肢体动作和力学行为信号；装配工人通过装配钳工工具或装配机械按照装配技术要求对其进行装配。装配界面上传感系统采集到的力学和位移信号实时传递给上位计算机。

C、按照系统总体设计、装配界面归类分析、信号采集和通讯方案设计的步骤，开发基于肢体动作和力学行为采集的机械装备装配训练系统及虚拟装配场景软件。

图3中，在CAD建模环境中，完成机械装备零件及钳工工具建模。通过定义配合约束关系，将这些零件组装在一起得到界面的装配模型。该建模装配过程只考虑机械装备中零部件的装配位置和约束关系，装配顺序、装配操作等过程暂不考虑。

在虚拟装配规划环境中，建立基于几何约束的虚拟装配环境和装配过程。装配工人根据装配工艺手册和经验在装配界面进行交互装配与拆卸，虚实结合完成真实装配操作。装配界面上的力学和位移传感器，实时采集装配界面上的力、力矩、位移等信号，并将信号传递给上位计算机，其中上位计算机接收传感信号，发出驱动信号给虚拟装配场景，展现完成状态的虚拟装配场景。系统自动记录装配方向、装配工具、螺纹攻丝、油污清理、重要记号标记、油漆涂抹等实际装配中应有的操作以及优先约束等信息。考虑碰撞干涉和工具操作空间限制等因素，对装配顺序和路径进行规划、评价和优化，最后生成经济、合理、实用的装配方案。

在装配教学环境中，装配工人可以先在虚拟环境中进行装配任务培训，充分熟悉机械装备的装配过程，然后再进行机械装备的实际装配。根据虚拟装配规划得到的优化装配方案，生成指导现场的工艺文件，开发出虚拟装配示教软件，仿真机械装备的动态装配过程，指导装配人员进行实际装配。

CAD接口：CAD系统输出的机械装备模型导入虚拟环境，提取几何、拓扑和装配关系信息。虚拟装配(VA)接口：虚拟环境下交互式规划得到机械装备的优化装配方案，相关的装配顺序、装配路径、工艺路线等过程信息应从虚拟环境中输出，输入到培训和示教模块，一方面用来生成装配动画文件指导现场装配，另一方面生成装配工艺文件。

D、设计装配界面的支架结构，设计装配界面的空间驱动方案。

所有装配界面均布置和安装于一个训练台框架结构上，在框架结构的一侧布置装配所需的钳工工具箱，把装有传感器的真实装配钳工工具按编号放置好。框架结构的另一侧为虚拟装配场景显示屏幕。系统启动后，装配工人可以先完成机械装备各部件的装配后再进行整机装配。装配工人在虚拟装配训练系统选择要训练的装配步骤，系统弹出该装配步骤涉及零件的虚拟模型，并置于虚拟场景；虚拟装配训练系统根据该装配步骤要求发送控制信号给伺服驱动装置，驱动该零件对应的装配界面运行到指定的空间位置。

E、将装配界面及其空间驱动装置、触感系统集成安装于支架结构，建立传感系统与上位计算机进行通讯联接，完成上位计算机采集的力学、位移信号与机械装备虚拟训练系统的数据集成，即完成基于装配界面的机械装备装配训练装置的集成开发。随后进行该装置的试制、调试与校准。

综上所述，本发明很好的解决了以往所存在的问题，利于推广应用。

Claims (1)

1.基于装配界面的机械装备装配训练方法,其特征在于:受训工人通过机械装备的虚拟装配场景与实际装配行为相结合的方式，完成机械装备的装配步骤实训、装配工具使用培训及钳工工艺培训；该方法采用虚拟现实屏幕显示机械装备的装配场景、选择机械装备的装配步骤、确认机械装备及其零部件的当前空间位置；由专门的机械装置及其传感系统模拟的机械装备装配界面，接受和测量受训人员的肢体动作和力学行为，将测得数据传递给上位计算机，经上位计算机反馈给机械装备的虚拟装配场景；

所谓装配界面是指机械装备上用于接受来自于装配工人的肢体动作、力学行为或装配工具的力、力矩的零部件；

所述装配训练方法具体步骤如下：

a、装配工人开始装配训练时，首先调出机械装备虚拟装配系统，通过控件或菜单选择需要训练的装配步骤，系统调用和驱动相应装配界面的机械装置达到指定空间位置并开始接受来自于装配工人的肢体动作和力学行为；

b、装配工人徒手或运用钳工工具、装配工具，按照机械装备的装配技术要求对装配界面进行装配动作，并对装配界面发出适当的力、力矩和位移,此过程装配工人完成的是真实装配动作；

c、装配工人在装配训练时，通过视觉观察虚拟装配场景显示屏幕上的零部件空间位置变化并确认当前装配步骤是否完成；

d、装配工人在装配训练时，安装于装配界面上的力、力矩和位移物理量感知传感器实时采集人作用于装配界面上的力、力矩和位移物理信号，将其传递给上位计算机，经上位计算机计算,即基于虚拟装配场景软件得到当前装配步骤的完成情况，并将其反映到当前装配步骤的虚拟装配场景，展示给装配工人；

e、装配工人可以把每次机械装备的装配顺序、装配路径、工艺路线过程进行信息保存或调出装配动画文件指导现场装配或教学；

装配界面的构建:

a、对机械装备的装配界面进行归类分析；

b、确定每一类的装配界面所需要采集的力学信号、位移信号和角度信号，明确相应的传感器，给出信号采集和通讯方案；

c、按照系统总体设计、装配界面归类分析、信号采集和通讯方案设计的步骤，开发基于肢体动作和力学行为采集的机械装备虚拟装配系统及虚拟装配场景软件；

在CAD建模环境中，完成机械装备零件及钳工工具建模；通过定义配合约束关系，将这些零件组装在一起得到界面的装配模型；该建模装配过程只考虑机械装备中零部件的装配位置和约束关系，装配顺序、装配操作过程暂不考虑；

d、设计装配界面的支架结构，设计装配界面的空间驱动方案；

所有装配界面均布置和安装于一个训练台框架结构上，在框架结构的一侧布置装配所需的钳工工具箱，把装有传感器的真实装配钳工工具按编号放置好；框架结构的另一侧为虚拟装配场景显示屏幕；系统启动后，装配工人可以先完成机械装备各部件的装配后再进行整机装配；装配工人在机械装备虚拟装配系统选择要训练的装配步骤，系统弹出该装配步骤涉及零件的虚拟模型，并置于虚拟场景；机械装备虚拟装配系统根据该装配步骤要求发送控制信号给伺服驱动装置，驱动该零件对应的装配界面运行到指定的空间位置；

e、将装配界面及其空间驱动装置、传感系统集成安装于支架结构，建立传感系统与上位计算机进行通讯联接，完成上位计算机采集的力学、位移信号与机械装备虚拟装配系统的数据集成，即完成基于装配界面的机械装备虚拟装配系统的集成开发；随后进行该装置的试制、调试与校准。