基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及機(jī)械裝備的技術(shù)領(lǐng)域，具體地說是一種基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法。
【背景技術(shù)】
[0002]對(duì)于大型復(fù)雜機(jī)械裝備，由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜、零部件多、體積大、重量大、安裝費(fèi)用高等諸多因素，造成裝配過程復(fù)雜、裝配費(fèi)用高昂。為了保證一線生產(chǎn)任務(wù)安全、保質(zhì)、保量、按時(shí)完成，通常不允許新入職的裝配工人直接投入到實(shí)際操作，需要經(jīng)過理論學(xué)習(xí)、技能培訓(xùn)和實(shí)際操作三步走才能正式上崗。隨著機(jī)械行業(yè)人才流動(dòng)加劇，使得裝配工人的培訓(xùn)任務(wù)越來越繁重。為了提高裝配操作的培訓(xùn)效果，最好的辦法是在機(jī)械裝備實(shí)物上進(jìn)行裝配訓(xùn)練，但這樣又會(huì)無形中提高實(shí)際操作培訓(xùn)的成本。為了解決該問題，培訓(xùn)市場(chǎng)上出現(xiàn)了虛擬裝配訓(xùn)練軟件，即利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)機(jī)械裝備裝配過程進(jìn)行培訓(xùn)。虛擬裝配訓(xùn)練軟件完全以計(jì)算機(jī)軟件模擬機(jī)械裝備的裝備過程，可讓裝配工人掌握機(jī)械裝備的裝配過程和裝配要點(diǎn)，但裝配工人得不到肢體訓(xùn)練。隨即一種將數(shù)據(jù)手套與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法出現(xiàn)，通過佩戴數(shù)據(jù)手套采集裝配工人的肢體動(dòng)作，將裝配工人的肢體動(dòng)作反映到虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的機(jī)械裝備裝配過程。該方法需要佩戴數(shù)據(jù)手套和頭盔等數(shù)據(jù)采集裝置，并且缺少力、力矩、空間位置以及工具使用等方面的直接體驗(yàn)，使訓(xùn)練過程脫離了真實(shí)的裝配體驗(yàn)。而且數(shù)據(jù)手套和頭盔等可穿戴裝備價(jià)格昂貴，無形中增加了機(jī)械裝備的裝配訓(xùn)練成本，在實(shí)際應(yīng)用中效果并不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]發(fā)明目的:
本發(fā)明提供一種基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法，其目的是解決以下問題:
1、以往機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練的理論教學(xué)不能滿足需求，而完全采用實(shí)物模擬培訓(xùn)方式又受到經(jīng)費(fèi)、場(chǎng)地等諸多因素的限制，培訓(xùn)手段的局限性使得傳統(tǒng)的裝配訓(xùn)練方法大面積推廣難度大、成本高。
[0004]2、以往裝配工人培訓(xùn)時(shí)間長、工人技能水平提升慢、培訓(xùn)成本高。而短期的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練，使裝配工人對(duì)裝配步驟、方法和手段記憶不清晰和技術(shù)得不到強(qiáng)化，往往會(huì)造成實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)裝錯(cuò)、裝配質(zhì)量不高、裝配慢等問題。
[0005]3、一些基于虛擬現(xiàn)實(shí)的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法，采用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行裝配工人培訓(xùn)，但純粹的基于軟件層面的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)真實(shí)體驗(yàn)度低，缺乏肢體動(dòng)作響應(yīng)或空間物理信號(hào)的感知，培訓(xùn)效果并不理想。
[0006]技術(shù)方案:
本發(fā)明提供一種基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法，該方法裝配訓(xùn)練開始時(shí)，首先啟動(dòng)機(jī)械裝備虛擬裝配軟件，通過控件或菜單調(diào)出所要訓(xùn)練裝配工步對(duì)應(yīng)的虛擬裝配場(chǎng)景，驅(qū)動(dòng)裝配界面裝置到達(dá)對(duì)應(yīng)的空間位置，開始接收來自于裝配人員通過肢體或裝配工具傳遞來的空間動(dòng)作和力學(xué)信號(hào)。裝配人員在裝配訓(xùn)練過程中，可通過虛擬現(xiàn)實(shí)顯示屏幕對(duì)部件的空間位置進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。此過程中，裝配人員完成了真實(shí)的裝配動(dòng)作，并向裝配訓(xùn)練裝置輸出真實(shí)的力學(xué)行為。與此同時(shí)作用在裝配界面上的力、力矩、位移、轉(zhuǎn)角等傳感器實(shí)時(shí)采集裝配界面上的力學(xué)信號(hào)和運(yùn)動(dòng)信號(hào)，并將傳感信號(hào)傳遞給上位計(jì)算機(jī)，經(jīng)上位計(jì)算機(jī)計(jì)算得到當(dāng)前裝配步驟的完成情況，并將其反映到當(dāng)前裝配步驟的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，展示給裝配工人。
[0007]基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法，其特征在于:受訓(xùn)工人通過機(jī)械裝備的虛擬裝配場(chǎng)景與實(shí)際裝配行為相結(jié)合的方式，完成機(jī)械裝備的裝配步驟實(shí)訓(xùn)、裝配工具使用培訓(xùn)及鉗工工藝培訓(xùn);該方法采用虛擬現(xiàn)實(shí)屏幕顯示機(jī)械裝備的裝配場(chǎng)景、選擇機(jī)械裝備的裝配步驟、確認(rèn)機(jī)械裝備及其零部件的當(dāng)前空間位置；由專門的機(jī)械裝置及其傳感系統(tǒng)模擬的機(jī)械裝備裝配界面，接受和測(cè)量受訓(xùn)人員的肢體動(dòng)作和力學(xué)行為，將測(cè)得數(shù)據(jù)傳遞給上位計(jì)算機(jī)，經(jīng)上位計(jì)算機(jī)反饋給機(jī)械裝備的虛擬裝配場(chǎng)景。
[0008]所謂裝配界面是指機(jī)械裝備上用于接受來自于裝配工人的肢體動(dòng)作、力學(xué)行為或裝配工具的力、力矩的零部件。
[0009]所述裝配訓(xùn)練方法具體步驟如下:
a、裝配工人開始裝配訓(xùn)練時(shí)，首先調(diào)出機(jī)械裝備虛擬裝配系統(tǒng)，通過控件或菜單選擇需要訓(xùn)練的裝配步驟，系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)相應(yīng)裝配界面的機(jī)械裝置達(dá)到指定空間位置并開始接受來自于裝配工人的肢體動(dòng)作和力學(xué)行為；
b、裝配工人徒手或運(yùn)用鉗工工具、裝配工具，按照機(jī)械裝備的裝配技術(shù)要求對(duì)裝配界面進(jìn)行裝配動(dòng)作，并對(duì)裝配界面發(fā)出適當(dāng)?shù)牧?、力矩和位移，此過程裝配工人完成的是真實(shí)裝配動(dòng)作；
c、裝配工人在裝配訓(xùn)練時(shí)，通過視覺觀察虛擬裝配場(chǎng)景顯示屏幕上的零部件空間位置變化并確認(rèn)當(dāng)前裝配步驟是否完成；
d、裝配工人在裝配訓(xùn)練時(shí)，安裝于裝配界面上的力、力矩和位移等物理量感知傳感器實(shí)時(shí)采集人作用于裝配界面上的力、力矩和位移等物理信號(hào)，將其傳遞給上位計(jì)算機(jī)，經(jīng)上位計(jì)算機(jī)計(jì)算，即基于虛擬裝配場(chǎng)景軟件得到當(dāng)前裝配步驟的完成情況，并將其反映到當(dāng)前裝配步驟的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，展示給裝配工人；
e、裝配工人可以把每次機(jī)械裝備的裝配順序、裝配路徑、工藝路線等過程進(jìn)行信息保存或調(diào)出裝配動(dòng)畫文件指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)裝配或教學(xué)。
[0010]裝配界面的構(gòu)建:
a、對(duì)機(jī)械裝備的裝配界面進(jìn)行歸類分析；
b、確定每一類的裝配界面所需要采集的力學(xué)信號(hào)、位移信號(hào)和角度信號(hào)，明確相應(yīng)的傳感器，給出信號(hào)采集和通訊方案；
c、按照系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)、裝配界面歸類分析、信號(hào)采集和通訊方案設(shè)計(jì)的步驟，開發(fā)基于肢體動(dòng)作和力學(xué)行為采集的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練系統(tǒng)及虛擬裝配場(chǎng)景軟件；
在CAD建模環(huán)境中，完成機(jī)械裝備零件及鉗工工具建模;通過定義配合約束關(guān)系，將這些零件組裝在一起得到界面的裝配模型;該建模裝配過程只考慮機(jī)械裝備中零部件的裝配位置和約束關(guān)系，裝配順序、裝配操作等過程暫不考慮；
d、設(shè)計(jì)裝配界面的支架結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)裝配界面的空間驅(qū)動(dòng)方案； 所有裝配界面均布置和安裝于一個(gè)訓(xùn)練臺(tái)框架結(jié)構(gòu)上，在框架結(jié)構(gòu)的一側(cè)布置裝配所需的鉗工工具箱，把裝有傳感器的真實(shí)裝配鉗工工具按編號(hào)放置好;框架結(jié)構(gòu)的另一側(cè)為虛擬裝配場(chǎng)景顯示屏幕;系統(tǒng)啟動(dòng)后，裝配工人可以先完成機(jī)械裝備各部件的裝配后再進(jìn)行整機(jī)裝配;裝配工人在虛擬裝配訓(xùn)練系統(tǒng)選擇要訓(xùn)練的裝配步驟，系統(tǒng)彈出該裝配步驟涉及零件的虛擬模型，并置于虛擬場(chǎng)景;虛擬裝配訓(xùn)練系統(tǒng)根據(jù)該裝配步驟要求發(fā)送控制信號(hào)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置，驅(qū)動(dòng)該零件對(duì)應(yīng)的裝配界面運(yùn)行到指定的空間位置；
e、將裝配界面及其空間驅(qū)動(dòng)裝置、觸感系統(tǒng)集成安裝于支架結(jié)構(gòu)，建立傳感系統(tǒng)與上位計(jì)算機(jī)進(jìn)行通訊聯(lián)接，完成上位計(jì)算機(jī)采集的力學(xué)、位移信號(hào)與機(jī)械裝備虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成，即完成基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練裝置的集成開發(fā);隨后進(jìn)行該裝置的試制、調(diào)試與校準(zhǔn)。
[0011]優(yōu)點(diǎn)及效果:
1、采用基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法及裝置，可滿足機(jī)械裝備裝配人員的課堂理論教學(xué)和裝配訓(xùn)練;可完成裝配步驟實(shí)訓(xùn)及裝配過程中習(xí)慣性肢體動(dòng)作和力學(xué)行為的養(yǎng)成訓(xùn)練，具體包括機(jī)械裝備的裝配工藝訓(xùn)練、鉗工工藝實(shí)訓(xùn)、裝配工具的使用實(shí)訓(xùn)。
[0012]2、采用基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法及裝置，能夠讓學(xué)員清楚直觀的了解機(jī)械裝備的結(jié)構(gòu)，在大規(guī)模使用過程中，能有效提高機(jī)械裝備的裝配人員的技能水平。
[0013]3、運(yùn)用機(jī)械裝置與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、傳感測(cè)試技術(shù)相結(jié)合的方法研制機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練系統(tǒng)，突破了傳統(tǒng)培訓(xùn)手段上的局限，克服了單純虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)或基于數(shù)據(jù)手套與虛擬現(xiàn)實(shí)結(jié)合技術(shù)的體驗(yàn)缺陷和行為習(xí)慣養(yǎng)成缺陷，提高了機(jī)械裝備裝配培訓(xùn)的效果，對(duì)機(jī)械行業(yè)裝配工人的培訓(xùn)、考核及實(shí)際裝配、檢修工作等具有重要意義。
[0014]該機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法與純粹的虛擬現(xiàn)實(shí)和穿戴式虛擬現(xiàn)實(shí)裝配相比，性價(jià)比高、體驗(yàn)度高、使用方便、裝置結(jié)構(gòu)簡潔合理，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，可大面積的推廣。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明的機(jī)械裝備虛擬裝配系統(tǒng)界面層框圖；
圖2為本發(fā)明的機(jī)械裝備虛擬裝配系統(tǒng)裝配培訓(xùn)原理圖；
圖3為本發(fā)明的機(jī)械裝備虛擬裝配系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖。
[0016]【具體實(shí)施方式】:
首先結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說明:
本發(fā)明是一種基于裝配界面的機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練方法，可以抽象的將與機(jī)械裝備裝配相關(guān)的裝配人員、裝配工具、要裝配的相關(guān)零件等部件組成的系統(tǒng)定義為機(jī)械裝備裝配訓(xùn)練系統(tǒng)。如圖1所示，機(jī)械裝備裝配過程中，直接接受和測(cè)量裝配操作的零部件或零部件局部結(jié)構(gòu)與人員、工具的交互面抽象定義為裝配界面。
[0017]受訓(xùn)工人通過機(jī)械裝備的虛擬裝配場(chǎng)景與實(shí)際裝配行為相結(jié)合的方式，完成機(jī)械裝備的裝配步驟實(shí)訓(xùn)、裝配工具使用培訓(xùn)及鉗工工藝培訓(xùn)；該方法采用虛擬現(xiàn)實(shí)屏幕顯示機(jī)械裝備的裝配場(chǎng)景、選擇機(jī)械裝備的裝配步驟、確認(rèn)機(jī)械裝備及其零部件的當(dāng)前空間位置；由專門的機(jī)械裝置及其傳感系統(tǒng)模擬的機(jī)械裝備裝配界面，接受和測(cè)量受訓(xùn)人員的肢體動(dòng)作和力學(xué)行為，將測(cè)得數(shù)據(jù)傳遞給上位計(jì)算機(jī)，經(jīng)上位計(jì)算機(jī)反饋給機(jī)械裝備的虛擬裝配場(chǎng)景。
[0018]所謂裝配界面是指機(jī)械裝備上用于接受來自于裝配工人的肢體動(dòng)作、力學(xué)行為或裝配工具的力、力矩的零部件。
[0019]所述裝配訓(xùn)練方法具體步驟如下:
a、裝配工人開始裝配訓(xùn)練時(shí)，首先調(diào)出機(jī)械裝備虛擬裝配系統(tǒng)，通過控件或菜單選擇需要訓(xùn)練的裝配步驟，系統(tǒng)調(diào)用和驅(qū)動(dòng)相應(yīng)裝配界面的機(jī)械裝置達(dá)到指定空間位置并開始接受來自于裝配工人的肢體動(dòng)作和力學(xué)行為；
b、裝配工人徒手或運(yùn)用鉗工工具、裝配工具，按照機(jī)械裝備的裝配技術(shù)要求對(duì)裝配界面進(jìn)行裝配動(dòng)作，并對(duì)裝配界面發(fā)出適當(dāng)?shù)牧?、力矩和位移，此過程裝配工人完成的是真實(shí)裝配動(dòng)作；
c、裝配工人在裝配訓(xùn)練時(shí)，通過視覺觀察虛擬裝配場(chǎng)景顯示屏幕上的零部件空間位置變化并確認(rèn)當(dāng)前裝配步驟是否完成；
d、裝配工人在裝配訓(xùn)練時(shí)，安裝于裝配界面上的力、力矩和位移等物理量感知傳感器實(shí)時(shí)采集人作用于裝配界面上的力、力矩和位移等物理信號(hào)，將其傳遞給上位計(jì)算機(jī)，經(jīng)上位計(jì)算機(jī)計(jì)算，即基于虛擬裝配場(chǎng)景軟件得到當(dāng)前裝配步驟的完成情況，并將其反映到當(dāng)前裝配步驟的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，展示給裝配工人；
e、裝配工人可以把每次機(jī)械裝備的裝配順序、裝配路徑