噴釉機(jī)器人工作站虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

王墨羽，汪建曉*，秦 磊

（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，廣東佛山528000；2.佛山市新鵬機(jī)器人技術(shù)有限公司，廣東佛山528200）

近年來，隨著國內(nèi)陶瓷加工裝備的日漸完善以及工業(yè)機(jī)器人的普及，許多新的陶瓷加工裝備應(yīng)運(yùn)而生。在陶瓷生產(chǎn)中陶瓷的施釉工藝采用最普遍的方法是噴釉法［1］。傳統(tǒng)陶瓷噴釉工藝大部分采用效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作環(huán)境差、施釉質(zhì)量不穩(wěn)定的人工操作，這樣的工藝流程嚴(yán)重制約了陶瓷成品的質(zhì)量與檔次，不能滿足人們對(duì)于精致陶瓷制品的需求，從而影響國內(nèi)陶瓷產(chǎn)業(yè)的市場競爭力。噴釉機(jī)器人作為能夠高效高質(zhì)量完成施釉工藝的裝備應(yīng)運(yùn)而生，使用機(jī)械手臂進(jìn)行噴釉，可以避開人工噴釉的種種弊端，從而可以獲得精致陶瓷品，滿足人們對(duì)品質(zhì)的高要求。噴釉機(jī)器人的應(yīng)用標(biāo)志著陶瓷裝備行業(yè)在生產(chǎn)自動(dòng)化領(lǐng)域向前邁進(jìn)了一步。

隨著國內(nèi)一些優(yōu)秀的陶瓷裝備生產(chǎn)企業(yè)的發(fā)展，我國企業(yè)根據(jù)國情與陶瓷行業(yè)發(fā)展需求自主研發(fā)了施釉機(jī)器人工作站，它主要包括噴釉機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺(tái)及除塵柜，如圖1所示。因其價(jià)格經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，噴釉效果好，產(chǎn)品在國內(nèi)供不應(yīng)求并銷售到東南亞等地區(qū)。在安裝陶瓷裝備的過程中會(huì)遇到很多現(xiàn)實(shí)問題，如施工人手不充裕、新員工對(duì)于設(shè)備裝配細(xì)節(jié)不熟悉、現(xiàn)場環(huán)境處理不熟悉會(huì)導(dǎo)致裝配設(shè)備過程中遇到許多不必要的麻煩,虛擬裝配技術(shù)可以幫助企業(yè)解決這些問題。本文以噴釉機(jī)器人工作站為例，探討虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)框架設(shè)計(jì)。

圖1 噴釉機(jī)器人與除塵柜

1 虛擬裝配技術(shù)簡介

1.1 虛擬裝配的基本定義

按照國標(biāo)GB/T 26101-2010中定義，虛擬裝配（virtual assembly）指的是對(duì)裝配建模所形成的裝配模型進(jìn)行裝配分析與模擬的過程［2］。通過現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)裝配的虛擬化，使得裝配這一需要不斷重復(fù)與訓(xùn)練的行為能夠在不占用過多空間，更加節(jié)省體力的情況下進(jìn)行，為企業(yè)節(jié)省在該領(lǐng)域所耗費(fèi)的財(cái)力物力，縮短受訓(xùn)者的受訓(xùn)時(shí)間從而達(dá)到更好的訓(xùn)練效果。

1.2 虛擬裝配仿真的一般流程

（1）場景建立。場景建立是指整理數(shù)據(jù)為虛擬裝配的場景進(jìn)行搭建。

（2）場景初始化。場景初始化是指整合裝配體的三維模型數(shù)據(jù)、虛擬環(huán)境模型數(shù)據(jù)和虛擬裝配者模型數(shù)據(jù)，建立虛擬裝配仿真環(huán)境。

（3）虛擬裝配操作過程仿真。虛擬裝配操作過程仿真在虛擬現(xiàn)實(shí)交互硬件的輔助下，完成裝配者對(duì)虛擬物的裝配和拆卸練習(xí)，并且在虛擬裝配的訓(xùn)練中采集裝配行為特征信息，整理特征信息并應(yīng)用于裝配過程分析與規(guī)劃使用。

1.3 相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域

1.3.1 水電站機(jī)電安裝施工中虛擬裝配

水電站機(jī)電安裝施工工程是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，具有工序復(fù)雜性的特點(diǎn)，且施工過程中交叉作業(yè)較多，因此需要借助虛擬裝配技術(shù)來完成這些復(fù)雜、高難度的施工作業(yè)［3］。

在虛擬裝配技術(shù)的幫助下，安全完成水電站機(jī)電安裝施工工程，可以對(duì)施工中需要調(diào)配的各項(xiàng)資源進(jìn)行科學(xué)的安排，令整個(gè)過程簡單有序，大大提高經(jīng)濟(jì)收益。該技術(shù)的應(yīng)用可以很好地模擬水電站工作原理以及工作狀況，但缺少培訓(xùn)與教學(xué)模塊［3］。

1.3.2 定制家具產(chǎn)品的虛擬裝配

傳統(tǒng)的家具制造比較少用到可視化的技術(shù)工具來進(jìn)行家具的生產(chǎn)加工，整個(gè)行業(yè)非常依賴人工完成家具裝配工藝如排鉆、封邊、打磨等工藝，這種方式受制于工人的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)水平。在目前需要大規(guī)模生產(chǎn)與高度定制化的市場現(xiàn)狀下［4］，大規(guī)模定制方式成為應(yīng)運(yùn)而生，由此定制家具的虛擬裝配技術(shù)全面使用。這樣的方式可以使得復(fù)雜抽象的工藝流程具體化、形象化。

1.3.3 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是培養(yǎng)學(xué)生工程素質(zhì)及綜合素質(zhì)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課程，在基礎(chǔ)課與專業(yè)課之間起到承上啟下的重要作用，以培養(yǎng)學(xué)生的綜合能力、創(chuàng)新能力以及工程實(shí)踐能力作為課程的目標(biāo)［5］，該門課程對(duì)于機(jī)械等相關(guān)專業(yè)學(xué)生非常重要。傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與授課方式受限于實(shí)驗(yàn)場地面積、設(shè)備數(shù)量等因素，對(duì)教師與學(xué)生的教學(xué)和學(xué)習(xí)質(zhì)量在一定程度上造成了很大的影響，而設(shè)計(jì)開發(fā)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以很好地解決這些問題［6］。

2 噴釉機(jī)器人工作站虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

2.1 虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)搭建

基于新鵬機(jī)器人技術(shù)有限公司的實(shí)際情況，結(jié)合噴釉機(jī)器人工作站的裝配需求進(jìn)行虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)成一個(gè)可基于互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)且擁有訓(xùn)練與考核體系的虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)，使得不管是在車間的裝配工人，還是在各個(gè)項(xiàng)目現(xiàn)場的裝配工人均能不受時(shí)間與空間的約束，只要計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)或者手機(jī)聯(lián)網(wǎng)就能隨時(shí)隨地進(jìn)行裝配訓(xùn)練與學(xué)習(xí)。平臺(tái)功能主要包括在線虛擬裝配教學(xué)、虛擬裝配練習(xí)、裝配注意事項(xiàng)提醒、錯(cuò)誤操作原因分析以及平臺(tái)管理功能，平臺(tái)的功能架構(gòu)如圖2所示。在線虛擬裝配教學(xué)主要按照公司研發(fā)部門制定的裝配圖進(jìn)行傳授，通過動(dòng)畫演示與提示告知工人如何正確裝配噴釉機(jī)器人及其組件，主要包括噴釉機(jī)器人結(jié)構(gòu)與功能演示、通用零件認(rèn)知、裝配順序示范與現(xiàn)場安裝注意事項(xiàng)等［7］。該平臺(tái)使用對(duì)象為研發(fā)工程師、工程部裝配工人，以及管理員?？紤]到實(shí)際工作中，裝配工人往往不是每人都能使用電腦，所以在該平臺(tái)有基于萬維網(wǎng)的基礎(chǔ)上，同樣也需要開發(fā)出適配手機(jī)的客戶端，方便裝配工人在工廠與施工現(xiàn)場使用。

圖2 噴釉機(jī)器人工作站虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)功能架構(gòu)

通過該虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)的3個(gè)功能模塊，可以擺脫噴釉機(jī)器人工作站在裝配訓(xùn)練方面遇到的時(shí)間空間的限制，使相關(guān)受訓(xùn)人員能夠接受系統(tǒng)的培訓(xùn)與循序漸進(jìn)的訓(xùn)練考核，達(dá)到平臺(tái)設(shè)計(jì)的目的，為企業(yè)解決培訓(xùn)裝配工作中遇到的阻礙。

2.2 具體虛擬裝配功能

受訓(xùn)員工通過對(duì)應(yīng)網(wǎng)頁與手機(jī)客戶端觀看視頻與演示動(dòng)畫完成噴釉機(jī)器人工作站虛擬裝配的教學(xué)內(nèi)容，其具體功能如下。

（1）通過操作網(wǎng)頁與手機(jī)客戶端上的功能模塊來實(shí)現(xiàn)噴釉機(jī)器人工作站零部件的選擇縮放比例。

（2）通過手指點(diǎn)擊相應(yīng)功能按鈕可實(shí)現(xiàn)噴釉機(jī)器人及相關(guān)裝配件的組裝與拆卸演示［8］。

（3）接受完裝配教學(xué)任務(wù)后，受訓(xùn)者按照虛擬裝配演示的正確流程與注意事項(xiàng)拖拽相應(yīng)零部件到虛擬環(huán)境，完成噴釉機(jī)器人及相關(guān)組件的組裝，訓(xùn)練平臺(tái)對(duì)受訓(xùn)者在該過程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤安裝操作進(jìn)行文字與語音提示。

（4）在自由訓(xùn)練階段，受訓(xùn)者可以詳細(xì)了解噴釉機(jī)器人工作站的各部件信息，訓(xùn)練平臺(tái)會(huì)通過文字提示，來告知受訓(xùn)者包含零部件名稱、代號(hào)、材質(zhì)與備注，如圖3所示。

圖3 手指點(diǎn)擊零件后顯示信息

（5）通過手指操作，點(diǎn)選測量按鈕可顯示固定位置的水平與垂直參數(shù)。

2.3 虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)的設(shè)計(jì)步驟

虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)是在線培訓(xùn)與考核的基礎(chǔ)框架，采用B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型［9］，如圖4所示，并使用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行瀏覽，虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)流程如圖5所示。其具體步驟流程如下。

圖4 B/S網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)模型

圖5 虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)設(shè)計(jì)流程

（1）以噴釉機(jī)器人虛擬裝配培訓(xùn)考核為開發(fā)對(duì)象，分析其裝配流程與裝配注意事項(xiàng)，細(xì)化步驟，完成受訓(xùn)者的需求分析。

（2）根據(jù)受訓(xùn)者的需求分析，對(duì)虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)進(jìn)行整體架構(gòu)設(shè)計(jì)、功能邏輯層設(shè)計(jì)和具體的功能設(shè)計(jì)，完成平臺(tái)結(jié)構(gòu)體系的搭建。

（3）將噴釉機(jī)器人工作站的SolidWorks的圖紙進(jìn)行轉(zhuǎn)化，導(dǎo)出FBX格式文件，運(yùn)用3Dsmax軟件進(jìn)行貼圖渲染與動(dòng)畫制作，再使用Unity3D軟件對(duì)模型數(shù)據(jù)進(jìn)行編輯與構(gòu)建。

（4）完成虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)詳細(xì)功能模塊設(shè)計(jì)，包括教學(xué)模塊、訓(xùn)練模塊、裝配過程中的注意錯(cuò)誤操作原因分析以及平臺(tái)管理維護(hù)功能。

（5）進(jìn)行虛擬裝配3D模型的構(gòu)建，利用Unity3D等軟件完成各零件模型的三維重建與平臺(tái)操作的交互設(shè)計(jì)。

（6）完成虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)中的3大功能集成測試，并測試其平臺(tái)是否能在互聯(lián)網(wǎng)與手機(jī)客戶端上運(yùn)行。

3 小結(jié)

基于Unity3D的噴釉機(jī)器人虛擬裝配訓(xùn)練平臺(tái)，擁有從裝配教學(xué)到訓(xùn)練考核連貫的功能設(shè)計(jì)，基本可以滿足新鵬機(jī)器人公司實(shí)際培訓(xùn)裝配的需求，改變了傳統(tǒng)傳授模式，盡可能地規(guī)避人在操作過程中的不確定性問題，充分利用目前最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，優(yōu)化虛擬裝配過程中的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，擺脫時(shí)間空間對(duì)于裝配學(xué)習(xí)的制約。從而調(diào)動(dòng)員工學(xué)習(xí)的積極性，提升學(xué)習(xí)效率。不過在虛擬裝配訓(xùn)練系統(tǒng)的實(shí)施細(xì)節(jié)、考核制度上需要進(jìn)一步優(yōu)化完善，消除員工在使用該平臺(tái)時(shí)的不適應(yīng)心理。另外在完善該平臺(tái)后，需考慮如何更加便捷地導(dǎo)入其他裝備模型以擴(kuò)大該平臺(tái)的使用范圍。