平板电脑在三维可视化装配中的应用.docx

文 章 编 号 ：（）平板电脑在三维可视化装配中的应用 张 梦 清 ，杨 建 军（北京航空航天大 学 机械工程及自动化学院 ，北 京 ）媒 体表现能力和网络功能 平板电脑具有无线功能 和 宽 大 的高 分辨 率显示 屏 ，适 合 向 具 体 机 器的操作人员提供可视化或者动 画 的 工 作 指 令 ，甚 至 能 够 实 时 更 新 这 些 指 令 ，如 果 这些 指令有变化的话 由 于 无 线 网 络 和 板 上 视 频 功 能 以 及 地 理 参 考 信 息 等 高 端 功 能 ，平板电脑能够引导 工 人 及 时 到 生 产 线 或 者 仓 库 中 发 生 问 题 的 地 方 工 人 能 够 使 用 平 板 电脑记录发生这些问题的视频 ，并且 把 视 频 发 送 到 企 业 办 公 室 ，以 便 更 有 效 地 排 除故 障 新 一 代 平 板 电 脑 进 入 制 造 企 业 才 刚 刚 开 始 ，目 前 对于工业应用 还 有 许 多 局 限 性 年 ，移 动 应 用 销 售 额 达 到 了 亿 美 元 ，呈 年 年 攀 升 的 势 态 在 及 应 用 商 店 上 ，我 们 几 乎 可 以 找 到 所 有 所 需 的 应 用 其通用型应用发展相当 好 ，但 同 时 期 的 企 业 移 动 应 用 发 展 却 不 甚 理 想 大 多 数企业都有足够的资源与 意 愿 来 打造 企业 内部移 动 应 用 ，但 市 面 上 并没有一个明确的企业应用开发 策 略 有 些 企 业 执 着 于 打 造 适 合 企 业 内 部 的 专 有 应 用 ，而 另 一 些 企 业 则认为选用通用型应用并稍作调 整 是 更 好 的 选 择 此 外 ，就如何分配应用及保障应 用 的 安 全 ，目 前 也 没 有 最 优 的 做 法 针对目前国内的大多数 研 究 还 不能 满足 复杂产 品 装 配 现 场 数 据 集 成 化 、过程实时可视化和精确化 的 要 求 ，本文以离散装 配 制 造企 业为背景 ，深 入 分 析 产 品 装 配 流 程 ，研 究三维可视化在装配车间现场应 用 的 系 统 功 能 点 ，建立基于装配任务的产品实例信 息 模 型（支持三维实例 信 息 按照 产品 、工 艺 、组 织 、资 源 进 行 表 达 ），同时借助平板 电 脑 通 过装 配过 程中的 零 件 物 料 确 认 、照 相及测量等装配操作事件驱动装 摘 要 ： 针对装配车间现场对于移 动 应 用 、过 程 控制 、物 料 追 踪 、数 据 采 集 、质 量 管 理 等 方 面 的 需 求 ，深 入 分 析 离 散型企业的装配流程 ，研究基于平板电脑的三维 可 视 化 在 装 配车间现场应用的关键技术 ，提出了基于平板电 脑 和 轻 量 化三维模型的 装 配过程管理应用解决方案 在 此 基 础 上 开 发的系统在某航空企业复杂产品上进行了应用验证 关 键 词 ： 平 板 电 脑 ；装 配 过 程 管 理 ；轻 量 化 模 型 ；移 动 数 据 库中 图 分 类 号 ： 文 献 标 识 码 ： ：引言三 维 可 视 化 技 术 不 仅 仅 是 产 品 的 轻 量 化 模型 的 展 示 ，更 重 要 的是将产品装配 过程中涉及到的 全 部 数 据 信 息 完 整 地 与 模 型 整 合 ，从 而 严 格 控 制 装 配 过 程 的 运 行 ，保 证 装 配 质 量然 而 目 前国内 的大多数研 究 成果仍集 中 在装配工艺设计和装 配 车 间 看 板 技 术 上 ，而缺乏对产品 装配过程中的装 配 实 例 数 据 动 态 演 变 过 程 的 研 究 ，缺少基于移动终 端 的 应 用 ，装配数据管理 和过程管理相脱节 以、 和 为 代 表 的 新 一 代 平 板 电 脑 的 出 现 ，改变了 我们获取和处理 信 息 的 方 式 ，让我们可以 随时随地浏览视频 ，阅 读 电子 文 档 ，交 流 互 动 和 台 式 电 脑 相 比 ，平 板 电 脑 更 加 轻 薄 ，携 带 方 便 它 采 用 触 屏 交 互 方 式 ，用 户 通 过 简单 的 手 势 就 可 实 现 人 性 化 的 操 作 ，还具有丰富的多 收 稿 日 期 ：作 者 简 介 ：张 梦 清 （），男 ，湖 南 吉 首 人 ，硕 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方向为计算机集成制造 ，企 业 信 息 化 成组技术与生产现代化 年 第 卷 第 期配 仿 真 模 型 ，提 供 可 视 化 指 导 ，并最终开发装配现场 管 理 系 统 ，实现对企业车 间现场的管理和监控 础 的 界 面 ）的 交 互 方 式 很 难在移动计算环境中取得 良 好 的 效 果 传 统 界 面 的 主 要 限 制 在 于 ，要 求 用 户 在 交 互 过 程 中给出显式的精确命令 ，而 且 交 互过 程中的信息交换绝大多数 都 是 通 过用 户的 手和眼 睛 两 个 通 道 完 成 的 在 桌 面 计 算 （ ）中 ，这 种 交 互 模 式 的 弊 端 已 经 限 制 了 交 互 的 自 然 性 和 效 率 ；而 在 手 持 移 动 计 算 环 境 中 ，其 影 响 将 更加 明 显 首 先 是 交 互 效 率 的 下 降 由于手持移动设 备 自身物理尺寸的限制 ，鼠 标 、键 盘 等 最 常 用 的 交 互工 具 无 法 使 用 ，信 息 输 入 效 率 受 到 明 显 限 制 与 此 同 时 ，过 小 的 屏 幕 给信息的反馈呈现和浏览造成了 困 难 与 交 互 效 率 降 低 并存的是自然性的限制 ，用 户 采 用 指 点 方 式 在过小的屏幕上进行点击 、选 择 等精 确 操 作 的 过 程 严重增加了认知负担 ，容 易 导 致 用户 的 急 躁 、厌 烦 心 理 因 此 ，提 高 移 动 系 统 人 机 交 互 的 效 率 和 自 然 性 ，是手持移动应用模式发展的重点 之 一 如 今 伴 随 着 平 板 电脑的不断发展和完善 ，平 板 电 脑 自 身的人机交互效率 和 自 然 性 已 经 大 大 提高 ，所 以 本 课 题 组 的目标就是设计出符合人机交互 自 然性和高效率的移动软件 应 用 系 统 在 装 配 现 场 ，携 带 平 板 电 脑 的 装 配 工 人 能 够 随 时 跟踪关键的指标 ，获 取 自 己 的 装 配 任 务 ，在 平 板 电脑 上 查 看 清 单 、浏 览 装 配 工 艺 规 程 、观 看 三 维 轻 模 型 动 画 、采 集 装 配 数 据 、填写装试记录卡 、反 馈数 据 等 在 使 用 平 板 电 脑 前 ，工人们必须拿着厚厚 的 纸质的装配工艺规程 ，一 页 一 页 地 翻 看 ，必 须 使 用笔 填 写 装 试 记 录 卡 ，以后 再重新把信息输入到 ，整 个 过 程 复 杂 拖 沓 ，效 率 非 常 低 新 一 代 平 板 电 脑 在 制 造 业 的 应 用 还 不 够 成 熟 ，还有很多不完善的地 方 ，安 全 性 就 是 问 题 之 一 由于航空制造企业保密 要 求 的 特 殊 性 ，无 线网络怎么在安全不泄密的情况 下 使 用 ，就是平板电脑 推 广 使用 的桎梏 ；还 有 平 板 电 脑 能 否 适 应 制 造 业特殊的工作环境 ，平 板 电 脑 怎 样跟 集 成 使 用 等 等 问 题 ，都是平板电脑在制造 业 中 进入 实 际 应用需要解决 的 问 题 图 所 示 为 基 于 平板电脑的装配过程管理 操 作 流 程 装配过程管理系统的功能模型 装 配 车 间 是 制 造 企 业 的 具 体 执 行 单 元 ，是 企 业数 据 流 和 控 制 流 的 汇 集 点对 于 手 工 作 业 为 主 的 离 散 型 装 配 企 业 来 说 ，装 配过程呈现出动态性 、随 机性 和 复 杂 性 的 特 点 ，装配数据伴随 着装配过程的进 行 而 不 断 变 化 如 果 不 对 这 些 变 化 进行有效的记录 和 集 成 管 理 ，必 将 导致装配过程管 理和装配数据管 理 之 间 关 系 松 散 ，装配数据记录与 装配过程执行相 分 离 ，数 据 难 以 追 溯 在 企 业 车 间 现 场 实 现 三 维 可 视 化 装 配 ，除 了 保 证 产 品 工 艺 信 息 的 准 确 性 ，还要保 证装配过程中每 个 装 配 任 务 涉 及 的 装 配 物 料 、工 装 辅 料 、数 据 采 集 、检 验 等 过 程 信 息 的 可 监 控 性 与 完 整 性 因 此 ，装 配 车间 现场管理系 统 的功能主 要 应包括可视化装配实 例 数 据 管 理 、装 配 过 程 控 制 两 个 方 面 其 中 ：可 视 化 实 例 数 据 管 理 包 括 三 维 工 艺 信 息 、装 配 物 料 履 历 、装配 进 度 跟 踪 等 ；装配过程 控制包括装配可视化指导 、装 配 物 料 确 定 、实 测 数 据 采 集 、工 人 任 务 反 馈 等 （见图 ）图 装配实例功能模型图 移动数据库技术 将 装 配 系 统 中 的 过 程 管 理 模 块 移 植 到 移 动 智 能 设 备 上 ，首 先 需 要 设 计 小 巧 、灵 活 且 满 足 原 有系 统 数 据 结 构 的 数 据 库 课题组在移动平板电脑 上 ，采 用 公 司 的 移 动 数 据 库 作 为 移 动 装 配 系 统 的 数 据 库 典 型 的 基于平板电脑装配过程管理的关键技术 基 于 平 板 电 脑 的 人 机 交 互 模 式手 持 设 备 自 身的 物 理 特 征 决定了纯粹基于 界 面（即 以 窗 口 、图 标 、菜 单 和 指 点 工 具 为 基， 先进制造工艺技术 这 些 属 性 和 方 法 进 行 了 修 改 ，使其满足移动数据库 的 要 求 由于移动数据库在设计 中 存 在 着诸 多传 统分布 式 数 据 库 系 统 中 不需要考虑的问题 ，如 客 户 端 的 移 动 、客 户 端 与 网 络 的 频 繁 断 接 等 ，因 此 兼 容 性 好 、反应 迅 速 的 数 据 库 同 步 就 显 得 尤 其 重 要 课 题 组 原 有 的 装 配 系 统 采 用 的 是 数 据 库 底 层 数据 本 文 中 的 数 据 同 步 主 要 指 数 据 库 与 的 数 据 库 的 数 据 同 步 ，以 及 防 止 冲 突 的 实 现 手 段 本 文 采 用 的 的 与 设 计 同 步 的 方 法 解 决同 步 问 题 首 先 ，我 们 运 用 建 立 同 步 模 型 ，将 端 数 据 库 设 置 为 统 一 数 据 源 ，移 动 数 据 库 作 为 同 步 数 据 源 ，建 立 所 有 需 要 同 步 的 数 据 结 构 上 文中 的 数 据 库 抽 取 、设计与转化使得两种数据库的数 据 得 到 了 统 一 因 此 ，只 要 将 数 据 结 构 导 入 服 务 器 中 ，对需要同步的数据对象设置时间 戳 与 同 步 方 式 （单向或双向同步 ），接 着 设 计 同 步 （即 针 对 装 配的业务流程筛选过滤需要同步的 数 据 ，仅 仅 同 步 其 中发生变化的几条数据而不是全 部 ，从 而 提 高 同 步 效 率 ），最 终 部 署 发 布 工 程 ，保 存 同 步 模 型 当 需 要同步并且数据发生变化 时 即 可 触 发 服 务 器 ，产 生 同 步 指 令 ，完 成 同 步 过 程 ，具 体 过 程 以 及 的 部 分 关 键操作页面如图 所 示 基 于 的 轻 模 型 装 配 动 画 性 能 优 化航 空 制 造 企 业 产 品 的 复 杂 程 度 日 益 提 升 ，产 品设 计 的 原 始 文 档 非 常 庞 杂 ，即 使 将 其 转 换 为 轻 量 化 文 件 格 式 ，其 轻 量 化 模 型 的 复 杂 程 度 对 于 模 式 的 软 件 系 统 来 说 仍然是很大的负担 ，尤 其 是 在 进 行 基 于 平 板 电 脑 （）的 轻 模 型 复 杂 操 作 时 ，如 基 于 轻 模 型 装 配 动 画 浏 览 ，对软硬件的要求就更 高 ，而平板电脑与台式 机 相 比 ，在 硬 件 的 性 能 方 面 还有 不 足 从 制 造 企 业 经 济效益的角度出发 ，硬 件 性 能 的 提 升 是 有 限 的 为 了 改 善 轻 模 型 在 系 统 中 的 展 示 效 果 ，提升轻模型在三维装配可视化 技 术 中 的 实 用 性 ，本 文 以 文 档 存 储 装 配 仿 真 动 画 的 数 据 信 息 ，作 为 数 据 交 互 的 中 间 件 ，减 轻 在 基于 轻 模 型 的 动 画 编辑和浏览时数据库的压力 ，从 而 削 弱 硬 件 的 负 担 ，优化系统基于轻模型进行装配可 视 化 的 性 能 图 基 于 平 板 电 脑 （）的装配过程管理流程 移 动 式 应 用 的 场 景 如 图 所 示 ，使 用 的 统 一 数 据 库 作 为 端 的 存 储 介 质 ，经 由 服 务 器 同 步 连 接 到 不 同 的 移 动 设 备 上 移 动 设 备（如 、手 机 等 ）上 可 以 使 用 的 小型 数 据 库 或 者 稍 大 些 的 数 据 库 图 典 型 移动式应用场景 在 数 据 库 设 计 中 ，根 据 装 配 车 间 现 场 涉 及 的 对象 、属 性 等 ，抽 取 原 有 端 数 据 库 的 数 据 结 构 ，并 进 行 精 简 和 转 化 ，主 要 包 括 ：物 料 、工 艺 、质 量 、三 维模 型 、任 务 、库 存 、文 档 与 资 源 （人 员 、部 门 、设 备 ）等个 方 面 ，每 个 方 面 都 提 取 与 装 配 业 务 相 关 的 属 性 而 由 于 不 同 数 据 库 之 间 存 储 方 式 的 不 同 ，我 们 又 对 成组技术与生产现代化 年 第 卷 第 期先进制造工艺技术 图 实 现 数 据 同 步本 系 统 以 每 个 完 整 的 产 品 （部 件）的 工 艺 版 本 号（）作 为 动 画 文 档 的 唯 一 标 识 ，即 每 个 版 本 的 工 艺 对 应 唯 一 的 动 画 文 档 ，而每版 工艺由一系列的 工 序（）组 成 ，而 工 序 又 是 由 一 系 列 的 工 步（）组 成 ，工步 是 最小的信息单位 因 此 ，装 配 动 画 的 帧 数以工步为最小 有效单元进行组 合 ，每帧动画 要 包 含对 应 工步的动画信息节点 （）和 物 料 信 息 节 点 （）结 构 如 图 所 示 可 以 更 新 装 配 动 画 数 据 文 档 首 先 ，判 断 是 否存 在 对 应 工 艺 版 本 的 数 据 文 档 ，然 后 对 动 画 节 点对象所包含的信息依次 判 断 是 否存 在对 应的工 序 节 点 、工 步 节 点 和 动 画 节 点 ，根据判断结果对 数 据 文 档 进 行 相 关 操 作 装 配 动 画 节 点 模 型 如 图 所 示 图 装配动画的节点模型 移动系统在线与 离 线 应用 模式的差异 手 持 终 端 （）的 在 线 应 用 即无线应用系统与 装 配 系 统 基 于 机 开 发 的 系 统 类 似 ，只 需 重新 开 发 适 合 于 手 持 终 端 （）的人机交互界面即 可 装 配 工 人 可 以 携 带 手 持 终 端 （）自 由 移 动 ，在移 动 过 程 中 可 以 从 任 何 一 个 无 线 网 络 单 元 经 由 连 接 到 固 定 网 络 中 ，或 者 连 接 到 其 他 的 移 动 设 备 ；并且在无线通讯单 元 内 或者 单元间移动时 ，仍 然图 装 配 动 画 的 结 构装 配 动 画 节 点 依 附 于 工 步 节 点 编 辑 动 画 时 ，动 画 节 点 对 象 包 含 对 应 的 工 步 相 关 信 息 、工 序 相 关 信 息 和 工 艺 相 关 信 息 ，通 过 添 加 、删 除 和 修 改 ，我 们， 先进制造工艺技术 可 以 保 持 通 讯 连 接 ，从而实现将现 场采集到的装配 数 据 实 时 地 上 载 到 中 央 数 据 库 ，也 可以实时地从中 央 数 据 库 中 下 载 新 的 装 配 任 务 信 息 移 动 计 算 应 用 环 境如 图 所 示 配 活 动 在 平 板 电 脑 上 可 以 直 接 选 填 消 耗 物 料 的 合格 证 号 或 零 件 号 ，直接录入装试记录卡上需求的检 测 数 据 ，最 后 利 用 盘 式 的 读 卡 器 ，刷 员 工 胸 卡 签 名 ，完 成 一道工步的装配 ，进 入 下 一 道 工 步 ，直 至整个产品装配完成 对 于 一 些 装 配 过 程 中 的 特 殊 操 作 ，也可以借助平 板 电 脑完 成相应操作 ，如 工 步重 装 、物 料 换 件 、临 时 超 越 单 等 等 检 验 员 同 样 可 使 用 平 板电 脑 完 成每道工序工 步 的 检 验 任 务 图 和 图 所示分别为装配过程管 理 系 统 的操 作平 台和操 作 界 面 图 移 动 应 用 环 境无 线 连 接 的 网 络 远 没 有 固 定 网 络 安 全 ，这 是 由于无 论从何地都 可 以轻而易 举 地侦听和发射无线电 波 ，且 很 难 发 觉 因 此 ，数 据 的 无 线 传输比固定线路 传 输 更 容 易 受 到 盗 用 和 欺 骗 移 动 计算环境使用户 可 以 连 入 任 意 网 络 如 何 防 止 移 动 用户的泛滥及对 被 访 问 网 络 环 境 造 成 的 偶 然 或 者 恶 意 破 坏 ？这 是 移动 数 据 库 的 安 全 技 术 问 题 目 前 ，安 全 技 术 的 主 要 措 施 是 ：第 一 ，对 移 动 用 户 进 行 认 证 ，防 止 非 注 册 用户 的 欺 骗 性 接 入 ；第 二 ，对 无 线 路 径 加 密 ，防 止 第 三 方 盗 用 ；第 三 ，对 移 动 用 户 提 供 身 份 保 护 ，防 止 用 户位 置 泄 密 或 被 跟 踪 由 于 航 空 制 造 企 业 的 保 密 特 性 ，目 前 在 生 产 车 间 搭 建无线网络是明令 禁 止 的 ，因 此 手 持 终 端（）还 必 须 满 足 离 线 应 用 的 需 求 离 线 应 用 模 式 与在 线应用模式 的 区别就在 于 装配数据的下载与上 载 离 线 应 用 中 ，手 持 终 端 （）只 能 通 过 其 他 安 全 的 移 动 设 备 （如 保 密 盘 ）作 为 中 介 来 获 取 装 配 任务 信 息 ，同 样 手 持 终 端 （）上 采集好的现场装配 数 据 也 只 能 通 过 中 介 反 馈 给 中 央 数 据 库 图 基于平板电脑的装配过程管理系统 结 束 语本文针对装配车间现场 数 据 管 理移 动应 用的需 求 ，建 立 了 基 于 平 板电脑的装配过程数据管理信息 系 统 使 用 装 配 过 程 中