一种机械装备虚拟实训系统及方法与流程

本发明涉及一种机械装备教学培训的技术领域，尤其涉及一种虚拟的机械装备培训系统及方法。

背景技术：

现有的机械装备实训通过让学员在特定的教室里进行实训，但是这样的培训方式较为单一，教室内的设备更新换代较慢，难以适应社会的发展，且实训基地建设成本较高，以职业院校为例，其平均建设成本在5000万元，运营成本也高达150万元/年。同时，实训环节存在一定的安全隐患，即便指导教师对设备做了安全防护，并做出正确操作引导，在实际训练过程中，仍然难以避免事故的发生，一旦出现险情，后果非常严重。

技术实现要素：

本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供一种机械装备虚拟实训系统及方法，以解决传统实训教学困境、投入成本高，待培训人员的实训积极性不高的缺点。

为实现上述目的，本发明提供一种机械装备虚拟实训系统，以对待培训人员进行机械装备的维修、操作及组装进行培训，所述实训系统包括

虚拟编辑模块，用以建立虚拟场景内容；

I/O输入模块，包括VR显示装置、数据手套、声音采集装置以及动作捕捉装置，待培训人员通过所述VR显示装置能够观看到所述虚拟编辑模块建立的内容，并能通过所述VR显示装置反馈待培训人员的头部的运动；所述数据手套能够反馈待培训人员对虚拟机械设备的作用力；所述声音采集装置能够反馈待培训人员的提问及口头做答；所述动作捕捉装置能够捕捉到待培训人员的动作数据；

识别处理模块，用以采集待培训人员通过所述I/O输入模块反馈的数据信息，经分析处理后得出成绩结论；

操作管理模块，建立针对待培训人员的操作数据库，该数据库内容包括所述虚拟编辑模块建立的场景内容、待培训人员的反馈数据以及所述识别处理模块分析得出的成绩结论。

作为本发明的进一步改进，所述识别处理模块包括互动模块，所述机械装备虚拟实训系统还包括与所述互动模块远程互动的远程处理器模块，导师通过所述远程处理器模块与所述互动模块指导待培训人员。

作为本发明的进一步改进，所述机械装备虚拟实训系统还包括外显设备，导师可通过所述外显设备实时观看待培训人员的操作。

作为本发明的进一步改进，所述I/O输入模块包括VR显示装置、数据手套、身体姿态识别器以及控制器，所述VR显示装置、数据手套以及身体姿态识别器内设有陀螺仪。

作为本发明的进一步改进，所述数据手套上间隔设置有若干压力传感器，若干压力传感器包括设置在每个手指部的第一传感器组以及设置在手掌部的第二传感器组，所述第一传感器组与第二传感器组并联连接。

作为本发明的进一步改进，所述虚拟编辑模块编辑的虚拟内容包括三维模型、训练环境、机械设备以及声音图像。

作为本发明的进一步改进，所述虚拟编辑模块、识别处理模块、操作管理模块集成在一系统主机内，所述系统主机上设有API、SDK接口与外界通信。

本发明还提供一种机械装备虚拟实训方法，用以拆装、操作所述机械设备，所述实训方法包括以下步骤：

预先建立虚拟内容，包括三维模型、训练环境、机械设备以及声音图像；

提供一I/O输入模块，待培训人员通过所述I/O输入模块与上述虚拟内容交互，该交互内容包括装前知识学习、装配视频学习、预装检测以及自由装配，并反馈待培训人员的操作数据；

对待培训人员进行实时指导，包括通过视频、语音的方式，以纠正待培训人员的错误动作；

对待培训人员反馈的操作数据进行分析处理，得出成绩结论。

作为本发明的进一步改进，所述的所述I/O输入模块包括VR显示装置、数据手套、身体姿态识别器以及控制器，所述VR显示装置、数据手套以及身体姿态识别器内设有陀螺仪。

作为本发明的进一步改进，所述数据手套上间隔设置有若干压力传感器，若干压力传感器包括设置在每个手指部的第一传感器组以及设置在手掌部的第二传感器组，所述第一传感器组与第二传感器组并联连接。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明机械装备虚拟实训系统利用VR虚拟技术，构建机械设备实训场景，以对待培训人员进行实践操作，节省实训成本，针对操作的机械设备场景可以更新换代，能够让待培训人员快速掌握新设备的维修、操作和组装，以使经实训过的待培训人员与社会无缝对接。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明机械装备虚拟实训系统模块构成图。

图2为本发明机械装备虚拟实训系统结构组成图。

图3为本发明机械装备虚拟实训系统培训构成图。

图4为本发明机械装备虚拟实训系统构建的虚拟场景构成图。

图5为本发明机械装备虚拟实训系统构建的第一虚拟场景图。

图6为本发明机械装备虚拟实训系统构建的第二虚拟场景图。

图7为本发明机械装备虚拟实训系统构建的第三虚拟场景图。

图8为本发明机械装备虚拟实训系统构建的第四虚拟场景图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种机械装备虚拟实训系统100，包括虚拟编辑模块10、I/O输入模20、识别处理模块30、操作管理模块40以及远程处理器模块50，所述虚拟编辑模块10、识别处理模块30、操作管理模块40集成在一系统主机60内，并与所述远程处理器模块50进行远程无线通信。所述机械装备虚拟实训系统100对待培训人员进行机械装备的维修、操作及组装进行培训，无需建立昂贵的培训基地，且培训方式灵活多变，内容丰富。

所述虚拟编辑模块10用以建立虚拟场景内容，如三维模型、训练环境、机械设备以及声音图像，所述系统主机60上设有API、SDK接口与外界通信，该场景内容可通过上述接口进行更换或升级，使得待培训人员能够接受到最新内容的培训，以适应公司的需求。

所述I/O输入模20包括VR显示装置21、数据手套22、声音采集装置23、动作捕捉装置24以及控制器，所述VR显示装置21和数据手套22上设有陀螺仪，以分别检测待培训人员的头部和手部的移动和转动。所述数据手套22上间隔设置有若干压力传感器221，若干压力传感器221包括串联设置在每个手指部的第一传感器组222以及串联设置在手掌部的第二传感器组223，所述第一传感器组222与第二传感器组223并联连接。任两个相邻的压力传感器221之间的距离为3-6cm。所述手掌部21的内侧这中部设置有呈圆形的若干压力传感器222，以准确反馈操作人员的作用力数据。所述声音采集装置23能够反馈待培训人员的实时提出的问题，以及针对导师的提问进行口头作答。所述动作捕捉装置24为捕捉操作人员动作的至少四个高清摄像头，四个所述摄像头圆周等角度对准操作人员，以判别操作人员的上半身和下半身的动作，如上半身相对倾斜角度和下半身弯曲角度。

所述识别处理模块30包括互动模块31和控制模块32，导师通过所述远程处理器模块50与所述互动模块31指导待培训人员。该系统可外接显示器、液晶电视、投影等显示装置，供导师实时观察学生，导师可通过无线耳机、蓝牙耳机等通讯设备，指导学员开展技能训练。所述控制模块32与所述I/O输入模块20的控制部进行通信，并根据所述I/O输入模块20反馈的数据信息，经分析处理后得出成绩结论。

所述操作管理模块40控制整个系统的运行，建立针对待培训人员的操作数据库，该数据库内容包括所述虚拟编辑模块10建立的场景内容、待培训人员的反馈数据以及所述识别处理模块30分析得出的成绩结论，待培训人员和导师可调取出数据库的内容进行查阅。

本发明还提供一种机械装备虚拟实训方法，包括以下步骤：

所述虚拟编辑模块10预先建立虚拟内容，包括三维模型、训练环境、机械设备以及声音图像；

待培训人员通过所述I/O输入模块20与上述虚拟内容交互，该交互内容包括装前知识学习、装配视频学习、预装检测以及自由装配，并反馈待培训人员的操作数据；

对待培训人员进行实时指导，包括通过视频、语音的方式，以纠正待培训人员的错误动作；

对待培训人员反馈的操作数据进行分析处理，得出成绩结论。

作为本发明的第一实施例：为对待培训人员进行装前知识要求学习。所述虚拟编辑模块10预先建立虚拟场景内容，包括控制台、3个选择器、区域启动开关、答题板、提示灯，待培训人员佩戴好所述I/O输入模块20，即可观察到上述虚拟场景内容，当待操作人员按下选择器时，所述提示灯启动，当答题正确逻辑：绿灯亮；提示文字“答题正确”；3秒后读取下一题。答题错误逻辑：红灯亮；提示文字“答题错误”；题目显示正确选项；5秒后读取下一题。所述题目涉及清洗零件；检查零件定位面情况；倒角、去毛刺；检查螺纹孔情况；放置清洁后的零件；轴承清洁，以使待培训人员熟悉零件装配前的清洁方法、操作流程及修整工具使用顺序。

作为本发明的第二实施例：为对待培训人员进行装配视频教学。所述虚拟编辑模块10预先建立虚拟场景内容，包括放置有主轴装配图及主轴剖面模型的控制台、设置有视频控制开关的普通实验台以及显示屏，视频控制开关包括启动、暂停、回放，显示屏仿照投影屏或液晶屏，用于视频播放，点击“播放”后，装配视频循环播放；点击“暂停”后，视频暂停；点击“回放”后，视频回溯30秒。

作为本发明的第三实施例：为对待培训人员进行零件预装与检测进行教学。所述虚拟编辑模块10预先建立虚拟场景内容，包括装配平板、显示板、数显千分表、V型块、选择器、注射器、主轴前压轴承法兰及选择按键。激活“等高检测系统”，提示音“请进行零件预装及检测”，“请对前轴承内套、外套进行等高精度测量，并选择正确零件”；待检测零件白色闪烁，待学员操作。

等高检测系统：前轴承内套(721)、外套(720)等高允差≤0.002(工具：数显千分表)。721和720分别设置两组，记为721A、721B和720A、720B。各零件均配有V型块和千分表，系统引导学员通过VR控制器可进行：零件旋转→千分表显示结果。要求学员通过控制器主键，可使内、外套转动，待转动一圈后(仿照实操操作)，千分表显示结果，721A结果为0.001，721B结果为0.003，720A结果为0.003，720B结果为0.002。

学员做完四个零件检测后，提示音“请选择尺寸正确的零件”，学员选择每组的A/B按钮，配有提示音及按钮灯亮。

两组A/B选择完毕后，注射器A、注射器B激活，提示音“请选择正确注射器为前、后轴承加润滑液”，桌面设置两组轴承，分别标有前轴承、后轴承。

不论注射器A或注射器B移动到哪一个轴承范围内，均会将所有液体注入，仅体现注射器内部液体消失即可。

两个注射器液体均注入后，提示音“请测量并选择正确匹配的主轴前压轴承法兰”。套筒702、主轴前轴承(3个)、外隔套720激活。套筒702前端朝上，竖立固定。

学员分别抓取前轴承(3个)、外隔套720放入套筒702中。每一个放入后均不可取出。

全部放入后，激活“数显深度卡尺”，提示音“请测量装配后前轴承外端面至套筒孔端面的距离尺寸公差”。

学员抓取“卡尺”，需测量头垂直向下并放入套筒内时，卡尺显示结果(该结果设置三组数值，0.01，0.02，0.03随机显示)。系统引导学员进行两次测量，每次测量结果均显示在白板上，且显示总的平均值。检测所有情况如下：

两次测量完毕后，提示“请将卡尺放回原处”，卡尺座激活，将卡尺移动到附近后，自动固定。

卡尺放回后，提示音“选择正确的主轴前压轴承法兰”，学员在6-8个标有不同尺寸的法兰中，选择一个，点击选择按钮，配有提示音和按钮灯。

选择法兰按钮后，提示音“请进入主轴装配区装配主轴”。

该培训让待培训人员熟悉各种检具使用方法，掌握如何在装配前检测及选取正确零件。

作为本发明的第四实施例：为对待培训人员进行主轴自由装配的培训，所述虚拟编辑模块10预先建立虚拟场景内容，包括区域启动开关，设置启动和暂停；主轴固定座；白板，用以现实提示音内容；装配平板；轴承感应加热器；耐高温手套；扭力扳手；磁力座数显千分表；扭力枪；螺纹防松胶；V型块，按操作流程进行自由装配，仅可操作激活态零件。各个零件装在正确位置后即可锁死，零件装在错误位置或未按正确顺序装配则不可锁死。

学员可以看到主轴前端朝下，固定在特殊基座上，进入主轴装配环节。所有装配流程，只有第一个装配零件装配到位，状态锁死后，第二个零件才可装配到位并锁死。包括如下步骤：

安装垫片723，可自由装入，只有端面正确才装入到位后状态锁死。

加热轴承：学员拾取轴承，一起放置到加热器上，仪器加热开关激活。点击加热开关，加热器待5秒给予提示，已加热至60℃加热完毕。只有加热过的轴承才可安装到主轴上，否则提示“需加热轴承”。加热完毕后，提示音“请佩戴手套将轴承装配到主轴”，耐高温手套激活，学员佩戴手套拾取加热后的轴承。也可跳过该步骤，直接将轴承装入主轴。

轴承可自由装入，取出，仅当正确端面正确装入到位时，状态锁死，先装入2个轴承，宽端面超主轴前端装入，提示音“请依次装入内套721和外套720”，需先装入内套721，锁死后才可装入720锁死。否则720装入后，无法锁死。提示音“请依次装入轴承和隔套722”，轴承宽端面需朝向主轴后端装入，锁死后，方可装入隔套722。提示音“请将手套放回原处”，将手套移至原处，手套自动脱下，学员也可配戴手套一直操作。隔套装入锁死后，提示音“请装入锁紧螺母YSF M70×2”。将锁紧螺母装入后，螺母接触主轴螺纹便无法继续装入，提示音“请使用正确的力矩扳手将螺母锁紧”。

有3个力矩扳手，力矩分别显示为106Nm，166Nm，206Nm。学员捡取任一力矩扳手，放置到锁紧螺母端面附近，即可转动扳手。转动一次后，提示音“请继续紧固”，再重复2次动作后，提示音“螺母已紧固”，螺母自动旋入螺纹底部，锁死。

螺母锁死状态后，提示音“请检测外隔套与主轴同心度”。“请将磁力座数显千分表放置主轴上”，学员拾取磁力座数显千分表，主轴上显示绿色放置区域，将千分表移至附近后自动固定。提示音“请转动外隔套”，外隔套闪烁，学员点击后，千分表显示结果“0.003”，提示音“满足同心度公差要求”。

提示音“请将千分表放回原处”，学员拾取千分表，移至原处后固定锁死。

提示音“请将后轴承加热后装入主轴”。加热轴承如前述：学员拾取轴承(2个)，一起放置到加热器上，仪器加热开关激活。点击加热开关，加热器待5秒给予提示，已加热至60℃加热完毕。只有加热过的轴承才可安装到主轴上，否则提示“需加热轴承”。

学员将轴承7012CTYNDBLP4(NSK)“面对面”依次装入主轴，锁死，提示音“装入隔套724”。

学员将隔套正确端面装入锁死后，提示音“请装入主轴套筒702”，将正确端面装入后锁死，提示音“请装入主轴后法兰盘711”，学员将后法兰正确端面放置套筒702后端面后，711锁死。提示音“请将螺栓涂防松胶后，紧固后法兰”，学员将6颗M6×25螺栓分别涂防松胶后，装入后法兰711。所有螺栓放入到后法兰孔后，提示音“请用扭力枪紧固螺栓”。

拾取扭力枪，对每个M6×25螺栓进行紧固(每个动作持续1秒即可)后，提示音“后法兰已锁紧，请将扭力枪放回原处”，将枪放回原处附近后，自动放入。

仅后法兰711四个M6×20螺栓装入后，再将枪放回原位时有提示音：“请将主轴放置在V型块上，并安装前法兰”。此时，主轴可抓取，并放置到指定的V型块上，锁死。提示音“请装入前法兰710”。提示音“请将M6×20螺栓涂防松胶后，紧固后法兰”，学员将4颗M6×20螺栓分别涂防松胶后，装入前法兰710。所有螺栓放入到前法兰孔后，提示音“请用扭力枪紧固螺栓”。用扭力枪将4个螺栓紧固。

提示音“请装入锁紧螺母YSF M60×2”。将锁紧螺母装入后，螺母接触主轴螺纹便无法继续装入，提示音“请使用正确的力矩扳手将螺母锁紧”。此操作重复步骤(10)。

提示音“装入皮带轮705”，将皮带轮正确端面装入后锁死，提示音“装入胀套713”，将胀套正确端面装到位，锁死。提示音“请将M8×25螺栓装入并紧固”。学员将6颗M8×25螺栓分别装入胀套713。所有螺栓放入后，提示音“请用扭力枪紧固螺栓”。用扭力枪将6个M8×25螺栓紧固。

提示音“请装入反口盘712”，将712正确端面装入后锁死，提示音“请将M6×30螺栓装入反口盘并紧固”。学员将4颗M6×30螺栓分别装入反口盘712。所有螺栓放入后，提示音“请用扭力枪紧固螺栓”。用扭力枪将4个M6×30螺栓紧固。提示音“已完成主轴装配训练”。

本教程可使学员熟悉主轴机械结构，掌握主轴装配流程。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。