一种面向新装备维修优化的虚拟维修仿真方法及系统

本发明涉及虚拟现实及维修过程优化的，具体涉及一种面向新装备维修优化的虚拟维修仿真方法及系统。

背景技术：

1、装备拆卸是设备拆卸保障的重要组成部分，是装备保持运行状态的关键。当前，许多机械装备呈现出集成化高、技术先进和价格昂贵等特点。传统的采用实物拆卸的拆卸训练方法很容易造成设备的人为故障，并且培训人员和用于拆卸训练设备的数量比例差距也较大，这样的训练方法显然已不能满足当前设备拆卸训练的需要。因此，迫切需要从拆卸训练的方法和手段上进行创新，开发能够满足设备拆卸训练需求，符合当前实际的拆卸训练方法和手段。随着计算机技术的快速发展，基于虚拟拆卸技术的虚拟拆卸训练系统可以提供很好的解决办法。虚拟拆卸训练系统能培养工程师的设备自主拆卸训练能力，促进基层拆卸保障能力的快速形成。其首先需要注重的就是设备的可拆卸性问题。

2、拆卸问题是贯穿复杂设备全生命周期的基础共性问题，可拆卸性已经成为评价设备性能的重要指标，较差的可拆卸性设计会增加设备的维护修理成本。特别是一些简单基础的机械设备需要具有良好的可拆卸性，必须保证其在规定的时间内能拆卸成功并且对设备元器件不造成损伤。因此，将可拆卸性纳入到产品的整个生命周期，通过设计、论证、生产和验证实现设备的可拆卸性要求，既是保证设备维修的迫切需求，也是提高设备系统效能、降低后期售后服务与维修费用的客观需要。

3、可拆卸性设计分析是产品在设计阶段需要考虑的要素，尽可能使产品的拆卸省时、省力和高效。在设备研制过程中，可拆卸性设计考虑越早，其方案的灵活性越大，更改的成本越低。国外经验表明，在研制过程中投入1美元来改进拆卸优化设计，可减少售后服务维修周期费用50～100美元。因此，在方案阶段、工程研制阶段，就需要开展可拆卸性设计分析与验证工作。

4、在虚拟环境中对设备进行拆卸优化，不仅能够在设计早期对产品的可拆卸性进行设计评审，还能够在产品的使用维护阶段对将要执行的拆卸方案进行预先仿真。通过虚拟仿真技术，设计人员在设计的同时模拟拆卸操作的过程，了解拆卸任务是否可行，并适时的更改设计方案，减少设备使用后才发现拆卸操作难以进行，并再改设计方案所造成的人力、物力、资源和时间的浪费。通过尽早地提供浸入感更强的拆卸过程观察手段，使用简化设计流程与改进系统结构能够对设备拆卸进行优化，使工程师可以省时、高效地发现并排除严重的产品设计缺陷。同时，许多以往需要人工进行的拆卸、装配数据获取工作在此虚拟环境中可自动完成，进而显著地减少了售后维修手册的开发时间与费用。

5、针对设备拆卸过程中可能出现的拆卸困难，拆卸步骤繁琐的问题，开展在虚拟环境中进行设备的拆卸序列优化的研究，利用虚拟环境下机械设备建模容易，拆卸操作简单的优点，对设备零件组合与设计结构进行研究，找出当前设备拆卸序列的最优解，并且该最优解符合设备零件本身的拆卸依赖关系，实现设备拆卸试验数据的获取以及拆卸过程的优化，以减少实物本身拆卸试验所带来的周期长，费用高、知识积累和培训效率低等关键问题。

6、cn108287483a，一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真方法及系统，该方法及系统通过分析产品实际维修任务及过程，对沉浸式虚拟维修仿真进行设计，将传统数字样机进行模型转换及一系列处理，导入到虚拟维修场景中，并完成整个虚拟维修场景的构建工作，为场景中的物体施加符合实际的动力学和物理学约束，对虚拟场景进行多通道渲染，配置交互功能，采集用户在场景中的动作数据，完成产品的维修性验证。本发明基于一种面向产品维修性验证的沉浸式虚拟维修仿真方法及系统，克服了传统桌面式虚拟维修仿真的不足，提高了虚拟维修仿真的效率与真实性。

7、该专利并未涉及产品故障类型相关内容，本发明提出一种虚拟故障注入技术，并将该模块添加到系统中，用户可以注入不同的故障类型开展多种虚拟维修试验；该专利对用户动作数据进行采集并完成产品的维修性验证，本发明对用户维修过程数据如维修时间进行获取并完成维修过程优化。

技术实现思路

1、本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种面向新装备维修优化的虚拟维修仿真方法及系统。本发明的技术方案如下：

2、一种面向新装备维修优化的虚拟维修仿真方法，其包括以下步骤：

3、s1：将新装备如艉轴管密封装置的数字化样机模型加载到虚拟维修环境中；

4、s2：选择故障类型并注入，根据选择的故障类型确定维修任务操作，并确定具体的拆装步骤；

5、s3：根据维修任务描述，对装备模型零件进行交互操作；

6、s4：对整个维修过程进行数据获取，并结合拆装步骤将数据进行导出；

7、s5：使用有色原理对维修过程进行补充并结合步骤4获取的试验数据，建立维修过程模型；

8、s6：将s5建立的维修过程模型进行分层处理简化模型规模；

9、s7：对s6得到的简化模型进行仿真研究，并将优化方法应用到模型中实现维修过程优化。

10、进一步的，所述步骤s1：将新装备如艉轴管密封装置的数字化样机模型加载到虚拟维修环境中具体包括：

11、使用样机模型加载技术加载艉轴管密封装置模型，并进行模块分类；分类完成后对装备模型各模块进行功能配置；然后通过控制零件的移动，旋转缩放，最终将模型显示在虚拟维修环境中。

12、进一步的，所述步骤s2选择故障类型并注入，根据选择的故障类型确定维修任务操作，并确定具体的拆装步骤，具体包括：

13、对装备模型特定模块进行故障导入，按照选定的故障模型，采用人工的方法将故障注入到特定的目标系统中；同时采集系统对所注入故障的反应信息，通过这些信息对系统进行维修工艺分析。

14、进一步的，所述步骤s3根据维修任务描述，对装备模型零件进行交互操作具体包括：

15、利用虚拟环境中的数字渲染与交互的技术对模型进行定位；在虚拟环境中完成人与虚拟装备、虚拟零件的交互操作以及其逻辑模型的构建，并实现模拟装备的零件拆装过程。

16、进一步的，所述步骤s4对整个维修过程进行数据获取，并结合拆装步骤将数据进行导出，具体包括：

17、对于数据采集系统，结合虚拟现实外围设备，对其中的虚拟装备进行维修操作等动作交互；系统根据外围设备的数据对模型进行维修操作并进行维修数据记录，维修数据可从维修工时，零件调整角度等相关参数进行数据获取。

18、进一步的，所述步骤s5的维修过程模型包括：

19、将一些颜色集进行定义并赋予其具体的含义，使用这些变量对一些维修过程进行描述；结合虚拟维修试验过程中获取到的时间数据，形成时间有色petri网维修过程模型。

20、进一步的，所述s6的分层处理简化模型具体包括：

21、采用有色petri网模型的层次结构，称之为子网；一个子网可以说是一个子系统，是一些库所、变迁的集合，这样的结构可以用来构造更大的过程系统。

22、进一步的，所述步骤s7的优化方法包括：

23、对维修过程模型的分析包括静态分析和动态分析。静态分析主要针对维修过程的静态结构进行分析，找出不合理的部分，对业务流程进行结构优化和处理模式优化；动态分析要结合时间因素对维修过程进行分析，主要是借助优化工具采用某种优化策略对维修过程模型进行参数优化。

24、一种面向新装备维修优化的虚拟维修仿真系统，其包括：

25、样机加载模块：对新装备数字化模型进行格式转换，并将样机加载到虚拟维修环境中；

26、故障注入模块：选择故障件以及故障类型，对装备模型进行虚拟故障注入；

27、交互操作模块：将维修任务进行动作分解，并为装备模型添加拆装约束；

28、数据获取模块：对虚拟维修试验中的维修数据进行获取；

29、维修优化模块：完成虚拟维修任务并结合维修数据对整个维修过程进行建模仿真，并结合优化方法提高维修效率。

30、进一步的，所述样机加载模块包括：

31、格式转换子模块：用于将不同格式的新装备数字化模型进行格式转换成统一格式；

32、样机加载子模块：用于将统一格式的模型导入到虚拟维修环境中。

33、进一步的，所述样机加载模块包括：

34、格式转换子模块：用于将不同格式的新装备数字化模型进行格式转换成统一格式；

35、样机加载子模块：用于将统一格式的模型导入到虚拟维修环境中。

36、进一步的，所述故障注入模块包括：

37、故障选择子模块：用于根据故障类型对故障零部件进行选择；

38、维修提示子模块：用于显示维修过程详细信息；

39、拆装步骤子模块：用于根据维修信息对拆装步骤进行排序。

40、进一步的，所述交互操作模块包括：

41、指令绑定子模块：用于将交互操作指令绑定到交互设备上，用于用户与虚拟场景展开交互；

42、交互命令定位子模块，用于为交互指令提供定位信息。

43、进一步的，所述数据获取模块包括：

44、维修时间数据采集子模块：用于采集用户的维修时间数据。

45、进一步的，所述维修优化模块包括：

46、维修过程仿真子模块：用于将获取的数据与维修过程结合；

47、维修过程优化子模块：用于对维修过程进行优化。

48、本发明的优点及有益效果如下：

49、(1)本发明可以对新装备模型进行选择虚拟故障注入。现有的技术方法基于实际工程中的维修方法，不能选择故障类型进行注入，只能使用已有的故障件或者采用人为破坏的方式产生故障，而本发明可以对故障类型进行选择注入，开展多种虚拟维修试验。

50、(2)本发明可以快速对维修过程进行建模，并将维修过程数据如维修时间结合到维修过程模型中，提高了维修过程优化的准确性，并结合本发明中提出的优化方法，提高维修效率。