在并且超越汽车工业中实现虚拟装配培训外文翻译资料

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在并且超越汽车工业中实现虚拟装配培训

Frank Michel

Augmented Vision

German Research Center for Artificial Intelligence, DFKI

Kaiserslautern, Germany

frank.michel@dfki.de

Dominic Gorecky,

Christian Stahl, Matthias Loskyll

InnovativeFactory Systems

German Research Center for Artificial Intelligence, DFKI

Kaiserslautern, Germany

(firstname.lastname)@dfki.de

Andreacute; Stork,

Neyir Sevilmis, Daniel Weber

Interactive Engineering

Technologies

Fraunhofer Institute for Computer

Graphics Research,

Darmstadt, Germany

(firstname.lastname)

@igd.fraunhofer.de

摘要--虚拟装配训练系统显示出巨大潜力，以补充甚至取代装配工艺培训的物理设置，不止在汽车行业。虚拟训练突破的先决条件在于它克服了以往方法的不足。本文提出的设计方法开发于一款游戏的基础，EU-FP7项目威士达程序装配知识的虚拟训练系统。

开发虚拟装配训练时要解决的一个关键挑战是建立虚拟环境的广泛的创作工作。虽然产品和制造设计的知识是可用的，能用于虚拟培训，这一数据的整合的概念仍然缺少。本文提出了一个平台的设计，将现有的企业数据传输到一个统一的虚拟培训模型，从而使虚拟培训的工人在组装线上的物理原型存在。涉及于参与这个项目的工业合作伙伴的数据所要求的和约束的将被讨论。

虚拟培训的第二个障碍是用户集成和接受的不足。在这方面，本文介绍了一种创新的硬件设置为游戏的用户交互，已被选择来提高用户的参与和接受虚拟培训。

关键词：数据集成，工业训练，PLM，用户交互，虚拟现实

简介

在复杂的大规模的生产货物的整个生产过程中，为了提高生产过程是一个昂贵的步骤，如汽车或卡车。在生产过程中，最终产品的质量在很大程度上影响和决定，因此，在运营商被允许执行组装生产线，他们必须完全熟悉产品和各自的装配序列，约束和质量措施。鉴于产品变得更加复杂的事实，设计新的培训方法来准备运营商的产品坡道，这是一个具有挑战性的任务。例如，现在的汽车是在几百种不同的配置中产生的，因此，装配程序可能相互依赖。因此，有一个迫切需要去加快和致使训练有更灵活的变体和变化。

虚拟训练理念是虚拟现实技术中的一个传统。但现实世界的经验表明，它尚未进入日常实践的方式。硬件技术的发展，如3D显示和创新的交互设备（如微软的Kinect）的承诺，使虚拟环境训练更低的成本，更高的用户接受度和对企业更成功。

图1 每个定义零件装配过程的异构数据

然而，还有另一个虚拟培训的挑战去克服：相关培训的数据，目前广泛分布在不同的系统，整个公司和迄今创作的努力收集相关的数据，定义的训练演习和构建虚拟训练场景的创作工作已经平衡了虚拟培训的潜在好处。图1描述了整个设计过程，从早期的设计阶段到生产的开始，并揭示了数据的要求，以方便虚拟培训：

1. 在设计阶段，不仅对产品的几何模型进行了几何建模，而且设计了生产设备的几何模型。
2. 设计结果的分析要求的定义和创建的仿真模型，特别是对柔性部件，这是一个组成部分的产品，如汽车，卡车，飞机，和类似的。
3. 在生产准备阶段，装配路径以及装配序列，操作时必须指定。
4. 最后，装配站的布局必须被定义。

所有这些信息都是有价值的虚拟培训，但首先它必须被集成到一个一致的企业数据结构，描述装配过程完全和没有不一致。在大型工业，如汽车制造业，这样的信息的全面整合尚未发生，并提出了一个相当大的挑战，有效的整合和管理异构信息。此外，到目前为止，还没有一个标准的如何描述和交换的全部数量的装配信息，不仅包括组装结构，但也有来自产品和制造规划的额外的数据（见上面）。

本文的其余部分的结构如下：首先，我们给出了一个简短的概述，在虚拟技术领域的装配培训的艺术状态，然后我们讨论的企业数据，它可以被转移到一个专用的虚拟培训模型。在4章中，我们介绍了虚拟培训平台的概念体系架构和第5章显示了所设想的硬件设置为游戏的用户交互。最后，在第6章中，我们将总结进展情况，并给出一个展望未来的发展，实施和评估阶段。

最新型的

虚拟现实技术已被证明对产品设计和制造规划来说是多功能的工具。他们支持在产品开发过程中早期设计和工程决策的评价[ 1 ]。现代分析和可视化工具，帮助工程师更好地了解复杂的生产过程，例如关于布局规划或人机工程学[ 2 ]，[ 3 ]。

在过去几年中，各种虚拟学习和培训的应用已经发展到如交通运输[ 4 ]，建设[ 5 ]，医药，灾后恢复[ 6 ]，军事和工业[ 7 ]。也有一些商业上可用的训练应用程序的手动装配训练[ 8 ]，[ 9 ]，[ 10 ]。现有解决方案的一个缺点是通过点和点击手势的不自然用户交互和导致的低用户接受度。未来的培训应用程序必须提供一个更真实的方式与虚拟环境进行交互。现有的培训软件的另一个缺点是所提到的创作努力的数据集成和定义的虚拟训练场景，这在许多情况下，超越了虚拟培训的实际利益。

企业数据

正如在介绍中所提到的，没有标准的方法，也没有标准的格式来描述装配过程。有一种数据格式，能够表达产品是由它的零件组成的，例如plmxml [ 11 ]，这激发了我们的一个伙伴来适应plmxml，所以它还包括用于装配步骤的装配序列和工具等。

同时，该产品的几何零件，工具和装配站可以建模为代表的许多工具和格式分别如CATIA，、NX、Pro/E等的零件文件，仅举几例常用的CAD系统。然而，数字样机（DMU）工具最近裁定可视化的目的市场，对CAD模型的碰撞检测等检查的一部分可以放在一个无碰撞路径进行几何分析。JT [ 12 ]是一个用来交换单元的在企业内部和企业间的数据交换格式的几何。

原则上，结合JT和plmxml可以用来描述和可视化装配操作和序列。在实践中，存在着其他的方式表达和装配部分的信息比JT和plmxml，可能会有更多的装配线工人的培训和相关的信息，如基于文本的指令或文件的装配操作。图2显示了一个简化的方式，如何导入，过滤和转换从不同的企业来源的相关信息，以便在虚拟训练中使用。

图2 从异构数据源捕捉装配信息的示范模式

在格式和结构（语法和语义）的输入数据的多样性，提出了一个过滤和映射阶段的需要。给定一个已知的目标结构，输入数据的内容必须在它的结构中被理解，以确定规则的解释和映射到目标结构。这个过程还包括在所使用的输入流中存在不必要的或冗余的数据的过滤。

将现有企业转化为虚拟培训内容的一个主要先决条件，即很少或根本没有创作的努力，是企业数据具有一定程度的形式主义。这意味着数据结构和安排根据预定义的句法和语义规则。此外，开放的数据格式的使用（如plmxml）有利于交易的数据转换。非形式化的企业数据需要手动准备，例如通过引入有限的词汇集或控制的语言来定义装配操作。为了虚拟装配培训，该准备步骤建议以使相关信息的自动传输到一个统一的模型（见图3）。

图3架构显示虚拟装配训练所需的数据和信息自动获取的先决条件

统一模型的虚拟装配培训

到现在为止，似乎没有尝试用计算机和人类可以理解的方式表述装配知识，虽然这样的模型可以使新的应用程序使用，特别是虚拟培训，并鼓励在产品和生产工程的不同阶段知识共享。统一的模型必须能够接受所有相关的知识，并保证其可互操作的适用性。如果需要，应用程序必须能够返回和存储模型中的新信息。

由于该模型允许计算机算法来理解和推理所包含的信息，知识可以代表根据不同的利益相关者。在这里，不同的情况是可以想象的，例如，一个学员需要互动培训的指令，培训师希望看到的结果，他/她的培训小组和制造工程师要测试和比较不同的装配变量，等等。

但是，为了这些方案哪些信息概念在统一模型中被处理？表1显示，在汽车行业装配相关的知识，可以用一个简单的一组概念用一个共同的和一致的方式描述。

表1 装配过程建模中的核心概念

基于引入的概念，虚拟装配培训的威士达模型的核心已建成。然而，虚拟培训和知识共享需要更多的信息，而不仅仅是装配任务的描述。如图4所示，来自不同企业来源的额外实体必须加以考虑，包括例如：

站的布局，这是重要的，创造一个真实的代表性的实际工作环境；

成功的标准（如时间），它必须被引入来衡量，如果执行的培训是成功；

团队结构，必须被复制，以确定不同的角色和责任（如学员，集团领导，培训师等），

反馈和统计数据，在训练分析和评估的训练模式中，必须联系并存储在训练模型中。

图4 为虚拟装配训练从威士达模型的不同来源输入数据

图5描述了一个虚拟培训的语义模型的初始版本，其中包含的信息的装配过程（操作，活动，工具，零件和装配序列），团队结构（用户和用户组）和统计（评论，反馈和会话）。威士达模型是开放去适应和扩展在未来。

图5威士达初始版本的虚拟装配训练模型

一旦建模过程完成后，技术挑战在于不同的输入数据到威士达模型的映射。原始输入数据所施加的挑战，例如：

1. 输入数据可能是复杂的，广泛的大型产品结构，如汽车。
2. 几何数据可能是不完整的或可能包含冗余信息（例如，在不同位置的工具的几何形状的副本），必须解决的进口和过滤过程。
3. 专有的几何输入格式可能需要进一步转换以及解释和不确定性的开放空间在整合它们的时候，例如在JT的情况。

5．系统架构设计

在这一章中，我们描述的设想威士达训练系统的概念体系结构。用于虚拟训练平台的系统架构设想的三个基本组成部分（见图6）。

图6 威士达系统架构的三个主要元件

1. 威士达知识平台（VKP）

威士达的知识平台（VKP）建立培训体系的核心。VKP包含前一方面说明虚拟培训的统一模型。VKP有一个接口，这是由从他们的工作流程和产品数据管理中文件形成产业最终用户的合作伙伴提供企业数据（PDM）系统。它还提供了对威士达训练模拟器接口（VTS）和威士达知识共享中心（vksc）内部信息和数据交换。VKP提供三个核心功能：

1. 数据挖掘：数据挖掘机制允许输入、过滤和映射相关的数据和信息，以内部的语义结构。提供的三维产品数据（几何数据）需要在被存储之前进行预处理。
2. 知识存储：捕获的过程数据将被转化为虚拟培训的通用模型，建立一个系统的内部理解和装配工艺，操作和序列，产品，零件和工具的知识。
3. 知识转移：语义允许的原因有关的信息包含在VKP。相关知识可以由威士达训练模拟器和威士达知识使用搜索功能共享中心的需求要求。
4. 威士达知识共享中心（vksc）：

威士达的知识共享中心（vksc）在制造业和培训的知识存储在VKP提供洞察力。它的特点是一个接口VKP，允许读取和写入威士达信息模型在VKP。Vksc被预见在系统架构上实现两个主要目的：

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1. 创作：丰富的数据，从企业数据来源与丢失的信息，例如增加材料的性能，基于物理的模拟变形的部分。
2. 培训课程的计划和审查：编辑工具将允许开始培训课程并分析审查前培训课程的结果。
3. 威士达训练模拟器（VTS）：