一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法及系统，该方法包括装配动作分析、分析工件位置信息、建立动作库、动作MOST表示、建立元机构库、装配动作与机构的匹配。所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，由上至下分别是客户层、请求接受层、应用服务层、感知层、数据存储层。本发明的装配作业动作分析与元机构组合替代方法，通过对产线作业员动作分析，实现作业员作业动作与简单机构组合或自动化设备的匹配关系，解决了生产线如何实现低成本自动化的问题，整个过程的实现将为装配企业节省很大一部分开支。
【专利说明】一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法及系统
【技术领域】
[0001]本发明属于自动化【技术领域】，尤其涉及一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法及系统。
【背景技术】
[0002]当前很多装配企业面临着一个问题，就是在是否要对产线投入低成本自动化设备，投入多少自动化设备，投入什么样的低成本自动化设备等的问题上产生了顾虑。问题就在于如果自己有能力投入简单自动化，但是却没有投入自动化；或者投入大量昂贵自动化设备后却发现投资回收期过长，很难在短期内收回，这样一来就会对企业造成短期内无法收回其投入资金，得不偿失。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法，旨在解决生产线实现低成本自动化的问题。
[0004]本发明是这样实现的，一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法包括以下步骤:
步骤一、装配动作分析，按产品分类对生产现场的装配操作进行实时录像，通过装配动作显示装置、存储装置和处理装置，将装配作业分割成若干动作区分；
步骤二、分析工件位置信息，利用激光位移传感器从不同视野采集装配过程中工件的三维表面数据，利用点云拼接算法和点云重建算法，重建出工件的三维数据模型，然后获取工件位置变化信息；
步骤三、建立动作库，根据产品类别存储操作人员完成一种产品装配所需执行的每个动作，以及完成每个动作的时间和待装配零件空间位置变化数据；
步骤四、动作MOST表示，确定装配操作MOST法表示，对MOST法进行分类整合，调整作业方法得到最优操作；
步骤五、建立元机构库，分类整理现有装配产线元机构和简单自动化设备的应用情况，形成装配产线元机构库；
步骤六、装配动作与机构的匹配，针对装配动作库中每个MOST法表示的动作，搜索元机构库，进行语义相似度计算，形成满足装配动作要求的组合机构方案，供用户评价决策，形成机构的关键技术参数。
[0005]本发明的另一目的在于提供一种装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，由上至下分别是客户层、请求接受层、应用服务层、感知层、数据存储层；
所述的客户层的主要功能是:工程技术人员需要数据交互时通过Web服务器以及企业JavaBean (Enterprise JavaBeans, EJB)服务器提供的接口对系统进行访问，调用平台提供的各项功能； 所述的请求接受层主要用于接收从浏览器传来的请求并将其交给底层进行处理，同时将请求处理结果发送给浏览器，这些过程主要由JSP以及显示给客户端信息的Servlet组成，请求接受层可对数据进行一些简单的逻辑处理，不进行复杂的逻辑处理；
所述的业务逻辑层是平台的核心，运行于Java应用程序服务器中，所有事务处理逻辑均封装于EJB组件中，应用服务器为EJB组件提供一个优化的执行环境；
所述的数据感知层涉及两类硬件:摄像机和激光位移传感器，摄像机在生产现场录制的装配操作视频，并通过无线网上传到基础数据库中；激光位移传感器同步将采集到的工件三维数据上传到服务器上，并通过三维模型重构Bean实现工件空间位置信息的存储；
所述的数据存储层主要为装配作业分析及元机构组合替代提供基础支持，由装配动作库、MOST元素库、工件三维数据库、基础数据库、元机构库、元机构组合规则XML文件几部分组成，主要负责数据的存储、查询和备份，维护数据的一致性和安全性，为应用服务层提供数据服务。
[0006]进一步，所述的客户层主要包括两种客户端，一种是纯Web浏览器的瘦客户端模式，另一种为从平台下载的基于Java的专用客户端。
[0007]进一步，所述的业务逻辑层的业务流程为:工业工程技术人员利用摄像机录制装配操作视频文件，并通过激光位移传感器获取工件三维数据，然后通过三维模型重构算法实现工件三维模型的重建，从而得到与操作视频文件同步的工具位置变化信息；通过动作分类Bean确定操作所属分类，并利用动作分析模块实现装配操作的定义和分解，然后读取MOST元素标准数据库，采用人机交互的形式确定装配操作对应的MOST表达式及有效性，实现装配动作的优化，MOST元素标准数据库可通过动素维护模块进行管理；元机构信息管理模块主要负责常用装配生产线涉及的元机构的信息维护，所涉及信息存储在元机构库中；组合机构替代模块负责装配生产线装配操作动作与典型元机构的匹配度计算，如果匹配度满足要求，则进行机构替代，读取工件三维位置变化信息，确定对应替代机构的技术参数；否则，解析元机构组合规则XML文件，通过元机构的有效组合达到替代人工装配操作的目的；基础数据管理模块主要用以实现使用装配作业动作分析与元机构组合替代装置的人员管理、角色管理、用户管理、组织管理、操作视频文件管理等功能；分析统计模块通过读取装配动作库、基础数据库、元机构库，实现装配生产线动作分析与元机构替代的报表统计。
[0008]进一步，所述的装配动作库存储装配生产线相应动作的分类、名称、编号、操作时间、MOST表示、动作要素信息，MOST元素库存储MOST基础数据表，由普通动作表、控制动作表和工具使用表组成；工件三维数据库存储装配过程中工件空间位置变化信息，即与对应视频文件每一帧时间刻度相对应的工件空间坐标值；基础数据库存储用户、人员、角色、操作视频文件数据；元机构库存储装配线常用基本机构的类型、名称、用途、关键参数、二维图像息。
[0009]进一步，本发明的另一目的在于提供一种装配作业动作分析与原机构组合替代硬件拓扑结构，所述的装配作业动作分析与原机构组合替代硬件拓扑结构包括WEB服务器、数据库服务器、路由器、激光位移传感器、客户机、摄像机、部门服务器；所述的部门服务器与客户机相连接，激光位移传感器和摄像机与客户机相连接，客户机通过路由器与WEB服务器和数据库服务器互联。
[0010]本发明的装配作业动作分析与元机构组合替代方法，通过对产线作业员动作分析，实现作业员作业动作与简单机构组合或自动化设备的匹配关系，解决了生产线如何实现低成本自动化的问题，整个过程的实现将为装配企业节省很大一部分开支。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明实施例提供的装配作业动作分析与元机构组合替代方法流程图；
图2是本发明实施例提供的装配作业动作分析与元机构组合替代方法原理图；
图3是本发明实施例提供的点云拼接算法流程图；
图4是本发明实施例提供的点云重建算法流程图；
图5是本发明实施例提供的装配作业动作分析与元机构组合替代硬件拓扑结构示意
图；
图中:1、WEB服务器；2、数据库服务器；3、路由器；4、激光位移传感器；5、客户机；6、摄像机；7、部门服务器。
【具体实施方式】
[0012]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0013]本发明是这样实现的，一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法包括以下步骤:
5101:装配动作分析，按产品分类对生产现场的装配操作进行实时录像，通过装配动作显示装置、存储装置和处理装置，将装配作业分割成若干动作区分；
5102:分析工件位置信息，利用激光位移传感器从不同视野采集装配过程中工件的三维表面数据，利用图3所示的点云拼接算法和图4所示的点云重建算法，重建出工件的三维数据模型，然后获取工件位置变化信息；
S103:建立动作库，根据产品类别存储操作人员完成一种产品装配所需执行的每个动作，以及完成每个动作的时间和待装配零件空间位置变化数据；
5104:动作MOST表示，确定装配操作MOST法表示，对MOST法进行分类整合，调整作业方法得到最优操作；
5105:建立元机构库，分类整理现有装配产线元机构和简单自动化设备的应用情况，形成装配产线元机构库；
5106:装配动作与机构的匹配，针对装配动作库中每个MOST法表示的动作，搜索元机构库，进行语义相似度计算，形成满足装配动作要求的组合机构方案，供用户评价决策，形成机构的关键技术参数。
[0014]本发明的另一目的在于提供一种装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，由上至下分别是客户层、请求接受层、应用服务层、感知层、数据存储层；
所述的客户层的主要功能是:工程技术人员需要数据交互时通过Web服务器以及企业JavaBean (Enterprise JavaBeans, EJB)服务器提供的接口对系统进行访问，调用平台提供的各项功能； 所述的请求接受层主要用于接收从浏览器传来的请求并将其交给底层进行处理，同时将请求处理结果发送给浏览器，这些过程主要由JSP以及显示给客户端信息的Servlet组成，请求接受层可对数据进行一些简单的逻辑处理，不进行复杂的逻辑处理；
所述的业务逻辑层是平台的核心，运行于Java应用程序服务器中，所有事务处理逻辑均封装于EJB组件中，应用服务器为EJB组件提供一个优化的执行环境；
所述的数据感知层涉及两类硬件:摄像机和激光位移传感器，摄像机在生产现场录制的装配操作视频，并通过无线网上传到基础数据库中；激光位移传感器同步将采集到的工件三维数据上传到服务器上，并通过三维模型重构Bean实现工件空间位置信息的存储；
所述的数据存储层主要为装配作业分析及元机构组合替代提供基础支持，由装配动作库、MOST元素库、工件三维数据库、基础数据库、元机构库、元机构组合规则XML文件几部分组成，主要负责数据的存储、查询和备份，维护数据的一致性和安全性，为应用服务层提供数据服务。
[0015]进一步，所述的客户层主要包括两种客户端，一种是纯Web浏览器的瘦客户端模式，另一种为从平台下载的基于Java的专用客户端。
[0016]进一步，所述的业务逻辑层的业务流程为:工业工程技术人员利用摄像机录制装配操作视频文件，并通过激光位移传感器获取工件三维数据，然后通过三维模型重构算法实现工件三维模型的重建，从而得到与操作视频文件同步的工具位置变化信息；通过动作分类Bean确定操作所属分类，并利用动作分析模块实现装配操作的定义和分解，然后读取MOST元素标准数据库，采用人机交互的形式确定装配操作对应的MOST表达式及有效性，实现装配动作的优化，MOST元素标准数据库可通过动素维护模块进行管理；元机构信息管理模块主要负责常用装配生产线涉及的元机构的信息维护，所涉及信息存储在元机构库中；组合机构替代模块负责装配生产线装配操作动作与典型元机构的匹配度计算，如果匹配度满足要求，则进行机构替代，读取工件三维位置变化信息，确定对应替代机构的技术参数；否则，解析元机构组合规则XML文件，通过元机构的有效组合达到替代人工装配操作的目的；基础数据管理模块主要用以实现使用装配作业动作分析与元机构组合替代装置的人员管理、角色管理、用户管理、组织管理、操作视频文件管理等功能；分析统计模块通过读取装配动作库、基础数据库、元机构库，实现装配生产线动作分析与元机构替代的报表统计。
[0017]进一步，所述的装配动作库存储装配生产线相应动作的分类、名称、编号、操作时间、MOST表示、动作要素信息，MOST元素库存储MOST基础数据表，由普通动作表、控制动作表和工具使用表组成；工件三维数据库存储装配过程中工件空间位置变化信息，即与对应视频文件每一帧时间刻度相对应的工件空间坐标值；基础数据库存储用户、人员、角色、操作视频文件数据；元机构库存储装配线常用基本机构的类型、名称、用途、关键参数、二维图像息。
[0018]进一步，本发明的另一目的在于提供一种装配作业动作分析与原机构组合替代硬件拓扑结构，所述的装配作业动作分析与原机构组合替代硬件拓扑结构包括WEB服务器1、数据库服务器2、路由器3、激光位移传感器4、客户机5、摄像机6、部门服务器7 ;所述的部门服务器7与客户机5相连接，激光位移传感器4和摄像机6与客户机5相连接，客户机5通过路由器3与WEB服务器I和数据库服务器2互联。
[0019]本发明的工作原理如下: (1)装配产线所属车间组成局域网，其中总线拓扑结构为以太网。平板电脑、台式机、便携式电脑、智能终端、部门服务器等硬件设备通过Ethernet接口连接在总线上；
(2)企业内部局域网构建，Web服务器、数据库服务器、客户机、部门服务器通过路由器达到互联的目的，Web服务器负责装配动作分析、动作库构建、元机构管理以及元机构替代及组合等核心业务，数据库服务器存储装配操作数据及管理过程信息；
(3)数据采集硬件连接，激光位移传感器通过其控制器上USB、RS232C或thernet接口连接指定客户机，摄像机通过USB接口或无线网连接至指定客户机，从而完成相应客户机装配动作数据采集计算机外部设备连接之目标；
(4)操作视频文件存储，工业工程技术人员利用摄像机录制装配操作视频，然后根据步骤(3)说明的硬件连接方式将装配动作的视频文件存储在指定客户机的存储器上；
(5)装配工件形面数据存储，激光位移传感器沿一定方向扫描工件表面，激光照射到工件表面，发射的激光经激光采集装置、激光控制装置换算成工件的位置和形面三维数据，然后根据步骤(3)说明的硬件连接方式将工件表面三维数据点云集传送至指定客户机；
(6)采集数据上传，按照产品分类，利用网客户机将装配过程中采集到的装配操作视频文件及其对应的工件表面三维数据点云集经由路由器发送至数据库服务器，上传记录在部门服务器上备份；
(7)装配动作分析，局域网上任一台联网客户机，调用Web服务器上业务模块，通过装配动作显示装置、存储装置和处理装置，将装配作业分割成若干动作区分；
(8)分析工件位置信息，从数据库中读取与装配动作分析模块对应的工件形面三维点云数据集。利用Web服务器中的点云拼接算法和点云重建算法，重建出工件的三维数据模型，然后获取工件位置变化信息，然后上传至数据库服务器中；
(9)建立动作库，根据产品类别存储操作人员完成一种产品装配所需执行的每个动作，以及完成每个动作的时间和待装配零件空间位置变化数据，将装配动作数据存储在数据库服务器中；
(10)动作MOST表示，调用Web服务中动作MOST表示模块，确定装配操作MOST法表示，对MOST法进行分类整合，调整作业方法得到最优操作，并将结果存储在数据服务器中；
(11)建立元机构库，利用Web服务器元机构管理模块分类整理现有装配产线元机构和简单自动化设备的应用情况，形成装配产线元机构数据，并存储在数据服务器中；
(12)装配动作与机构的匹配，针对装配动作库中每个MOST法表示的动作，搜索元机构库，进行语义相似度计算，形成满足装配动作要求的组合机构方案，供用户评价决策，形成机构的关键技术参数，动作与机构匹配在Web服务器中进行。
[0020]本发明的装配作业动作分析与元机构组合替代方法，通过对产线作业员动作分析，实现作业员作业动作与简单机构组合或自动化设备的匹配关系，解决了生产线如何实现低成本自动化的问题，整个过程的实现将为装配企业节省很大一部分开支。
[0021]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种装配作业动作分析与元机构组合替代方法，其特征在于，所述的装配作业动作分析与元机构组合替代方法包括以下步骤: 步骤一、装配动作分析，按产品分类对生产现场的装配操作进行实时录像，并将视频存储在客户机，然后经路由器上传至数据库服务器，通过装配动作显示装置、存储装置和处理装置，将装配作业分割成若干动作区分； 步骤二、分析工件位置信息，利用激光位移传感器从不同视野采集装配过程中工件的三维表面数据，通过USB、RS232C或Ethernet接口将工件三维数据传至指定的客户机中，利用Web服务器中的点云拼接算法和点云重建算法，重建出工件的三维数据模型，然后获取工件位置变化信息，然后上传至数据库服务器中； 步骤三、建立动作库，根据产品类别存储操作人员完成一种产品装配所需执行的每个动作，以及完成每个动作的时间和待装配零件空间位置变化数据，装配动作数据存储在数据服务器中； 步骤四、动作MOST表示，确定装配操作MOST法表示，对MOST法进行分类整合，调整作业方法得到最优操作，并将结果存储在数据服务器中； 步骤五、建立元机构库，分类整理现有装配产线元机构和简单自动化设备的应用情况，形成装配产线元机构数据，存储在数据服务器中； 步骤六、装配动作与机构的匹配，针对装配动作库中每个MOST法表示的动作，搜索元机构库，进行语义相似度计算，形成满足装配动作要求的组合机构方案，供用户评价决策，形成机构的关键技术参数，动作与机构匹配在Web服务器中进行。
2.一种装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，其特征在于，所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，由上至下分别是客户层、请求接受层、应用服务层、感知层、数 据存储层； 所述的客户层的主要功能是:工程技术人员需要数据交互时通过Web服务器以及企业JavaBean (Enterprise JavaBeans, EJB)服务器提供的接口对系统进行访问，调用平台提供的各项功能； 所述的请求接受层主要用于接收从浏览器传来的请求并将其交给底层进行处理，同时将请求处理结果发送给浏览器，这些过程主要由JSP以及显示给客户端信息的Servlet组成，请求接受层可对数据进行一些简单的逻辑处理，不进行复杂的逻辑处理； 所述的业务逻辑层是平台的核心，运行于Java应用程序服务器中，所有事务处理逻辑均封装于EJB组件中，应用服务器为EJB组件提供一个优化的执行环境； 所述的数据感知层涉及两类硬件:摄像机和激光位移传感器，摄像机在生产现场录制的装配操作视频，并通过无线网上传到基础数据库中；激光位移传感器同步将采集到的工件三维数据上传到服务器上，并通过三维模型重构Bean实现工件空间位置信息的存储； 所述的数据存储层主要为装配作业分析及元机构组合替代提供基础支持，由装配动作库、MOST元素库、工件三维数据库、基础数据库、元机构库、元机构组合规则XML文件几部分组成，主要负责数据的存储、查询和备份，维护数据的一致性和安全性，为应用服务层提供数据服务。
3.如权利要求2所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，其特征在于，所述的客户层主要包括两种客户端，一种是纯Web浏览器的瘦客户端模式，另一种为从平台下载的基于Java的专用客户端。
4.如权利要求2所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，其特征在于，所述的业务逻辑层的业务流程为:工业工程技术人员利用摄像机录制装配操作视频文件，并通过激光位移传感器获取工件三维数据，然后通过三维模型重构算法实现工件三维模型的重建，从而得到与操作视频文件同步的工具位置变化信息；通过动作分类Bean确定操作所属分类，并利用动作分析模块实现装配操作的定义和分解，然后读取MOST元素标准数据库，采用人机交互的形式确定装配操作对应的MOST表达式及有效性，实现装配动作的优化，MOST元素标准数据库可通过动素维护模块进行管理；元机构信息管理模块主要负责常用装配生产线涉及的元机构的信息维护，所涉及信息存储在元机构库中；组合机构替代模块负责装配生产线装配操作动作与典型元机构的匹配度计算，如果匹配度满足要求，则进行机构替代，读取工件三维位置变化信息，确定对应替代机构的技术参数；否则，解析元机构组合规则XML文件，通过元机构的有效组合达到替代人工装配操作的目的；基础数据管理模块主要用以实现使用装配作业动作分析与元机构组合替代装置的人员管理、角色管理、用户管理、组织管理、操作视频文件管理等功能；分析统计模块通过读取装配动作库、基础数据库、元机构库，实现装配生产线动作分析与元机构替代的报表统计。
5.如权利要求2所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，其特征在于，所述的装配动作库存储装配生产线相应动作的分类、名称、编号、操作时间、MOST表示、动作要素信息，MOST元素库存储MOST基础数据表，由普通动作表、控制动作表和工具使用表组成；工件三维数据库存储装配过程中工件空间位置变化信息，即与对应视频文件每一帧时间刻度相对应的工件空间坐标值；基础数据库存储用户、人员、角色、操作视频文件数据；元机构库存储装配线常用基本机构的类型、名称、用途、关键参数、二维图像信息。
6.如权利要求2所述的装配作业分析与元机构组合替代方法的实现系统，其特征在于，所述的装配作业动作分析与原机构组合替代硬件拓扑结构包括WEB服务器、数据库服务器、路由器、激光位移传感器、客户机、摄像机、部门服务器；所述的部门服务器与客户机相连接，激光位移传感器和摄像机与客户机相连接，客户机通过路由器与WEB服务器和数据库服务器互 联。
【文档编号】G06F17/50GK103823938SQ201410082033
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2014年3月7日 优先权日:2014年3月7日
【发明者】房亚东, 漆振涛, 陈桦, 孙波, 汪耀如, 景瑞琪, 李改 申请人:西安工业大学