一种基于虚拟现实的铆接训练装置及方法

1.本发明涉及航空铆接技能训练技术领域，尤其涉及一种基于虚拟现实的铆接训练装置及方法。


背景技术：

2.铆接的连接强度较稳定可靠，容易检查和排除故障，大型飞机上有上百万个铆钉，适用于较复杂的结构的连接。铆接中最常见的铆接方式是锤铆。锤铆是利用铆枪的活塞撞击铆卡，铆卡推动装有铆钉的工件振动，在铆钉的另一端由顶把顶住，使钉杆镦粗，形成镦头。锤铆有两种方法，分为正铆和反铆。正铆是用顶把顶住铆钉头，铆枪的锤击力直接打在钉杆上而形成镦头；反铆是铆枪在铆钉头那面锤击，用顶把顶住钉杆一端面而形成镦头。（铆接中铆钉的前后可参阅图4、图5）铆接质量的好坏很大程度上取决于工人的操作水平，铆接容易产生各种缺陷，降低铆接强度。常见的缺陷有：构件表面打伤、孔径超差、铆钉孔错位、埋头窝过深、铆钉头未贴紧零件、镦头偏斜、夹层有间隙等，这些缺陷都与铆接过程有关。
3.由于铆接质量很大程度上取决于工人操作水平，如果铆接后出现了缺陷，又要采用钻头钻掉铆钉头，用冲子和顶把配合拆掉铆钉，此过程亦造成孔径超差；同时增加材料消耗，同时多次铆接会降低铆接强度，所以对工人的技能水平就要求比较高。操作工人达到熟练稳定的操作，通常都是通过大量的训练，才能达到操作要求。在企业培训新员工和职业技术类学校培训时，技能练习消耗铆钉、铝板材料多，加之航空用的铆钉和铝板对杂质含量控制较严，价格是民用的5倍以上，花费资金大，如果采用非航空用材料，又不能达到训练的目的。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明一方面提供了一种基于虚拟现实的铆接训练装置，包括铆卡、顶把和显示部件，所述铆卡上设置有第一数据采集设备，所述第一数据采集设备通过第一数据传输机构与显示部件相连接，所述顶把上设置有第二数据采集设备，所述第二数据采集设备通过第二数据传输机构与显示部件相连接，通过第一数据采集设备和第二数据采集设备采集铆接时冲击力的大小和作用时间，并通过显示部件模拟铆接的成形过程和成形结果，来训练铆枪开关的操纵量。
5.具体的，所述第一数据采集设备包括第一加速度计和第一计时器，所述第一加速度计和第一计时器均设置于改装后的铆卡内，改装前后的铆卡质量相同，所述铆卡设置于铆枪上。
6.具体的，所述铆卡上设置有可拆卸插头a，所述插头a分别与第一加速度计和第一计时器相连接，去掉插头a后，铆卡可正常铆接。
7.具体的，所述第二数据采集设备包括第二加速度计和第二计时器，所述第二加速度计和第二计时器均设置于改装后的顶把上，改装前后的顶把质量相同。
8.具体的，所述顶把上设置有可拆卸插头b，所述插头b分别与第二加速度计和第二计时器相连接，去掉插头b后，顶把可正常铆接。
9.具体的，所述第一数据传输机构和第二数据传输机构均为软体导线，第一加速度计、第一计时器、第二加速度计和第二计时器均通过软体导线与显示部件相连接。
10.具体的，所述显示部件为便携式显示器，所述便携式显示器上设置有显示屏、电源、微处理器、存储器、显示控制器和铆钉型号选择按钮。
11.本发明另一方面提供了一种基于虚拟现实的铆接训练方法，该方法包括如下步骤：s1：铆接作业时，通过第一加速度计和第二加速度计分别记录铆卡和顶把的振动数据，通过第一计时器和第二计时器分别记录铆卡和顶把的作用时间；s2：铆接结果预采集，并建立数据库；s21：分别采集铆卡振动a1和作用时间t1以及顶把振动a2和作用时间t2四个变量单一变化作用下的铆接图像，建立单一变量作用下的铆接质量图像数据库；s22：将图像数据库转化为数字形式，并建立四维变量作用下的四维数据矩阵并将该数据矩阵保存在存储器中；s3：铆接效果显示，铆卡和顶把采集到的振动和时间数据传输至微处理器，微处理器将振动和时间数据与存储器内保存的数据进行四维插值计算，并输出结果，然后将数字结果处理成图像信息，输出到相应的铆钉型号选择按钮下进行存储，并通过显示屏进行显示，同时，当铆钉镦头尺寸在要求合格的公差范围内时，语音提示，学员根据显示结果，调整铆枪开关的操纵量。
12.具体的，步骤s22包括如下子步骤：s221：将采集到的铆接图像按照灰度和亮度进行数字化，并建立状态矩阵，；s222：图像数据库规划处理，确定图像质量阈值m*n，当图像分辨率小于该阈值时，剔除该图像；s223：图像规范化，对于满足分辨率要求的图像，以中心点为中心，对称提取m*n个像素，此时，所有的图像均可表示为：；s224：建立四维变量矩阵和图像数字矩阵库。
13.具体的，步骤s3包括如下子步骤：
s31：记录铆卡（4）和顶把（2）采集到的振动和时间数据，应用插值算法，获取该工况下的对应的图像数字矩阵：；s32：将数字图像信息转化为模拟图像，并在显示屏上显示。
14.本发明的有益效果在于：结构简单，成本较低，能充分发挥虚拟现实的优势，模拟真实铆接环境，虚拟转化到现实简单直接，同时虚拟和现实情况下均能使用；节约铆钉和铝板，培训费用较低，培训效果好。
附图说明
15.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，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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
16.图1为本发明结构示意图；图2为铆枪结构示意图；图3为顶把结构示意图；图4为铆接前铆钉结构示意图；图5为铆接后铆钉结构示意图；图6为本发明数据处理流程图；图中，1-铆枪，2-顶把，3-铝板，4-铆卡，5-第一加速度计，6-第一计时器，7-第二加速度计，8-第二计时器，9-铆钉，10-镦头，11-插头a，12-插头b。
具体实施方式
17.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
18.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。
19.下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
20.实施例1：参阅图1-6，一种基于虚拟现实的铆接训练装置，包括铆卡4和顶把2，其特征在于，
还包括显示部件，所述铆卡4上设置有第一数据采集设备，所述第一数据采集设备通过第一数据传输机构与显示部件相连接，所述顶把2上设置有第二数据采集设备，所述第二数据采集设备通过第二数据传输机构与显示部件相连接，通过第一数据采集设备和第二数据采集设备采集铆接时冲击力的大小和作用时间，并通过显示部件模拟铆接的成形过程和成形结果，来训练铆枪1开关的操纵量，提高铆接手动操作水平，通过训练可避免铆接后铆钉9成形后的各种缺陷的发生（至少包括孔径超差、铆钉镦头10形状的高度过小、铆钉头未贴紧零件、镦头10偏斜和夹层有间隙等）。
21.进一步的，所述第一数据采集设备包括第一加速度计5和第一计时器6，所述第一加速度计5和第一计时器6均设置于改装后的铆卡4内侧，改装前后的铆卡4质量相同，所述铆卡4设置于铆枪1上。
22.进一步的，所述第二数据采集设备包括第二加速度计7和第二计时器8，所述第二加速度计7和第二计时器8均设置于改装后的顶把2上，改装前后的顶把2质量相同。
23.进一步的，所述第一数据传输机构和第二数据传输机构均为软体导线，第一加速度计5、第一计时器6、第二加速度计7和第二计时器8均通过软体导线与显示部件相连接。
24.进一步的，所述第一加速度计5、第一计时器6、第二加速度计7和第二计时器8均可通过胶状填充物进行固定。
25.进一步的，所述第一计时器6和第二计时器8为晶振计时器。
26.进一步的，第一数据传输机构和第二数据传输机构也可采用振动发电，实现无线连接。
27.进一步的，所述显示部件为便携式显示器，所述便携式显示器上设置有显示屏、电源、微处理器、存储器、显示控制器和铆钉型号选择按钮。
28.进一步的，本发明采用实体铆枪1进行铆接，而在铆接过程中，对使用的铆卡4和顶把2进行改装，在铆卡4中间加装第一加速度计5和第一计时器6，并通过软体导线将第一加速度计5和第一计时器6的信号引出，所述铆卡4上有快速插拔的插头a11，且改装后的铆卡4和原铆卡质量相同。此外，在顶把2上也加装第二加速度计7和第二计时器8，所述顶把2上同样设置有快速插拔的插头b12，并通过软体导线将第二加速度计7和第二计时器8的信号引出，改装后的顶把2与原顶把质量相同。显示部件用以显示铆接扣动按钮的进气量的大小，并通过铆卡4和顶把2上的加速度感应冲击力的程度和计时器的记时，最终通过微处理器计算铆接成形的程度，并显示铆接的成形过程和成形的结果。
29.进一步的，本技术的铆卡4和顶把2分别在去掉插头a11和插头b12后均具备正常铆接的功能，当需要对学员进行训练时，分别将插头a11和插头b12装入铆卡4和顶把2中，连上显示部件，在铆卡4和顶把2之间放置铝板3后，即可训练铆枪1开关的熟练程度，以达到和顶把熟练配合，铆接出高质量的铆钉9。
30.通过本发明可较好的帮助学员铆接出较高质量的铆钉9，并且还能节约资源，提升工作效率。因为如果铆接后铆钉9质量不好，就需要用钻头钻掉，重新铆接，如果这样，就浪费铆钉9，而且工作效率也很低，并且多次拆铆钉9然后铆接，铆接连接强度也会降低。
31.可以理解的，本发明重新设计制作铆卡4和顶把2，同时新增显示部件，重新设计的铆卡4仍具备原铆卡的功用，同时还增加了实现虚拟现实的铆接功用，通过实际铆枪1、顶把2和铆卡4的作用，使铆钉杆的锤击力是通过铆卡4传递的。因为铆卡4和顶把2本身仍具有实
用功能，可以通过铆接实物对比虚拟铆接的效果，达到实体虚拟的效果。
32.铆接时，需要连接气管，还要在铝板3上虚拟铆接，只是不放铆钉9，主要训练铆枪1开关和顶把2的配合熟练程度，通过控制最大振幅和最小振幅，控制学员的开关大小程度。刚开始时，轻击两声，判断顶把2是否存在，通过时间长短，控制成形形状，每次成形不能超过三次：第一次，轻叩两响，判断顶把2是否顶上；第二次，长时间扣动铆枪扳机，铆接初步成形；第三次，观看成形形状，决定是否进行补充扣动铆枪扳机，继续补充成形。
33.铆接成形的好坏和顶把的质量、气压大小、铆接作用时间长短、人对铆枪和顶把的把控等因素有关。具体的，本技术通过如下方式反应这些因素：气压大小通过铆卡4的振动情况反应；顶把2的作用力度用顶把2的质量和振动程度反应；铆接作用时间长短用计时器记时。铆接最终成形的好坏，是这些因素共同作用的复杂结果。
34.一种基于虚拟现实的铆接训练方法包括如下步骤：s1：铆接作业时，通过第一加速度计5和第二加速度计7分别记录铆卡4和顶把2的振动数据，通过第一计时器6和第二计时器8分别记录铆卡4和顶把2的作用时间；s2：铆接结果预采集，并建立数据库；s21：分别采集铆卡4振动a1和作用时间t1以及顶把2振动a2和作用时间t2四个变量单一变化作用下的铆接图像，建立单一变量作用下的铆接质量图像数据库；s22：将图像数据库转化为数字形式，并建立四维变量作用下的四维数据矩阵并将该数据矩阵保存在存储器中；s3：铆接效果显示，铆卡4和顶把2采集到的振动和时间数据传输至微处理器，微处理器将振动和时间数据与存储器内保存的数据进行四维插值计算，并输出结果，然后将数字结果处理成图像信息，输出到相应的铆钉型号选择按钮下进行存储，并通过显示屏进行显示，同时，当铆钉镦头10尺寸在要求合格的公差范围内时，语音提示，学员根据显示结果，调整铆枪1开关的操纵量，以此来达到提高铆接手动操作水平的目的。
35.进一步的，步骤s22的具体处理方法为：s221：将采集到的铆接图像按照灰度和亮度进行数字化，并建立状态矩阵，；s222：图像数据库规划处理，确定图像质量阈值m*n，当图像分辨率小于该阈值时，剔除该图像；s223：图像规范化，对于满足分辨率要求的图像，以中心点为中心，对称提取m*n个像素，此时，所有的图像均可表示为：
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；s224：建立四维变量矩阵和图像数字矩阵库。
36.进一步的，步骤s3的具体处理方法为：s31：首先，对于某次铆接作业，传感器（包括第一加速度计5、第二加速度计7、第一计时器6和第二计时器8）记录相关数据，应用插值算法，获取该工况下的对应的图像数字矩阵： ；s32：将数字图像信息转化为模拟图像，并在显示屏上显示。
37.进一步的，在显示部件上可以设置多个铆钉型号选择按钮，对应不同铆钉9直径和不同材料的铆接工况。
38.需要说明的是，对于前述的实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本技术并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本技术，某一些步骤可以采用其他顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例属于优选实施例，所涉及的动作并不一定是本技术所必须的。
39.此外，术语“连接”、“设置”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“连接”、“设置”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“连接”、“设置”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
40.上述实施例中，描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。