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研究的INTERACT德业 （2007 ） 1:143-154作者10.1007/s12008-007-0016-2模拟的数值控制工具机（ NCMT ）基于虚拟现实使我们以前的可视化上生产的部分执行不同的进程。此外，仿真允许没有经验的工人在一个安全的方式来学习如何控制机器，即使从远程位置通过网络。在航空业常用的数控铣床机的发展提出了这里。基于面向对象编程，这就有可能升级和模块化的机器架构及其环境。每台机器的元素是由一个C + +类，以及解释的NC程序代码行的编译器。关键词：制造，仿真，虚拟现实，加工机床，数控这些项目中的一个优化的生产过程，并大幅度降低成本和应用时间。由于工厂模型在仿真模式下运行，可以运行成千上万倍的速度比真正的工厂操作，管理人员将有快速，非破坏性的方法，用于测试各种生产策略。实际操作建议可以改进的无风险3在模拟测试。班纳吉 4认为，加上适当的计算机推理和决策支持工具，在控制模式下的虚拟工厂经营，将是一个相当数量的自诊断能力。从实际的工厂数据的推动下，虚拟工厂将能够分析整个工厂的性能，不断地确定优化操作，以降低成本，减少生产时间，提高质量，或再利用材料的潜力。例如，虚拟工厂将能够使用由工厂监控系统收集的数据，分析潜在的和实际的故障，并找出问题的原因。这种制度假定的每一块，给予一定的监测数据，可用于与诊断系统和推理支持工具，以找出问题的根源一起在工厂设备数据库的可用性。另一方面，引入新的生产机械或更现代的系统时，不可忽略的不确定性总是产生特别是对最老工人。这是厂长的责任，认真管理这些改进，因为不适当的工人更新有可能对应用时代的负面影响5。 有时，设备的复杂性或成本过高，使不可能的，一个没有经验的操作员可以负责照顾他们。一遍又一遍，工人培训是必不可少的。欧洲新的教育政策，提供这些方面，并强调需要有一个真正的继续教育6。大学的研究必须缩短，因为真正实践学习，最终将公司内部的开发人员在整个职业生涯。2目标这里的机器是一个3轴立式磨粉机模型EMCO_ PCMILL 50 ETSIA学生在他们的生产实践中使用。通常PCMILL是， ETSIA学生面临的数控机床。尽快编程的基础上，并系统的语法解释，同学们自己写的程序。开展几个几何形状的加工，在一个棱柱形的泡沫部分。然而，操纵，他们可以执行的机器上是有限的。在处理这些昂贵的设备的安全事项和经验不足挫败的最有兴趣的学生7的希望。图1显示了铣床的工作区。虚拟现实技术也出现作为一个理想的学习方式。电脑屏幕上有一个现实的生产环境，学生可以自由移动，处理工具，学习机的行为，或尝试他们在自己的代码行的编译器，使尽可能使用通常限制8,9 。由于动机是一个在任何教育体制的一个重要方面，事实上，学生可以访问从民政部门的网站和互动铺平了道路，为一个更现代的教育方式，他们在接近的内容，他们更感兴趣的是和了解自己的好奇心这种好奇心和学习愿意将转交工人，这些工程师将在未来负责。3，装机铣床是一种电力驱动机用于金属和非金属零件的复杂塑造。其基本形式是一个旋转的刀具或结束同心旋转的磨主轴，和可移动的表上安装和夹紧工件。虽然刀具一般保持静止（其旋转的除外） ，而工件正在完成切割动作，模型PCMILL 50运行向上和向下移动铣头Z轴。铣床可以进行复杂的操作，如开槽，刨，钻，退税等，广大，可手动操作，或在计算机数控（CNC ） 。在20世纪40年代末和50年代初开发数控伺服系统由麻省理工学院的实验室。根据合同与密歇根州，威廉M皮斯和詹姆斯麦克唐纳的帕森斯公司设计一个实验性的数控铣床，通过穿孔纸带上的数据方向。表现在1952年的第一个工作日连续路径的数控铣床模型。进一步研究当时的美国空军的赞助下进行的。随后，实验室的计算机应用小组，由道格拉斯.罗斯的带领下，开发了自动编程工具语言（ APT ） ，易于使用，特殊用途的编程语言10。因此，任何数控铣床有两个基本的操作模式：手动模式和自动模式。在手动模式下，系统的行为，任何模拟铣床。不同元素的议案，该工具的革命或分配工件的某些特征尺寸的变化可以通过一个特殊的键盘排列。然而，真的使NCMT有趣的特点是其电源，阅读，理解和执行的指令序列。这些序列（或NC程序）控制所有机器元素的同时，使加工复杂曲面的一部分。这些任务是机器自动模式下的责任。在这种模式下， NC程序已加载后，机器控制器读取的行代码，检查语法，并发出了一个信号，以适当的引擎或驱动器，以执行指令。根据机器的类型和复杂性，这种指令集合可以是很广泛的。然而，所有的数控机床工具有共同的一套基本的订单，如程序的开始和结束，移动和停止的工具，快速和慢速运动，冷却液活化，等等。按照DIN66025 PCMILL50使用数控机床的编程。此NC程序由控制单元中存储的程序块序列。当被加工工件，计算机读取和检查这些块，根据编程序列和相应的控制信号发送到机床。4物理模型包括物理模型设计中的应用开发的第一步。我们将谈论的用户界面以后，所以我们将集中精力对每个元素组成机及其环境的创造。重要的是准确的物理模型，适合于现实。如果模拟的目的是培训，新用户之间的真实模型，其代表性的过度的差异可能会造成混淆。但是，如果目的是预测机器的行为（碰撞研究，例如）或视觉预览和调试数控程序，这方面是至关重要的。因此，第一步必须由准确的通过任何机械设计CAD软件的设计。从现有的市场上， Solid Edge的方案多种多样，从EDS的PLM解决方案，选择许可证的原因。达索系统CATIA，是另一个不错的选择。这其中还允许直接被转移到VR软件模型。像在上一节中定义一个三轴铣床，显然不会有过多的并发症。动作执行机械，驱动器和真机的齿轮。这些任务是负责逻辑模型在虚拟表示，这样的物理模型似乎并不复杂。除了动元素放置在虚拟环境中，它提供了现实主义的场景，物理模型由几个固定件，如套管和控股的元素，和一些其他的移动件，如工作台，夹具，工具或安全门。工作台是左向右运动的矩形金属平台。这是斜靠上又向前向后的运动平台。完整的组装提供了两个自由度在一个水平面。钳修复工作台的一部分。尽管该系统实际上是手动打开，自动运动已在逻辑模型。铣头和主发动机一起移动上垂直工作台移动的。上下运动给第三的自由程度和可能的复杂曲面加工。数控机床的最有一个工具集，必要时会自动改变。换刀通过在的PCMILL手是这样的物理模型，并不代表任何机器人的工具集。此功能是可用的，然而，在类的实现。图2显示了半成品的三维模型铣床。直到几年前，在传统的PC图形设备的功率计算是有限的，工作超详细的模型，这是不可取的，因为一个形象逼真的进展是一个不愉快的运动放缓截断。所有这些不良影响将逐渐消失，新的图形卡的电源，其中许多配备了灯光和纹理绘制的具体电路。无论如何，这是首选使用非多边形的数量过多，在模型设计允许任何一台计算机上运行程序。接下来的任务就是渲染。3DStudio- Max 6 ，从Autodesk_ ，被选中的原因有两个：一方面，渲染引擎，享有崇高的威望和模型中的纹理和材料除了原来很简单11 。另一方面， 3DStudio作为原始设计阶段和VR的阶段之间的桥梁，因为它承认使用的格式： Solid Edge和Virtools。 图3显示的3DStudio最大6个接口和材质编辑器。例如，套管已呈现与金属灰色的普通材料：大部分材料和纹理已提取的真机和它的环境，数字改变，并添加到物理模型。最后，该模型必须出口到VR软件。在那里，将建成并现场将有可能与它交互。5逻辑模型和虚拟现实作为一个视频游戏开发平台Virtools的开发（ ）出生。该方案提出了一些工具来建立在用户处理环境和人物。这些工具包括在一系列特定任务的逻辑块：移动，旋转，切换等。 这些系列的块或并行连接作为一个流程图，可以模拟在一个精确的方式，根据模型的复杂性和准确性，任何所需的行为。例如，直线运动的传送带可以简单地实现图。 4所示：连同， blockper第二块翻译，它代表的移动行动已添加的移动物体，以获得更精确的控制。显然，如果它假装模拟精度在百分之一毫米和不同的位移和旋转制度秩序工作的NCMT的确切行为，框图的设计变得更加复杂。图5显示了一个点，以点运动图，在账户以前暴露考虑。 现场的建设过程是类似的内心深处的三维设计方案。在这项工作中，的ETSIA生产车间进行了模拟。其中选择了Virtools的开发，其中的一套可用的相机和灯光非常大的数目，为了表示与现实主义的场景。通过地面或墙壁或摄像机运动不可能也成立。一切的目的是使尽可能真实的第一人称视角。图6显示了Virtools的三维模型，层次结构树和运动脚本的开发接口。 现场，尽快建立和加载到虚拟空间中的元素，第一项任务包括在指派一个参照系统，每个对象的层次依赖。在这种情况下， Word对象有两层含义。一方面，对象是，我们已经从设计方案，例如，外壳或发动机进口的模型。另一方面，对象是指在面向对象编程（OOP）的阶级结构的基本元素。虽然我们将对此发言后，我们必须表明， Virtools的开发，其内部结构属于这一规划理念（所有的程序是C + + 1典型的物件导向语言实现） ，安排在友好的用户界面在同其模型方式，因为它在内部管理类和子类。这使得工作变得更加容易，尤其是沟通程序，或加入行代码时，其功能。参考系统分配被称为帧的对象。他们在三面的形状和保持两种类型的信息表明：关于通过直角坐标和欧拉角的空间位置和方向的数值信息。信息（ float和string类型）有关这架链接的对象，如它的名字和真机的某些几何特征。对于例如， X_AXIS的驱动对象，其在现实世界中的最高和最低位置分别为15.00和10.00厘米，分别需要至少三个成员变量（或属性的定义，根据Virtools的开发）框架在移动该驱动器的费用：名称： “ X AXIS ” ， X max = +15 ; X min = -10 。其他两个重要的成员变量的当前位置和最终位置。第一帧和其挂钩对象移动实时更新。第二个变量是从机控制访问。每当一个对象必须被发送到某个位置，控制，修改这个属性的值，并执行脚本的运动。该脚本是我们以前谈到的操作顺序，在屏幕上显示流程图。一旦控制修改的最终位置，并触发脚本，相应的帧开始移动，拖动所有链接的对象，根据层次结构。 例如， “ X Axis Drive ”框架议案涉及的工作表，夹具和工件的联合位移。其实，运动的脚本等等。它发送一系列的消息，沟通的状态，其余的对象和检查，目前的移动框的位置不超过本机的物理极限。整机的操作包括在这项计划的重复。从真机的每一个移动的对象是其相应的程序移动配合。最后，法律的议案（每个脚本的一项法律，如许多的真正的对象有脚本的数量）补充说：线性 点到点的运动，圆周运动，旋转纯，等。6编程机器控制器和用户界面在Visual C + +实现项目基于文档/视图结构和Microsoft MFC库。6.1文件在文档/视图应用程序，数据存储在文件从光盘驱动导出一个MFC类对象。 “文件”一词是有点误导，因为它可以从卡在扑克在线连接与远程数据源的模拟甲板，几乎所有的东西。 “文件” ，在“文档/视图”是指一个程序的数据绘制一个数据是如何存储和它是如何呈现给用户之间的边界清楚的抽象表示。通常情况下，文档对象提供公共成员函数，可以使用其他对象（如连接到该文件的意见）来查询，编辑，存储文件数据。所有的数据处理文档对象本身微软系统杂志二月（1996）。 在这个项目中，文档对象是负责保存，阅读或装入机器运行NC程序。进入模拟器包括一个编译器解释这些方案的实时行代码，根据标准DIN 66025和相应的订单发送到不同的对象，使机器。每行代码，然后触发一个或几个脚本，取决于复杂的行动表示。例如，为了G00的会导致一个点到点的运动，地下G02导致圆周运动的主要程序和M30完成。 图7显示了一个NC程序的编译器能够读取这些机器的典型语法的例子：图。 8显示加工工件从图中所显示的代码执行。 有这些特点的编译器允许我们实时检查12 ：语法的程序。如果任何行是错误或不完整的，编译器会警告我们对这种情况。正确的部分加工。由于工件上执行的操作是可见的编译器行代码读取和执行命令，为了将导致一个不正确的几何形状，将立即注意到此外，最典型的DIN -PLUS的标准功能和固定循环包括在内，因此该方案能够理解并执行不同的数控文件13。此功能变成一个强大的工具，模拟器，不仅要学习，但作为质量控制的电台。为了能够进入虚拟环境中检查和纠正行代码，降低成本，格外增加了工作的安全，因为没有必要钻任何实质部分或把用户处于危险之中。然而，准确的可视化过程具有一定的局限性，我们稍后将看到。6.2查看虽然只是为了一个文档对象是存储应用程序的数据，视图对象存在有两个目的：以呈现在屏幕上的文档的数据可视化表示，并翻译用户的输入，尤其是鼠标和键盘消息，不命令消息到文件上进行操作的命令发送到文件对象。因此，文件和意见，是紧密相关的，它们之间交换的信息流两种方式。在这个项目中的View类是负责在屏幕上显示的用户界面。通过一系列按钮和非模态和模态对话框（即持续或屏幕上的非持久性）是有可能的访问机器的所有控制和参数调整。据预计，用户界面直观和尽可能贴近现实。例如，每一个按钮已拍摄的照片，从原来的键盘，数字改变，并插入到项目中提取。一位工人学会使用这个接口铣床，后来遇到真机将不会有任何怀疑的真实控制及其相应的位图显示在屏幕上。 图9显示了用户的一组按钮，编辑框行代码加载和机器的主窗口界面。6.3类层次结构Virtools的开发提供了一个ActiveX除了VR软件控制。这种控制进行了两项任务它插入到用户界面的虚拟世界。 ActiveX控件读取Virtools的开发。所有的对象和脚本实现，并显示一个窗口，整个大会。它使机器模拟器和可能的场景之间的通信。 Virtools的开发接口，以图形方式显示对象的结构和层次结构耦合到一个类里面的编程结构的抽象对象。不幸的是，操纵这个对象施加的ActiveX控制手段是不够的，我们自己的抽象类的执行结果是更为有利可图。这种工作更灵活的方式，允许程序员定义的属性（成员变量）和函数（方法） ，这是在Virtools的开发环境是不可想象的。例如，我们定义的抽象类C Part，其对象代表工件。内执行这个类的属性可以定义为：该对象可提供与高度，宽度，深度和质量。此外，类C Material ， C Part子类，可以被定义为了保持物理和化学特性：温度，强度，杨氏模量等的可能性是无限的。图10显示了本机的类层次结构。想象一下，刀尖穿透工件。有时有趣的是，要知道在加热条件下的工具，旨在研究耐久性或失败条件。趁着这个类的结构，模拟器可以延长与有限元模型预测机器的行为。总之，它提供了实时信息有关的相对位置，物理性质，化学性质，工作条件，电源或任何其他的，我们将要添加的用户。7未来发展这似乎是显而易见的，如果该工具是加工部分，演习和浮雕应在实时看到。然而，它不会是这样的。 Virtools的开发要求，要出现在现场，所有的元素被加载（虽然不一定是第一个可见的） 。如果加工要实现的片上随机（例如两个演习和凹槽） ，我们应该加载无限钻组合。此刻的工具孔的一块，该方案应该改变网格，并显示一个新的形象包含钻。当然，这是不可行的。虽然一直沿着这些线路进行测试，它似乎并没有显示实时的制造模拟的最佳途径。一个解决这个问题，我们已开发类结构为基础，包括在加工过程中的分离机操作和显示一个独立的窗口过程。有关对象的一部分，工具， x axis drive等中的位置，实时更新信息，让我们每一刻都在显示图形库的一部分发展。使用语言的OpenGL Sylicon图形， NURBS曲面，这种试验已经完成。7.1 NURBSNURBS曲面，非均匀有理B样条的缩写，是一个数学模型，通常用于在计算机图形曲线和曲面生成和代表。工程师们需要一个自由曲面的数学精确的代表性，如车身和船体，可以完全复制时，技术上需要使用的，在20世纪50年代开始发展的NURBS （实际上贝塞尔曲线） 。这种表面的前表示只存在由设计师创建一个单一的物理模型。这个发展的先驱皮埃尔贝兹作为一名工程师工作在雷诺，雪铁龙在法国，曾在保罗卡斯特雅乌 。贝塞尔工作几乎平行卡斯特雅乌的，不知道有关的其他工作。由于贝塞尔出版他的工作的结果，在平均计算机图形用户今天承认样条线，这是控制趴在曲线本身作为贝塞尔样条，而德卡斯特雅乌的名字是唯一的已知和算法，他开发评估点代表参数曲面。NURBS曲线的定义是它的秩序，一组加权控制点，并结矢量。 NURBS曲线和曲面的B样条和贝塞尔曲线和曲面的概括。而演变成只有一个参数方向，通常称为S或U ， NURBS曲线， NURBS曲面分为两个参数方向发展，称为S和T或U和V 14。评估各种参数值的NURBS曲线，该曲线可以表示在笛卡尔两个或三维空间。同样，通过评估在不同的两个参数值的NURBS曲面，表面可以代表在笛卡尔空间。编辑NURBS曲线和曲面是高度直观的和可预见的。通过一系列的控制点，总是连接直接曲线/表面或行为，如果他们被橡皮筋连接获得所需的几何形状。根据这些控制点的位置，表面弯曲和延伸到一个圆柱形的形式从平面形式。图11显示了两种不同的控制点相同的加工零件。 NURBS曲面，也可以根据不同层次的连续性加入：位置连续性（ C0 ）出现时，两条曲线或曲面的结束位置是巧合。曲线或曲面仍可能满足于一个角度，从而产生一个尖角或边缘，造成破碎的亮点。切向连续性（ C1 ）需要平行的曲线或曲面的最终载体，排除了尖锐的边缘。上边缘相切连续下跌是因为亮点总是连续的，因而显得自然，这一级别的连续性往往是足够了。曲率连续（C2），进一步要求的最终载体是相同的幅度。重点落在曲率连续的边缘上不显示任何改变，导致两个表面出现为一体。这可以直观地认定为“完美流畅” 。在创建模型需要许多双向立方米补丁，其中包括一个连续的表面的这一级别的连续性是非常有用的。在这个项目中，部分设计已直接从OpenGL开发的Open GL 15 ，所以它一直是有必要的最低水平，也就是说，通过控制点的研究，从编程的表面。作品由平面的集合。因为它有可能削减任何一个NURBS表面的图案，一旦该工具已被选定，这个模式适合的工具头的形状。尖的那一刻孔的一部分， C工具和C部分对象发送消息的程序，启动面切。这种切割持续只要工具里面的一部分。因此，在加工中可以看出，在实时。图12显示了一个例子加工插入到用户界面。 NURBS曲面似乎是一个非常令人满意的解决方案。7.2柔性制造单元作为最后一步，它预计该模拟器将作为一个平台，逐步持有的机器，在ETSIA制造车间的工作 16 。已与此目的而设计的虚拟场景和Virtools的开发文件的结构，让我们在必要时添加新的对象。阶级结构也已为此开始从设想。图13和14显示了完整的柔性制造单元（ FMC）的发展在ETSIA制造部，拥有一个类似的类层次结构17的一个例子。图12显示了“真正的”系统视图，而图。 13显示了一个“虚拟”系统的娱乐18。在FMC有两个数控机床工具，数控车床和数控铣床。都有自动变化的工具和自动夹紧/松开部分设备。部分机器人从机加载/卸载，而第二个机器人准备在未来的工程和管理仓库和自动测量站。所有的系统，计算机控制，无需人工干预下。编程结构也已构思新机模拟器添加新的控制面板。他们将显示在屏幕上，通过非模态对话框（或持续） 。插入到虚拟环境中的每一个新的机器，需要采取控制机具有每一个物理对象和逻辑模型的抽象对象的集合，通过Virtools的开发，显示了真机的物理特性和运动学建成。翻译的一部分，从一台计算机到另一虚拟环境中的手段，尽可能编程，这个对象可以从所有的机器访问。由于所有的数控机床，共享相同的工作理念，为所有的编程结构。每台机器都有驱动器，工具，工具集和夹具，所以类结构还没有进行修改。工件和变化，这些行动已造成上执行的所有操作有关的信息存储到从部分的C Part类对象。然而，在FMC的一部分，通过不同的机器上执行不同的进程实时表示原来是相当困难的，尤其是如果这些进程意味着复杂的几何形状的加工。一个可能的解决方案的最后陈述后工件的加工过程包括执行一系列布尔运算的NURBS元素。由于每一台机器会导致部分的具体几何，所有这些几何相交会导致最后的几何图形。8结论已提交一个详细的一步一步建设一个VR铣床。结果是一种低成本的模式，可以在个人电脑上运行。从这一结果，可以很容易到达的发展更复杂的模型，添加相应的VR硬件设备。 VR软件的内核已经建有这样的表现。飞行模拟器训练飞行员的飞行任务，基于虚拟现实的机模拟器以类似的方式将允许用户（工人或学生）面对真正的机器，第一时间有深入的了解他们的运作，他们的特点及其局限性。培训将不以VR机器制造领域提供了唯一的好处。每当制造系统的预测，如增加新设备或新种零件的发展，新的作战条件下的行为是必要的， VR将成为最常用的和有用的工具。作为在航空业中使用的，它是可以移动和机械化与几个移动头和10多个自由度超过20吨长和加权的稳定，规模巨大的机器将访问谁拥有任何学生仿真程序或通过互联网访问它。参考文献1。文斯， 詹姆斯. ：必不可少的虚拟现实。如何理解技术和虚拟现实技术的潜力（ 2001年）2。徐， Z。 ，赵，Z ， Bines ，刻录：构建虚拟制造仿真环境。诠释。研究制品。水库