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虚拟现实在制造业中的应用
摘 要
虚拟现实（VR）已经成为科学和工程领域中一种重要和有效的工具。VR应用涵盖从产品设计到分析，从产品原型到制造的广泛工业领域。产品的设计和制造可以在其原型制造之前在虚拟环境中查看，评估和改进，这是一项巨大的成本节约。 虚拟制造（VM）是使用计算机模型和制造过程模拟来帮助制造产品的设计和生产。VM是使用基于制造的模拟来优化特定制造目标的产品和流程设计，如：组装设计; 质量; 精益作业；灵活性。
关键字 虚拟现实；虚拟现实应用；虚拟制造
- 引言
虚拟现实是一种涵盖广泛思想的技术。 它定义了许多研究人员和公司表达他们的工作的一个整体。这句话源于销售虚拟现实系统的原始公司之一VPL Research的创始人Jaron Lanier。 该术语被定义为“一个人沉浸在计算机生成的交互式的三维环境其中”。这个定义有三个关键点。首先，这个虚拟环境是计算机生成的三维场景，需要高性能的计算机图形才能提供足够的真实感。第二点是虚拟世界是互动的，用户需要来自系统的实时响应以能够以有效的方式与其进行交互。最后一点是用户沉浸在这个虚拟环境中。
虚拟现实系统的识别标记之一是用户佩戴的头戴式显示器。这些显示屏挡住了整个外部世界，并向佩戴者呈现完全受计算机控制的视图。用户完全沉浸在一个人造的世界中，并脱离真实的环境。为了使这种沉浸感看起来逼真，虚拟现实系统必须准确地感知用户如何移动，并确定在头戴式显示器中将呈现的场景将具有什么效果。
- 虚拟现实与虚拟制造
“虚拟制造”这个术语在20世纪90年代早期首次引人注目，部分原因是美国国防部虚拟制造计划。这个概念和术语现在已经获得了广泛的国际认可，并且范围有所扩大。20世纪90年代前半期，这一领域的开创性工作由少数几个主要在航空航天，土方设备和汽车行业的主要组织完成，另外还有一些专门的学术研究小组。最近，由于所需硬件和软件技术的价格和性能改进以及对虚拟制造巨大潜力的认识提高，全球市场兴趣日益加剧。虚拟制造可被视为快速发展信息的有利技术之一技术基础设施。
虚拟制造在很多情况下都是松散使用的。它广泛地涉及制造系统和组件的建模，有效地利用视听或其他感官特征来模拟或设计实际制造环境的替代品，主要通过有效使用计算机。其动机是提高我们在实际制造之前预测产品功能和可制造性方面的潜在问题和低效率的能力。
有时在虚拟制造环境中提到的另一个术语是敏捷制造 - 有时将其定义为通过整合三种主要资源（组织，人员和技术）实现敏捷性的结构。实现这一目标的一种方式是通过创新的管理结构和组织，知识丰富的人员的技能基础以及灵活和智能的技术。鉴于敏捷性侧重于根据客户的意见对产品和流程进行快速更改的能力，虚拟制造为此提供了一种手段。虚拟现实（VR）已被通用汽车和卡特彼勒等公司用于构建车辆的电子原型，而不是物理原型。这个过程显着缩短了产品开发时间。示例如图1所示。
- 关于虚拟制造的主要信息
虚拟制造（VM）有许多定义。岩田Iwata在1990年将VM定义如下：“虚拟制造系统是一个计算机系统，它可以产生关于制造系统的结构，状态和行为的相同信息，正如我们在实际制造系统中可以观察到的一样”。
1994年虚拟制造用户研讨会的报告包括对VM及其定义的深入分析：“虚拟制造是一种综合合成制造环境，旨在加强各级决策和控制”，并广泛注释了该虚拟制造环境，涵盖所有当前功能和制造业务方面。在这个有用的分析中也突出了制造虚拟的实际方面。在马里兰大学进行的一项研究中，可以找到与生产设计和控制有关的VM问题的全面和彻底的文献调查。
巴斯大学项目团队给出的VM定义值得关注。根据这个定义：“虚拟制造是使用台式虚拟现实系统进行计算机辅助设计的组件和制造过程 - 用于创建查看三维工程模型以传递到实际制造的数控机器。”该定义强调了辅助加工过程的功能。
毫无疑问，虚拟制造有助于真正的制造工艺和系统，并随着信息技术，制造系统和业务需求的发展而得到完善。在这方面。虚拟制造应被视为实际制造系统的先进信息结构，它将可用的信息工具和虚拟环境的沉浸感整合起来，以实现业务制造目标。
信息技术（IT）和生产技术的结合极大地改变了传统的制造业。许多制造任务已经作为计算机内的信息处理来执行。例如，机械工程师可以在3D CAD系统中设计和评估新零件，而无需构建真实的原型。由于制造系统中的许多活动可以使用计算机系统进行，虚拟制造（VM）的概念现在已经发展。
VM被定义为一个综合的合成制造环境，用于提高制造系统中的所有决策和控制水平。 VM是VR和制造技术的集成。 VM的范围可以从设计子功能的集成（例如绘图，有限元分析和原型设计）到制造企业内的完整功能（例如计划，操作和控制）。
VM 系统集成的基于计算机的模型，它代表制造系统的精确结构，并模拟运行中的物理和信息行为。VM技术在降低制造成本和缩短产品上市时间方面取得了很大成就，从而提高了生产力。已经报道了大量研究构思和构建VM系统的研究工作。小野里Onosato和岩田Iwata（1993）提出了VM系统的概念，木村Kimura（1993）描述了VM系统的产品和过程模型。基于这一概念和模型，岩田Iwata等人开发了VM系统的一般建模和仿真架构（1995年）。 Ebrahimi和Whalley（1998）开发了一种用于模拟VM中加工条件的切削力预测模型。 Fang等人实施了一个用于知识学习和技能培训的虚拟加工实验室（1998）。在虚拟加工实验室中，综合知识学习和身体技能训练可以在交互式合成环境中实现。使用头戴立体眼镜和互动手套，学生可以虚拟操作车床或设置加工参数，并输入CNC G代码程序自动切割工件，加工过程性能如加工条件，切削力，切削力，表面粗糙度和刀具寿命，也可以用加工过程评估模型进行模拟。
此外，VM的一些商业软件，如Delmia的VNC，可以模拟3D环境中的加工过程并检测碰撞。通过使用虚拟机系统，用户可以选择和测试不同的加工参数，以评估和优化加工过程，降低制造成本并缩短上市时间，从而提高生产率。然而，一个实用的VM系统本质上是高度多学科的。这些VM系统的研究项目和商业软件中的许多在其实施方面都受到限制。首先，许多加工理论和启发式需要在虚拟机系统中建模。但是，大多数VM应用程序仅针对预定义条件下的特定问题而设计。没有一个虚拟机应用程序拥有模拟真实加工过程所需的所有技术。其次，新虚拟机系统的每个构建过程类似于“轮子”的再造。除了机器的几何建模之外，还必须针对每项特定任务开发诸如切削力等加工参数的分析建模。最后，各种虚拟机系统都是用不同的编程和建模语言开发的，由于不兼容问题而使它们不够灵活和可扩展。任何一个部分的改变都需要修改整个系统。
- 虚拟现实建模语言在制造业中的应用
VRML是一种描述语言，属于世界系统的一个字段窗口。3D图形的开发与硅图公司的发展。该公司创建了扩展的Open GL库。在这个库下，提出了Open Inventor格式，这是创建VRML 1.0的基础。VRML 1.0的官方规范于1995年完成。1995年秋天，独立专家组 - VRML Architecture Group（VAG）出现了，其目的是协调其他进程，以映射用户对开发新VRML格式的要求。
VRML 1.1只是工作提案。新格式VRML 2.0在1996年被批准为ISO / IEC标准，并成为国际标准VRML 97.格式VRML 1.0与SGI使用的Open Inventor格式相同。 它是为了描述静态3D场景而创建的，并且可以与URL连接。VRML 1.0场景以ASCII文本文件格式呈现。文件VRML 1.0有WRL后缀（world）。
VRML 2.0（VRML 97）是准确的新语言，不仅仅是VRML 1.0的扩展。与VRML 1.0版本相比，它具有许多新功能，并且可以同时启动或使得版本更加容易。VRML 2.0是用于描述交互式3D场景和对象的文件格式。它可以与www协作使用，也可以用于3D复杂表示以及场景，产品或VR应用程序的创建。VRML 2.0还可以表示静态和动画对象。它可以连接声音，电影和图片。VRML 2.0的基本元素通常与使用的3DAPI（Open GL，Direct 3D）相对应。
计算机系统ROANS是PC基础上的一个软件包，用于自动化工作场所，机器人和其他外围设备的3D模拟和编程。ROANS提供机器人创建和模拟所需的全部工具。在设计了工作场所子系统并将其安置在空间中之后，能够为所有工作场所创建控制程序，并在该工作场所以多任务模式工作。 为了最小化程序中的错误，并且为了简单编程而添加程序编辑器。
ROANS在集成后处理程序的帮助下，为特定的机器人语言生成控制代码。 PC硬件使ROANS能够与机器人直接通信（读取机器人编码器的关节坐标，将后处理器的代码翻译成机器人控制器）。在ROANS中创建的机器人自动化工作场所样本以阴影区域显示，如图3所示。
在开始将VRML实施到系统之前，ROANS需要识别ROANS系统和VRML中的结构之间的差异。这种差异主要来自使用的程序语言。ROANS是用程序语言PASCAL创建的。当数据被写入文件时，它们被编号为从数字1开始的上升值。
VRML语言是用C 语言创建的，并且写入文件的数据使用这种语言的能力。数据以从数字0开始的上升值索引。
ROANS系统和VRML中描述点的区别在于点索引和维度单位。毫米和由1，2，3 ......上升的值索引由ROANS使用。通过VRML使用从0,1,2 ......的上升值开始的测量和索引。
系统ROANS和VRML中定义行的区别在于对行定义所需的点的颜色索引和索引。线颜色在ROANS系统中有自己的识别号码。颜色的标识号取决于定义在颜色中的颜色顺序。
系统ROANS和VRML中表面定义的区别在于点索引和点的顺序，它描述了表面的创建。每面都有两面。其中表面绘制在物体的一侧或另一侧的特征取决于点定义的顺序。ROANS系统使用相反的原则来定义类似VRML的点。这就是为什么VRML创建程序需要按照ROANS中相反的顺序编写这种索引。ROANS中菜单的调整在图4和图5中显而易见。
将ROANS数据导出为VRML语言的程序作为ROANS系统的一部分得到解决。 在这种情况下，ROANS菜单有一些变化。所做的更改为：对象结构的3D编辑器，单元结构的3D编辑器，单元结构的3D动画。
创建的程序适用于保存在计算机内存中的数据。这就是为什么工作场所的显示不需要输出到VRML中的原因。
通过激活项目MAKE VRML1（用光标站在该项上并按ENTER，或者右键单击鼠标或按热键“1”），程序的活动被初始化。完成此步骤后，需要设置保存导出结果的文件的名称。需要输入不带扩展名的名称，该名称将自动添加。文件创建后，数据输出开始。导出第一个标题和预备结（Info，BackgroundColor，ShapeHints，Material Binding和Material）。点（Coordinate3）的这些数据导出后，还会根据显示线（IndexedLineSet）和表面（IndexedFaceSet）的状态数据导出。导出结束后，导出文件关闭，可以像以前一样在ROANS系统中工作。
制作VRML 2.0的活动与VRML 1.0类似。它是从菜单中初始化的激活MAKE VRML2项目（用光标站在该项目上并按ENTER键，或者右键点击鼠标或按热键“2”）。在此过程之后，不带扩展名WRL的文件名的设置如下。文件创建完成后，将开始导出数据。导出第一个标题和准备结（WorldInfo和Background）之后，所有依赖展示制度的数据都将出口。然后，导出线（Shape - for lines）和表面（Shape - for surfaces）。在没有可见形状的情况下，安排点写作的过程。这是在一些点被写入两次并且它们被标记为名称“pts”的情况下做出的。当分并且表面被定义为它们按名称（“pts”）扩展，这些按行定义。导出结束后，导出的文件关闭，可以像之前一样在ROANS系统中工作。在图6中可以看到VRML环境中自动化工作场所的显示。
虚拟工程目前以各种方式接近。由于虚拟工程是一项新兴技术，其术语和定义尚未完全建立。在制造业中，虚拟工程的主要组成部分是虚拟制造。虚拟制造被定义为一个综合的，综合性的制造环境，以加强所有层面的决策和控制。它可以分为以设计为中心，以生产为中心和以控制为中心。以设计为中心的虚拟制造是用于设计和评估产品可制造性的模拟环境。以生产为中心的虚拟制造是用于生成工艺计划和生产计划的模拟环境。以控制为中心的虚拟制造是车间生产活动的模拟环境。
计算机辅助制造的最先进的当前形式是基于虚拟现实（VR）的虚拟制造（VM）。 VR表现技术被广泛使用，这意味着它们发展迅速。在产品制造技术和组织方面，虚拟现实已经成为虚拟制造的基础，其目的在于满足产品用户/购买者的期望，以及其低成本和交付周期。虚拟制造包括制造过程的快速改进，而不需要借助机器的运行时间资金。虚拟制造是一种桌面虚拟现实系统，用于制造零部件和工艺的计算机辅助设计。毫无疑问，虚拟制造有助于真正的制造工艺和系统，并且随着信息技术，制造系统和业务需求的发展而得到完善。在这种情况下，虚拟制造应被视为真正制造系统的先进信息结构，它将可用的信息工具和虚拟环境融入到实现业务制造目标。
- 结论
在将VRML制造商应用于ROANS系统后，可以使用VRML浏览器在ROANS系统中创建机器人来表示所有3D自动化工作场所，并且不
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