搜索
行政院國家科學委員會技職校院應用性先期研究計劃成果報告※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※虛擬工廠之3D物件開發與應用研究-II※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※計畫類別：■個別型計畫□整合型計畫計畫編號：NSC90－2218－E－011－027－執行期間：90年8㈪1㈰㉃91年10㈪31㈰計畫主持人：詹朝基副教授共同主持人：蔡明忠副教授本成果報告包括以下應繳交之附件：□赴國外出差或研習心得報告一份□赴大陸地區出差或研習心得報告一份□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份□國際合作研究計畫國外研究報告書一份執行單位：國立台灣科技大學中華民國91年11月16日行政院國家科學委員會技職校院應用性先期研究計劃成果報告虛擬工廠之3D物件開發與應用研究-IIAstudyof3DObjectsDevelopmentandApplicationoftheVirtualFactorySystem計畫編號：NSC90-2218-E-011-027執行期限：90年8月1日至91年10月31日主持人：詹朝基chancc@mail.ntust.edu.tw執行單位：國立台灣科技大學/機械工程系共同主持人：蔡明忠國立台灣科技大學/工程技術研究所計畫參與人員：吳權峰趙爵聘一、中文摘要關鍵字：虛擬工廠、虛擬實境、工廠模擬、資料庫本研究是以台灣科技大學CIM工廠為研究之載具，結合網際網路Web科技、資料庫ODBC連線技術與虛擬製造系統的概念，將真實工廠的製造資訊、機台狀態和物流情形，透過VR（虛擬實境）的技術建構成一『虛擬工廠環境』。VirtualFactory,VirtualReality,factorysimulation,database二、緣由與目的虛擬實境廣泛的運用在與製造相關的各種技術，例如工廠佈置規劃、製造計劃、作業訓練、系統測試與程序控制[1]、碰撞偵測等。將製造系統經分析並應用虛擬技術建構一個能象徵真實系統的虛擬製造環境，以及有效的模型與技術描述虛擬環境中的物件並能依製程資訊互動。本研究針對此CIM製造系統運用物件導向技術予以簡化，已分析和設計各機件(AGV、工件、倉儲和加口機台)之3D虛擬物件，並由這些物件組織建構一虛擬製造環境。本期第一年已建構一虛擬資訊網站可連結後端之ORACLE8資料庫，即時地存取製程資訊。本年度深入開發ＶＲ軟體(WorldUpR4)的程式技術和互動介面以表達動態的運作行為和狀態。也完成了多視窗的虛擬實境模擬，可以很方便的同時瀏覽虛擬工廠中的各個不同部分，充分掌握加工的訊息，並可以根據自己喜歡的觀看角度來加以調整視角，並附有一動態視窗，隨時觀看AGV的行走與負載狀態。本研究的場景可表達虛擬工廠之靜態資訊與執行動態行為，達到資訊整合和製程模擬等教學目的。設計與實作與製造系統相關的虛擬環境，將象徵製造系統的資訊，適當地簡化為資料模型，足以設定虛擬環境以符合真實的系統(修改變更怖置、流程)，並運用物件導向技術技術，建構大型且複雜的虛擬環境，並針對其物件，設定其符合模擬製造系統所需的工作[3，4]。參考國內外學者的研究[1-16]，「虛擬工廠」之3DVR物件開發研究之目的，是希望將一個已存在的FMS或CIM製造系統，利用虛擬實境(VR)之軟硬體技術，將真實世界的製造系統內的各種機台、載具、無人搬運車或倉儲(warehouse)經簡化、模仿或轉換建構為虛擬的3D物件。ThisresearchisaimedatdevelopingavirtualfactoryenvironmenttosimulatethemainbusinessfunctionsfoundintheCIMfactory.Ourfinalresultscandemonstratereal-timeapplicationswiththeintegratedVirtualReality(VR)technologiesincludingWorldUpR4(VR)Player,ODBCdatabaseconnection,networkcommunication,andHomepagesdesign.Multiple-windowviewscanbeshownupandswitchediftheuserneeded.RealdatacamefrombackenddatabaseservercanbedisplayedintheinformationpaneltodemonstratethecurrentstatusofAS/RSstoragecells.AGVdynamicbehaviorswereenhancedbyexploring3DObjectprogrammingcapabilities.本二年期研究已完成簡化的CIM製造系統模型，並運用物件導向技術，分析和設計代表各機件之虛擬製造單元。經由各種3D虛擬工廠物件結合，組織與建構一虛擬製造環境，可連結整合後端之Oracle資料庫存取最新的製程資訊，使虛擬環境中之各3D物件可依製程資訊互動以表達製程的動態行為。本案例提供多視窗瀏覽，模擬不同的人機介-1-面與視角切換方式，如透過Web瀏覽器登入VR網站來設定或查詢製程資訊，或以WorldUp虛擬實境的模擬介面動態切換視角，在虛擬場景的看板查詢某一儲位的資訊，儲位上有何工件、有多少工件和相關的製令明細、以及目前AGV的行走與負載物件狀態等。本虛擬工廠的初步成果可達到資訊整合和製程模擬等教學和人才培訓目的。三、研究方法建置一虛擬環境需先以一真實工廠作為實現之目標，其步驟流程首先進行虛擬3D物件的建構與分析，虛擬3D物件的內容包含外部3D外型與內部的屬性與行為。一真實的工廠，經3D繪圖軟體繪製其平面佈置圖或立體圖，各機件依物件導向分析分析，描述其概念規格、組成關係、狀態變化、互動流程等，依分析之規格在特定虛擬平臺實現其虛擬元件屬性與行為，最後結合3D外型和元件屬性與行為的部份，完成3D虛擬物件的開發，由開發之3D虛擬物件組成建構虛擬製造環境，經由3D虛擬物件依製程資訊所表達的動態行為，以驗證模擬系統可行性[2，5，6]。虛擬環境建構成果如圖1所示，以各視角顯示3D虛擬物件建構的虛擬環境，在下方設有切換視角按鈕。圖2二部AGV的虛擬工廠物件視圖3.1虛擬物件分析和設計流程本研究以台科大CIM工廠為研究參考對象，取其機具如無人搬運車、自動倉儲、加工機臺、以及進料機構與出料機構進行虛擬製造實境之模擬，圖1是第一年已完成的單一AGV場景，在第二年希望增強動態模擬的彈性而加入弟二部AGV，並賦予依指令佇列(commandqueue)的指示取物、搬運和行動路徑自我運算的能力，ＡGV行動路徑如圖2的規劃。本虛擬工廠的開發流程圖如圖3所示。應用3D繪圖軟體進行最初的3D外型編修工作，或由已存在之立體圖檔匯入3D環境開發平臺，依佈置圖調整各外型之座標。圖33D物件開發流程圖圖1虛擬工廠物件視圖-2-3.2虛擬物件的行為模式虛擬工廠中的加工流程，依真實機具之行為分析，設計與規劃。在本研究中物件之行為與工廠的加工流程之內容包含：工件型態、製程流程以及加工途程，依產品加工途程，虛擬環境依加工程順序進行模擬。應用物件導向分析、設計技術，使用UseCase(使用案例)圖、運作狀態圖、系統活動圖以及類別圖描述與表達物件的概念規格，用以描述加工流程以及各物件間互動順序與邏輯。運用UseCase案例圖了解依加工流程產生的互動關係，運作狀態圖描述各物件依加工流程產生所有可能的狀態以及描述面對外部事件時所進行之狀態變化，類別圖用以表達各物件屬性與方法以及物件間相連關係與分類[12]。本模擬案例的製程規劃部份，主要有下列幾點假設：(1)工件的設計，假設工件具有顏色、大小、形狀等三項屬性特徵。圖形化顯示其虛擬實境中之工件特徵，讓模擬者知道加工過程當中物件加工前後的變化。(2)產品的設計，包含顏色、大小、形狀等三項屬性特微，每一種屬性，即是一道製程，如上色、切削、成形等製程規劃。(3)工廠之模擬，主要根據製令的下達，來指定產品之加工製程結果。依據上述相關的假設，在第一年初步成果的基礎加入第二部ＡＧＶ的元件，調整虛擬工廠物件的配置，本研究規劃出工廠物件移動的方式和工件加工的流程，如圖2所示。在虛擬場景中，安排了兩部AGV，負責將工件交付到下一個目標加工機台的位置。工件的加工流程敘述如下：模擬系統控制器(SystemController)讀取製令，將工件從入口輸送帶送入工廠中，控制器依製令下達指令到AGV的共同的佇列(CommandQueue)上讀取製令，然後將工件由入口輸送帶送入工廠中，交由AGV送至製令指定的製程加工工作站上，若此時加工工作站剛好正在忙碌，則AGV先將工件送至半成品倉的自動倉儲上，待工作站有空時，再將工件取出進行加工。當工件所需製程都加工完成後，AGV再將工件送至出口輸送帶送出工廠，完成製令。一旦AGV載工件到機台並且交付工件，機台則進入加工的狀態。此時若佇列無下一個指令，則AGV會進入閒置的狀態。當加工完畢後，系統將會改變物件的顏色以代表經過了一次的加工，機台此時會告知控制器已經加工完畢，控制器檢查目前是否工件的下一個目標機台是否閒置，以及是否有閒置的AGV。若兩個條件皆為真，則呼叫AGV到指定地點拿取工件並送至下一站進行加工。若到達目標機台時，工作機台剛好正在忙碌，則AGV會將工件送至存放半成品的自動倉儲上，自動倉儲本身也有佇列會紀錄所存放的半成品的資料，並持續通知控制器將工件取走，當工作機台再次進入閒置狀態，並有AGV閒置，控制器會馬上令AGV到自動倉儲取得工件到目標加工機台加工。3.3虛擬物件組合與互動第一年研究已運用運作狀態圖，描述各物間依發生的條件與事件執行工作，例如圖2的工件由進料機構送至AGV，必須明白地規劃其流程與物件間發生的事件與執行順序[12，17]。圖2的新場景安排兩部AGV，當AGV1的目標工作機台有另外一台閒置的AGV2佔住時，AGV1會告知AGV2先離開到停靠點(圖4的RestPoint)，使得AGV1能順利的到達目標機台並存取物件。在搬運的途中碰上了另外一台AGV，若彼此阻擋時，運送的動作將被暫停，並由離停靠點最近的AGV先進入停靠點，讓另一被阻擋的AGV順利到達終點，而在停靠點的AGV也繼續完成任務。圖4是本年度的運作模擬剪圖，說明AGV的路徑選擇，停置點與出入點的配合問題。VR模擬程式須考量AGV的方向與定位問題，並避免AGV與機台的碰撞問題。同時，在互動介面上希望呈現「資訊整合於圖片」的教學效果，在虛擬的場景(圖5)中提供逼真的互動介面和視覺效果。在虛擬場景強調處處可觸按任何虛擬物件，或跳出合適的說明視窗，以機台運作的圖像連續展示其工件加工明細，並且有可觸按式功能，當在場景中游標移到虛擬物件上，即會產生手指的符號，當模擬使用者觸碰時，即時的蹦現相關的訊息，代表碰觸虛擬物件時，將可獲得物件或機台之間的相關資訊。或在「資訊看板」(statuspanel)呈現出來自於後端的ORACLE資料-3-庫的製程記錄或ＡSRS的儲位資訊。提供有綜合查詢的功能，例如加工資訊、機器等資訊；因此可說是具有處處是資訊，處處可查詢的便利性。在資料庫查詢方面，提供視覺化、即時化的方式來獲得資訊。只需利用游標點選，就可以直接顯示出製程的相關資料，並具有查詢存成報表的功能。圖4AGV運作路徑剪影3.4虛擬資訊系統架構虛擬場景的呈現係由Sense8公司的ＷorldUpR4軟體來支援，然本「虛擬工廠的資訊系統」(圖6)係由ＶＲ程式開發人員、使用者介面、虛擬物件(透過ＷorldUpR4軟體的開發，如圖3)、Web網站、資料庫及網路等元件組合而成。模擬參數設定者透過IE瀏覽器連上虛擬工廠網站，在該網站上，使用者可藉由網站的導引，了解整個虛擬環境的運作，以及虛擬實境模擬時，製程參數的輸入，而當使用者將製程參數輸入至網站上之後，虛擬工廠網站會將此製程參數建立在後端的製程資料庫中以供虛擬實境模擬製程時使用