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制造系统分布交互仿真和虚拟监控的关键技术研究

黎柏春  
【摘要】:制造业一直是国民经济发展的重要基础,而制造业的发展取决于制造技术的进步。然而制造业的发展离不开数据的支持,而计算机仿真和监控是目前获得数据的主要方式,因此仿真和监控研究一直是制造领域的重要课题。目前,由于计算资源的限制,制造领域的计算机仿真多以单个部件或设备为研究对象。而制造系统已成为了当今的主要制造形式,因此针对整个制造系统的仿真已势在必行。随着近年来网络化技术、计算机仿真技术、虚拟现实技术以及虚拟制造技术的发展,构建一个具有强大计算能力的实时分布交互仿真系统已成为可能。同时作为获取数据重要方式的监控,长期以来,监控的人机交互主要以图表、二维界面、音频、视频等作为交互手段。然而图表和二维界面的真实感和交互感都较差,视频和音频的信息数据量又较大,不利于信息通信。因而寻求一种形象直观、交互性强、数据量小的监控形式一直是监控发展的方向和目标。以虚拟环境为基础的虚拟监控正是解决该问题的有效手段。综上所述,本文分析了制造系统分布交互仿真和虚拟监控的发展趋势,结合分布交互仿真和虚拟监控都以虚拟环境为基础的特点,针对去除材料的制造系统,进行了分布交互仿真和虚拟监控的关键技术研究。本文的主要研究工作如下:(1)以最基本的制造系统单元作为研究对象,根据制造系统分布交互仿真和虚拟监控的功能分析,按照分布交互仿真标准IEEE 1516e和主体(Agent)的基本结构设计了面向制造系统的分布交互仿真和虚拟监控系统结构,并针对该系统结构选择了相应的网络协议和通信模型。(2)以构建制造系统分布交互仿真和虚拟监控系统为目的,针对机床的可视化仿真和虚拟监控进行了深入的研究。建立了 DMG-DMU50机床的运动学模型,并验证了所建运动学模型的正确性。为了保证制造系统仿真和虚拟监控时机床加工过程的实时动态显示,研究了基于GPU并行计算能力的材料去除仿真算法,实现了 NC代码编译和基于GPU计算的材料去除仿真,并通过与Vericut的仿真对比,验证了文中仿真方法的正确性。为了将以上的研究成果开发实现为制造系统仿真和虚拟监控的仿真实体或监控主体,设计了五轴数控机床可视化环境、仿真控制实体和监控管理主体的类图。(3)以构建面向多轴铣削的球头铣刀铣削力仿真预测实体为目的,从铣削力的基本理论模型出发,推导了适用于多轴铣削的球头铣刀铣削力模型,给出了如何利用文中的几何仿真求解铣削力模型积分边界的方法,推导了铣削力系数辨识模型,进行了铣削力系数辨识实验和验证铣削力仿真的多轴铣削实验。为了将铣削力仿真开发实现为制造系统仿真的仿真实体,结合第3章的几何仿真研究设计了铣削力仿真预测实体类图。(4)以构建工业6R机器人的仿真实体和监控主体为目的,建立了 6R工业机器人的运动学模型,推导了逆运动学的解析解,并通过实验验证了运动学模型的正确性。在分析了机器人控制指令,建立了机器人的雅克比矩阵,以及设计了控制指令的编译流程的基础上,设计了机器人的仿真实体类图,开发实现了其中的核心模块。同时,为了构建机器人的监控主体,在免费开源的网络通信开发包JOpenShowVar基础上,深入研究了机器人监控的通信接口,设计了监控主体类图,开发实现了其中的核心模块,进行了监控实验测试。(5)以为虚拟监控提供运动数据为目的,研究了一种针对运动数据采集的视觉测量方法。以Kinect作为基本的传感器节点,建立了基于信息物理融合系统(CPS)架构的运动数据采集系统结构。对深度图像和颜色图像的有机融合进行了深入的理论研究,设计了求解被跟踪对象位置坐标的算法,开发实现了算法中的关键模块,通过在机床上进行坐标测量实验验证了运动数据采集的正确性。(6)在全文理论研究的基础上,结合各章设计的程序类图,并借助一些免费的软件开发包,开发实现了面向制造系统的分布交互仿真和虚拟监控系统。通过系统的试运行实验,验证了文中理论研究和程序开发的正确性和可靠性。


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