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研究生: 魏振隆
Wei, Chen-Lung
論文名稱: 可切換模組元件之綜合加工機虛擬實境系統探討
An investigation on a virtual reality system of machine center simulation with switchable components
指導教授: 游志雲
Yu, Chi-Yuang
盧俊銘
Lu, Jun-Ming
口試委員: 鍾俊輝
蔡曜陽
陳協慶
高永洲
學位類別: 博士
Doctor
系所名稱: 工學院 - 工業工程與工程管理學系
Department of Industrial Engineering and Engineering Management
論文出版年: 2017
畢業學年度: 105
語文別: 中文
論文頁數: 85
中文關鍵詞: 資通訊技術虛擬實境數控工具機人機介面ISO 7000視認性
外文關鍵詞: Information & communication technology (ICT), Virtual reality, CNC machine tools, Human-machine interface, ISO 7000, legibility
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  • 資通訊技術的應用除了可以為機器硬體帶來功能的提升與附加價值增加之外,更重要的是如何應用資通訊技術來解決產業發展面臨的問題,例如協助人員的教育訓練。過去也有許多研究是以虛擬實境技術來發展機器設備的操作訓練系統,然而不同的機種、機型在系統上是無法任意選擇搭配的。尤其是數控工具機可以具有不同構型與搭配不同廠牌控制器,這使得開發具可切換模組的虛擬工具機有其必要性。
    人機介面是所有系統與使用者進行互動的重點,用於人員訓練的人機介面更是系統開發的重點。全球化浪潮下,數控工具機的操作介面也逐漸被國際標準所規範,本研究將先就使用ISO 7000系列的操作介面進行視認性的評估,評估結果將可作為系統開發與真實機器改善的參考,然後以問卷方式探討應用虛擬工具機作為數值控制機械實習輔助學習之成效。


    In addition to the application of Information & communication technology (ICTs) that is possible to enhance the functionality and add value to machine hardware, and more importantly, how to apply ICTs to solve the problems for the industry, such as assisting personnel in education and training. In the past there are many studies are virtual reality technology to develop the operational system for training of machinery and equipment, but different type, models or configurations in one training system cannot be built with switchable components. In particular, CNC machine tools can have different configurations and with different controllers, which makes the development of a virtual machine tool with switchable components has its necessity.
    It is the focus that Human-machine interface of all systems. The interface is key point for the training system development. For globalization, the trend of design, the operation interface of CNC machine tools has gradually been standardized by international standards. In this study, first step will to evaluate the legibility of ISO 7000 series symbols for switches or buttons. The evaluation results will serve as a reference for system development and improvement of real machine, and then use the questionnaire to explore the effect that effectiveness of training in the CNC machining practice course by virtual machine tools.

    目 錄 第一章 緒論 1 1.1研究動機 1 1.2研究目的 16 第二章 文獻探討 18 2.1人機互動與介面設計相關理論 18 2.1.1系統設計生命週期 18 2.1.2人機互動與介面設計關係 20 2.1.3人機互動的要素 20 2.1.4人機介面設計原則 21 2.2數控工具機操作介面評估 22 2.3標誌與視覺傳達機能的相關研究 23 2.4 整合式開發環境(IDE):Microsoft Visual Studio 26 2.5虛擬實境技術 27 2.5.1虛擬實境的分類 27 2.5.2虛擬實境技術在各種產業上的應用 30 2.5.3虛擬實境技術於教育訓練上之應用 31 2.6虛擬工具機與虛擬加工技術應用 32 2.7 CNC控制器功能之介紹 38 第三章 研究方法 40 3.1 數控工具機操作介面評估 40 3.2建構綜合加工機虛擬實境系統 43 3.2.1互動行為建置 46 3.2.2虛擬CNC控制器 50 3.2.3 NC解譯 53 3.2.4系統整合 57 3.3教育訓練實施效果評估 58 第四章 結果與討論 60 4.1數控工具機操作介面評估研究結果 60 4.2具可切換模組之五軸虛擬綜合加工機開發結果 70 4.2.1系統規劃與實際運作 70 4.3 CNC教學系統輔助教育訓練的實施效果 75 第五章 結論與建議 82 參考文獻 86 附錄一 95 附錄二 97 附錄三 98   圖目錄 圖1.1常見的三軸CNC綜合加工機與其應用 7 圖1.2工具機直線軸與旋轉軸命名原則 7 圖1.3機械產業人才新增推估圖 9 圖1.4數控工具機實習課上課情形 12 圖1.5 wii互動 13 圖1.6擬真的虛擬工具機輔助教學系統 14 圖1.7安全狀態下的CNC設備主要操作模式(以Turning center為例) 15 圖2.1系統設計生命週期 19 圖2.2系統設計工程 19 圖2.3人機互動四要素之關係 20 圖2.4背投影式立體顯示 28 圖2.5頭盔顯示器(HMD) 28 圖2.6射出成型機互動式虛擬機台 31 圖2.7自動倉儲及輸送系統 31 圖2.8以Web-based架構發展多人互動虛擬即時設計系統 32 圖2.9以EON虛擬實境軟體開發遠距電腦CNC三軸銑削加工系統 33 圖2.10網頁式線上虛擬數控工具機 34 圖2.11虛擬CNC控制系統架構 36 圖2.12虛擬加工機模擬及實機加工 37 圖2.13虛擬加工機與虛擬製造相關技術架構圖 38 圖2.14 NC路徑資料架構圖 39 圖3.1 數控工具機操作介面評估研究進行流程 42 圖3.2 可切換模組元件之綜合加工機虛擬實境系統開發流程圖 43 圖3.3 VR軟體EON Studio操作介面視窗說明 45 圖3.4 各軸向在Routes之連結 45 圖3.5 小型五軸加工機實機與CAD檔匯入虛擬實境軟體畫面 46 圖3.6 系統中的事件驅動演算法 47 圖3.7 Script節點參數資料型態設定 48 圖3.8 五軸綜加工機器的三種構型與軸向定義 49 圖3.9 Head-Table (HT) type 五軸綜合加工機與部件之間的層次關係 50 圖3.10 FANUC控制器 50 圖3.11 Heidenhain控制器 50 圖3.12 研華寶元(LCN)控制器 51 圖3.13 Mitsubishi控制器 51 圖3.14 ISO 7000 / IEC 60417 中常用於工具機操作的圖示 51 圖3.15 ISO 7000 / IEC 60417 開發新圖形標示的概念 52 圖3.16 Windows作業系統上常見的輔助說明 52 圖3.17 NC解譯在本研究中相關的範圍 53 圖3.18 NC程式與路徑之雙向指標結構 54 圖3.19 系統之軟體架構 57 圖3.20 (左)傳統單機示範講授式、(右)利用輔助教學系統進行教學 58 圖4.1 整體認知情況 62 圖4.2 性別與達對率 62 圖4.3 年齡與達對率 63 圖4.4 教育程度與達對率 64 圖4.5 工作經驗與達對率 65 圖4.6 工作內容與達對率 66 圖4.7 圖形識別度難易狀況 69 圖4.8 系統開發流程圖 71 圖4.9 完成之FANUC 虛擬控制器(左虛擬,右實機) 71 圖4.10 完成之Heidenhain 虛擬控制器(左虛擬,右實機) 71 圖4.11 完成之研華寶元虛擬控制器(左虛擬,右實機) 72 圖4.12 完成之Mitsubishi虛擬控制器(左虛擬,右實機) 72 圖4.13 虛擬CNC手輪和真實手輪 72 圖4.14 事件驅動算法運作流程 73 圖4.15 一般CNC切削中心機上機實作標準操作流程與系統操作流程 73 圖4.16 原點復歸提示視窗圖 74 圖4.17 系統碰撞檢測功能 75 圖4.18 (左)傳統單機示範講授式、(右)利用輔助教學系統進行教學 76 圖4.19 對「虛擬CNC銑床模擬系統」操作可行性調查結果 78 圖4.20 對學校CNC課程,老師主要教學方式調查結果 78 圖4.21 對操作CNC時,造成學習困難最大原因調查結果 78 圖4.22 對操作CNC時,最害怕發生的事情調查結果 79 圖4.23 南區某高工年度CNC銑床學生檢定證照人數比較 80 圖4.24 利用CNC數位模擬輔助教學之問卷調查分析結果 80 表目錄 表1.1 台灣工具機產值與出口金額 1 表1.2 2016年1-10月台灣機械出口機種別統計分析表 2 表1.3 2014~2015年台灣工具機生產金額台數統計表 2 表1.4 工具機廠區域分布表 4 表1.5 工具機種類分析 5 表1.6 2014~2015年台灣出口工具機代表性產品 5 表1.7 工具機產業專業人才之需求量化推估結果表 9 表1.8 機械產業人才質性需求之調查表 10 表1.9 機械產業人才問題與其因應對策 11 表2-1 虛擬實境視覺設備分類比較表 27 表2.2 虛擬實境系統依建構方式分類比較表 29 表2.3 國內參考文獻之整理 35 表2.4 應用於教學上之控制器功能模分類 39 表3.1 ISO 7000 圖示案例說明 53 表3.2 NC碼功能對照-G碼 55 表3.3 NC碼功能對照-M碼 57 表3.4 能力指標與教學方法 58 表4.1 問卷基本資料統計表 60 表4.2 問卷基本資料統計表(1) 67 表4.3 問卷基本資料統計表(2) 67 表4.4 問卷基本資料統計表(3) 68 表4.5 問卷基本資料統計表(4) 68 表4.6 問卷基本資料統計表(5) 69 表4.7 能力指標與教學方法 76

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