具有力反馈的SMAW焊接仿真系统的设计与研究

论文摘要

虚拟焊接仿真系统已经被证明可以有效提高焊接培训效果,该领域近年来越来越受到研究人员的关注,国外已经出现了商业化的虚拟焊接仿真系统产品。在焊接仿真系统中引入力反馈因素可以有效地增强培训感知效果,国内几乎没有关于具有支持力反馈焊接仿真系统的研究。因此,开发具有力反馈的焊接触觉机械和手工电弧焊(SMAW)焊接仿真系统具有重要的学术意义和应用价值。本文首先总结和概述了近年来国内外虚拟焊接仿真系统的研究状况,并根据焊接仿真系统的不同原理,对虚拟焊接仿真系统进行了分类。然后,分析手工电弧焊的任务要求、基本操作,设计出了一种穿戴式的RPR型焊接力反馈机械,分析了力反馈焊接机械静力平衡问题。详细阐述了该种机械的具体结构设计,材料、传动、驱动方案。最后,总结分析了影响手工电弧焊焊缝形状的关键工艺因素；介绍了力反馈焊接仿真的训练原理和关键技术,指出焊缝视觉反馈技术是该软件的核心模块,介绍了所开发的力反馈焊接仿真软件实现方案和主要功能。实践结果表明,该软件能基本上达到了预期设计目标和训练效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 虚拟现实技术（Virtual Reality）简介
• 1.2 虚拟现实技术的发展历程
• 1.3 虚拟现实系统的分类
• 1.4 虚拟焊接仿真系统的研究状况
• 1.4.1 混合现实（Mixed-Reality）焊接仿真系统
• 1.4.2 光学电磁跟踪式焊接仿真系统（无力反馈）
• 1.4.3 机械跟踪式焊接仿真系统（力反馈）
• 1.5 本课题研究目的和意义
• 1.6 本论文研究内容及组织结构
• 第2章 力反馈焊接机械总体设计
• 2.1 手工电弧焊简介（Shielded metal arc welding,SMAW）
• 2.2 力反馈焊接机械的总体方案设计及确定
• 2.2.1 作业任务及自由度分析
• 2.2.2 力反馈焊接机械构型
• 2.3 机械静力平衡分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 力反馈焊接机械详细设计
• 3.1 力反馈焊接机械关键部件
• 3.1.1 支承旋转部件
• 3.1.2 直线传动部件
• 3.1.3 联轴器（Coupling）
• 3.2 力反馈焊接机械详细设计
• 3.2.1 机构综述
• 3.2.2 底座自转力反馈单元
• 3.2.3 直线（Translation）运动力反馈单元
• 3.2.4 俯仰关节力反馈单元
• 3.3 力反馈焊接机械材料的选择
• 3.4 力反馈焊接机械驱动方式选择
• 3.5 力反馈焊接机械控制系统设计
• 3.6 力反馈焊接机械实现
• 3.7 本章小结
• 第4章 力反馈焊接仿真软件关键技术
• 4.1 焊缝形成过程
• 4.2 焊缝形状尺寸参数
• 4.3 焊接参数对手工电弧焊焊缝成形的影响因素
• 4.3.1 焊接电流影响
• 4.3.2 电弧电压影响
• 4.3.3 焊接速度影响
• 4.3.4 电极倾角影响
• 4.4 模拟虚拟焊缝形状的一般方法
• 4.4.1 有限差分逼近法（Finite differernce approximation）
• 4.4.2 简单数学模型法
• 4.4.3 基于真实数据的人工神经网络法
• 4.5 焊接视觉图像主动导航技术
• 4.6 力反馈焊接系统中碰撞检测技术
• 4.7 本章小结
• 第5章 力反馈焊接仿真系统软件的设计与实现
• 5.1 引言
• 5.2 虚拟焊接力反馈训练系统原理
• 5.2.1 影响焊接力反馈系统的主要因素
• 5.2.2 虚拟焊接仿真系统总体设计方案
• 5.3 仿真软件和平台搭建过程
• 5.4 软件系统组成部分介绍
• 5.4.1 力反馈渲染模块
• 5.4.2 系统及各功能模块界面介绍
• 5.5 系统组成部分介绍
• 5.6 焊接仿真训练过程
• 5.7 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.3 展望
• 6.3.1 人体触觉机制
• 6.3.2 焊接模拟评价系统
• 6.3.3 虚拟焊接力反馈机制
• 6.3.4 视觉模拟引擎系统
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果
• 致谢