面向虛擬焊接的定位系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

1、基于虛擬現(xiàn)實(shí)學(xué)科方向的焊接模擬器是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外工程領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，其手握焊槍的空間姿態(tài)與虛擬焊接軌跡質(zhì)量的映射技術(shù)是該研究方向的關(guān)鍵難題，目前國(guó)內(nèi)外研制出的焊接模擬器都存在空間定位測(cè)量和姿態(tài)測(cè)量不精準(zhǔn)的問題。全文以電磁定位系統(tǒng)為主要研究對(duì)象，綜合運(yùn)用現(xiàn)代傳感與測(cè)控技術(shù)、電子信息技術(shù)、電磁場(chǎng)理論、數(shù)學(xué)矩陣和優(yōu)化設(shè)計(jì)等多學(xué)科知識(shí)，改進(jìn)并設(shè)計(jì)了適用于虛擬焊接手握焊槍的空間定位系統(tǒng)，主要研究成果和創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　?。?）研究并設(shè)計(jì)了以電

2、磁與慣性導(dǎo)航相結(jié)合的虛擬焊接定位系統(tǒng)
　　在分析國(guó)內(nèi)外虛擬焊接模擬器的焊槍定位方法之后得出，慣性導(dǎo)航對(duì)于測(cè)量物體的姿態(tài)較為成熟，而電磁定位以其良好的空間無障礙性適用于小范圍的定位，因此文章結(jié)合兩者的優(yōu)勢(shì)，確定了虛擬焊接手握焊槍的空間定位系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思想和原則：以電磁定位方式獲取焊槍的空間位置，以慣性導(dǎo)航獲取焊槍的空間姿態(tài)。
　?。?）改進(jìn)了現(xiàn)有三維正交式電磁定位系統(tǒng)
　　基于磁偶極子模型，對(duì)傳統(tǒng)的三維正交式電磁定位系統(tǒng)

3、進(jìn)行了深入的理論研究，對(duì)其算法之中的耦合矩陣diag(2,?1,?1)修正為diag(?1,?1,2)，使得目標(biāo)空間位置的解算方法得以簡(jiǎn)化，同時(shí)設(shè)計(jì)了雙磁場(chǎng)源的信號(hào)發(fā)射系統(tǒng)，增大了磁場(chǎng)的覆蓋空間和定位半徑。
　?。?）設(shè)計(jì)了新型陣列式電磁定位系統(tǒng)
　　在研究了現(xiàn)有的陣列式電磁定位系統(tǒng)之后，針對(duì)其在直流驅(qū)動(dòng)下，磁場(chǎng)源與傳感器之間的耦合定位的非線性方程組求解困難，文章設(shè)計(jì)了新型雙層式陣列磁場(chǎng)源，極大地簡(jiǎn)化了其定位方程組的形式，同

4、時(shí)結(jié)合高斯牛頓迭代法和二分法得到了該設(shè)計(jì)的解析算法，該設(shè)計(jì)提高了定位精度，降低了工藝要求，并能夠根據(jù)需要拓展定位系統(tǒng)的覆蓋范圍。
　　（4）完成了虛擬焊接定位系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
　　針對(duì)系統(tǒng)實(shí)時(shí)精巧的硬件要求，合理選擇了所需的傳感器和電器元件，制作了發(fā)射線圈。該系統(tǒng)以開源的Arduino開發(fā)板為系統(tǒng)的處理器，弱化了編程的要求，以 MPU-9150為接收傳感器，該傳感器同時(shí)滿足了慣性導(dǎo)航和磁信號(hào)接收的要求，并在此基礎(chǔ)之上合理設(shè)計(jì)了

5、驅(qū)動(dòng)電路，滿足了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。
　?。?）完成了虛擬焊接定位系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)仿真驗(yàn)證
　　文章結(jié)合 MATLAB軟件，對(duì)所設(shè)計(jì)的虛擬焊接定位系統(tǒng)仿真研究。利用MATLAB強(qiáng)大的矩陣運(yùn)算能力，建立磁場(chǎng)發(fā)射系統(tǒng)模型，模擬了磁場(chǎng)在空間的分布與傳感器對(duì)磁場(chǎng)的獲取，并針對(duì)于三維正交式電磁定位系統(tǒng)，通過多次修正優(yōu)化，得到了較為理想的結(jié)果；針對(duì)于新型雙層陣列式電磁定位系統(tǒng)，多次優(yōu)化后得到的設(shè)計(jì)，其可用區(qū)域定位精度可以達(dá)到1mm，并且響應(yīng)快，拓