盾构机是一个完成挖掘、出土和隧道支护等工作的大型专用工程机械,近几年来我国隧道及地下工程发展迅速,使用盾构机的工程越来越多。刀盘是盾构机的关键部件,决定了掘进工程能否顺利完成。盾构机刀盘直接与地下土层接触,工作环境复杂,未知因素很多,其经常发生严重的磨损,以致不能继续掘进。因此,盾构机刀盘修复技术显得格外重要。在实际工程当中,通常使用带压进舱法在地下进行刀盘修复,该方法不会对地面环境造成任何影响,总体修复速度快。但是,由于需要操作人员在高压环境下进行焊接作业,会产生大量有毒气体,活动空间很小并且有一定塌方危险。针对此问题,使用机器人来代替人来进行高压环境下的焊接工作是最好的解决方案。本文将虚拟现实技术与远程操作机器人技术结合起来,用于盾构机刀盘焊接维修过程,这样操作人员只需要在安全的控制室中利用虚拟现实技术,就可以如同在焊接现场一样进行修复作业。本文的主要研究内容如下:1、研究盾构机刀盘机器人焊接维修方案,分析盾构机结构、刀盘在高压环境下的维修技术原理。方案中机器人本体位于远端作业现场也就是工作舱内,虚拟现实监视子系统位于本地操作端也就是控制室内,而其他设备位于过渡舱内,操作人员不需要在工作舱中进行焊接作业。机器人控制柜、焊接电源等其他设备位于过渡舱内,该过渡舱用于连接工作舱和减压舱的舱体。2、搭建模拟盾构机刀盘维修过程的机器人焊接维修虚拟现实监视系统实验平台。采用六轴工业机器人与数字化焊接电源进行机器人焊接,利用二轴变位机模拟盾构机刀盘维修广泛应用的横焊与立焊等典型焊接位置,通过弧焊信息分析仪与数据采集卡采集焊接电压与焊接电流的采集,此外,还利用摄像头采集焊接现场视频信息。操作人员可以利用此实验平台来模拟刀盘焊接维修的过程。3、实现虚拟现实监视程序与机器人控制程序之间的网络通信。通信程序使用C++语言编写,基于TCP/IP协议,使用客户端/服务器结构。针对本虚拟现实监视程序的特点,完成了网络通讯的代码编写和调试,实现了虚拟现实监视系统与机器人的准确、及时的数据传输。4、在虚拟现实监视程序中建立虚拟环境与虚拟机器人的三维模型。模型与真实物体的尺寸一致,比例1:1,通过观察模型操作人员可以得到可靠的视觉参考;完成了虚拟场景的创建,并按照特定层级装配模型、添加灯光、设置用于碰撞检测的包围盒。5、使用C#语言,基于Unity引擎完成虚拟现实监视系统的开发。通过与机器人控制程序的通信,虚拟机器人能够与实际机器人完全同步,并且具备碰撞检测功能,通过图形用户界面将机器人运行信息进行反馈。操作人员通过该系统完成对机器人焊接过程的监视与控制。6、使用C++语言,基于Qt完成数据采集系统的程序实现。程序具备焊接电压电流采集与绘制波形图,摄像机捕捉现场画面并展示给操作人员,以及数据存储、摄像机控制、截图和保存等功能。7、进行盾构机刀盘机器人焊接维修虚拟现实监视系统试验;使用MIG焊,以盾构机刀盘常用的Q345为母材,通过模拟盾构机刀盘维修时的横焊与立焊等典型焊接位置进行焊接试验。实验表明,虚拟现实监视系统具备同步功能、碰撞检测功能和焊接参数监测功能,并能够给操作人员以良好的临场感。操作人员利用该虚拟现实监视系统,通过观察虚拟现实系统与摄像头画面就可以在远距离完成机器人的示教过程并监视焊接过程,焊接实验表明该虚拟现实系统在技术上具备应用于盾构机刀盘机器人焊接维修的可行性。