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基于模块化的缠绕机设计方法

徐小明 张武翔 丁希仑

徐小明, 张武翔, 丁希仑等 . 基于模块化的缠绕机设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 746-758. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0233
引用本文: 徐小明, 张武翔, 丁希仑等 . 基于模块化的缠绕机设计方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2018, 44(4): 746-758. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0233
XU Xiaoming, ZHANG Wuxiang, DING Xilunet al. Modular design method for filament winding machine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(4): 746-758. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0233(in Chinese)
Citation: XU Xiaoming, ZHANG Wuxiang, DING Xilunet al. Modular design method for filament winding machine[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2018, 44(4): 746-758. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0233(in Chinese)

基于模块化的缠绕机设计方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2017.0233
基金项目: 

国家自然科学基金 51575018

详细信息
    作者简介:

    徐小明  男, 博士研究生。主要研究方向:复合材料缠绕成型技术

    张武翔  男, 博士, 副教授。主要研究方向:机构学与机器人学

    丁希仑  男, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向:空间机器人与空间机构学、仿生机器人、智能控制与自动化检测技术

    通讯作者:

    张武翔, E-mail: zhangwuxiang@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V261.97

Modular design method for filament winding machine

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51575018

More Information
  • 摘要:

    缠绕机具有生产效率高、产品质量稳定等特点,是碳纤维复合材料成型的关键工艺装备。针对产品小批量、定制化的生产需求,提出了针对缠绕机结构和控制系统的模块化设计方法(MDM),拓展缠绕机的功能多样性。将缠绕机的结构部件进行功能分解和关联强度分析,采用组遗传算法(GGA)将部件聚类为标准化的模块,根据产品需求,以产品性能最好和成本最低为目标建立模块配置模型,基于快速分类的非支配遗传算法(NSGA-Ⅱ)求解多目标优化模型完成机械结构模块化配置。提出基于现场总线的分布式网络控制器结构,将控制器的接口标准化和网络化,根据机械结构的模块化配置实现控制器的快速重构。基于模型组件对象(COM)技术将软件模块设计为COM组件,采用k近邻(kNN)方法进行控制模式分类,并进行COM组件的重构,控制软件动态解析控制模式并管理COM组件的状态转移关系,从而实现软件的快速重构。对结构、控制器和软件模块化方法的研究能够实现缠绕机的快速重构,拓展缠绕机的功能。

     

  • 图 1  缠绕机机电系统模块化设计模型

    Figure 1.  Modular design model for mechatronic system of winding machine

    图 2  GGA求解流程

    Figure 2.  Solving process for GGA

    图 3  模拟量/数字量控制器接口设计

    Figure 3.  Interface design for analog/digital controller

    图 4  通信协议转换控制器接口设计

    Figure 4.  Interface design for communication protocols converter

    图 5  控制系统的模块化配置方法

    Figure 5.  Modular configuration method for control system

    图 6  湿法缠绕控制模式

    Figure 6.  Control pattern for wet winding

    图 7  软件重构模型

    Figure 7.  Reconfiguration model for software

    图 8  COM组件通信模型

    Figure 8.  Communication model for COM component

    图 9  GGA优化结果

    Figure 9.  GGA optimization results

    图 10  天线支撑杆缠绕的NSGA-Ⅱ优化结果

    Figure 10.  NSGA-Ⅱ optimization results for aerial studdle winding

    图 11  天线支撑杆缠绕模块之间的拓扑关系

    Figure 11.  Topological relationship between modules for aerial studdle winding

    图 12  天线支撑杆缠绕的控制模式

    Figure 12.  Control pattern for aerial studdle winding

    图 13  湿法缠绕的NSGA-Ⅱ优化结果

    Figure 13.  NSGA-Ⅱ optimization results for wet winding

    图 14  湿法缠绕模块之间的拓扑关系

    Figure 14.  Topological relationship between modules for wet winding

    图 15  筒形壳体缠绕的NSGA-Ⅱ优化结果

    Figure 15.  NSGA-Ⅱ optimization results for cylindrical shell winding

    图 16  筒形壳体缠绕模块之间的拓扑关系

    Figure 16.  Topological relationship between modules for cylindrical shell winding

    图 17  筒形壳体缠绕的控制模式

    Figure 17.  Control pattern for cylindrical shell winding

    表  1  不同测试样本数量和k值的加权kNN方法准确率

    Table  1.   Woighted kNN method accuracy for different test sample sizes and values of k

    样本数量 加权kNN方法准确率/%
    k=5 k=7 k=9
    100 94 91.3 93.3
    200 92.7 92.3 91.5
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出版历程
  • 收稿日期:  2017-04-17
  • 录用日期:  2017-05-26
  • 网络出版日期:  2018-04-20

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