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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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  • [1] 顾轶卓, 李敏, 李艳霞, 等.飞行器结构用复合材料制造技术与工艺理论进展[J].航空学报, 2015, 36(8):2773-2797. http://www.cqvip.com/QK/91925X/201508/665828070.html

    GU Y Z, LI M, LI Y X, et al.Progress on manufacturing technology and process theory of aircraft composite structure[J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2015, 36(8):2773-2797(in Chinese). http://www.cqvip.com/QK/91925X/201508/665828070.html
    [2] SOUTIS C.Carbon fiber reinforced plastics in aircraft construction[J].Materials Science and Engineering:A, 2005, 412(1-2):171-176. doi: 10.1016/j.msea.2005.08.064
    [3] PIRAN F A S, LACERDA D P, ANTUNES J A V, et al.Modularization strategy:Analysis of published articles on production and operations management(1999 to 2013)[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 86(1-4):507-519. doi: 10.1007/s00170-015-8221-9
    [4] HUANG C C.Overview of modular product development[J].Proceedings of the National Science Council, 2000, 24(3):149-165.
    [5] LAU A K W, YAM R C M, TANG E.The impacts of product modularity on competitive capabilities and performance:An empirical study[J].International Journal of Production Economics, 2007, 105(1):1-20. doi: 10.1016/j.ijpe.2006.02.002
    [6] STONE R B, WOOD K L, CRAWFORD R H.A heuristic method for identifying modules for product architectures[J].Design Studies, 2000, 21(1):5-31. doi: 10.1016/S0142-694X(99)00003-4
    [7] KRENG V B, LEE T.Modular product design with grouping genetic algorithm-A case study[J].Computers & Industrial Engineering, 2004, 46(3):443-460. http://dl.acm.org/citation.cfm?id=1006327.1006331
    [8] WEI W, LIU A, LU S C Y, et al.A multi-principle module identification method for product platform design[J].Journal of Zhejiang University-Science A(Applied Physics & Engineering), 2015, 16(1):1-10. doi: 10.1631/jzus.A1400263
    [9] JOSE A, TOLLENAERE M.Modular and platform methods for product family design:Literature analysis[J].Journal of Intelligent Manufacturing, 2005, 16(3):371-390. doi: 10.1007/s10845-005-7030-7
    [10] KIMURA F, KATO S, HATA T, et al.Product modularization for parts reuse in inverse manufacturing[J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2001, 50(1):89-92. doi: 10.1016/S0007-8506(07)62078-2
    [11] HUANG C C, KUSIAK A.Modularity in design of products and systems[J].IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics-Part A:Systems and Humans, 1998, 28(1):66-77. doi: 10.1109/3468.650323
    [12] 高飞, 肖刚, 潘双夏, 等.产品功能模块划分方法[J].机械工程学报, 2007, 43(5):29-35. http://www.cqvip.com/QK/90288X/2007005/24534468.html

    GAO F, XIAO G, PAN S X, et al.Method of product function module partition[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2007, 43(5):29-35(in Chinese). http://www.cqvip.com/QK/90288X/2007005/24534468.html
    [13] FAN B, QI G, HU X, et al.A network methodology for structure-oriented modular product platform planning[J].Journal of Intelligent Manufacturing, 2015, 26(3):553-570. doi: 10.1007/s10845-013-0815-1
    [14] PANDREMENOS J, CHRYSSOLOURIS G.A neural network approach for the development of modular product architectures[J].International Journal of Computer Integrated, 2011, 24(10):879-887. doi: 10.1080/0951192X.2011.602361
    [15] KRENG V B, LEE T P.MPD with grouping genetic algorithm:A case study[J].Computers and Industrial Engineering, 2004, 46(3):443-460. doi: 10.1016/j.cie.2004.01.007
    [16] 陆良, 杨殿阁, 顾铮珉, 等.采用模块化思想的汽车电器智能化设计方法[J].西安交通大学学报, 2010, 44(5):111-115. doi: 10.7652/xjtuxb201005023

    LU L, YANG D G, GU Z M, et al.Designing strategy for smart vehicle electrical/electronic devices based on modularization[J].Journal of Xi'an Jiaotong University, 2010, 44(5):111-115(in Chinese). doi: 10.7652/xjtuxb201005023
    [17] PRITSCHOW G, KIRCHER C, KREMER M, et al.Control systems for RMS and methods of their reconfiguration[M].Berlin:Springer, 2006:195-211.
    [18] 何岭松, 张登攀, 赖红.可重构虚拟仪器系统[J].机械工程学报, 2005, 41(9):78-81. http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jxgcxb200509016

    HE L S, ZHANG D P, LAI H.Reconfigurable virtual instrument system[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2005, 41(9):78-81(in Chinese). http://www.wanfangdata.com.cn/details/detail.do?_type=perio&id=jxgcxb200509016
    [19] DEB K, PRATAP A, AGARWAL S, et al.A fast and elitist multiobjective genetic algorithm:NSGA-Ⅱ[J].IEEE Transactions on Evolutionary Computation, 2002, 6(2):182-197. doi: 10.1109/4235.996017
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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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