基于模塊化的纏繞機(jī)設(shè)計(jì)方法

徐小明， 張武翔*， 丁希侖

(北京航空航天大學(xué) 機(jī)械工程及自動(dòng)化學(xué)院, 北京 100083)

碳纖維復(fù)合材料具有超高模、耐腐蝕、低熱膨脹系數(shù)和可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等性能，可以制備出熱膨脹系數(shù)為零的承力結(jié)構(gòu)件[1]，在航空航天等領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用[2]。纏繞成型是進(jìn)行大批量生產(chǎn)的有效工藝方法，纏繞機(jī)是實(shí)現(xiàn)該工藝的核心裝備。隨著碳纖維復(fù)合材料制品的應(yīng)用范圍越來越廣泛，客戶需求呈現(xiàn)出多樣化和定制化的特點(diǎn)，客戶在多品種、小批量、高質(zhì)量方面的要求使纏繞成型制造等高端制造面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3]。

模塊化設(shè)計(jì)方法(Modular Design Method，MDM)是實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品快速設(shè)計(jì)的有效手段，通過對產(chǎn)品進(jìn)行功能分解，從而劃分出一系列的通用化模塊，建立產(chǎn)品的模塊化體系。當(dāng)客戶的需求發(fā)生變化時(shí)，通過具有特定功能的模塊的選擇和組合重構(gòu)系統(tǒng)功能，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速響應(yīng)設(shè)計(jì)[4]。采用模塊化設(shè)計(jì)方法可以實(shí)現(xiàn)高效產(chǎn)品升級、降低復(fù)雜性、降低費(fèi)用、實(shí)現(xiàn)快速產(chǎn)品設(shè)計(jì)[5]。

在機(jī)械系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法中，Stone等[6]以客戶需求程度作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，通過定量框架的方法量化功能與客戶需求之間的關(guān)系，提出一種啟發(fā)式的模塊分類方法。Kreng 和 Lee[7]以模塊內(nèi)組件的功能和物理聯(lián)系最大、模塊內(nèi)組件的模塊驅(qū)動(dòng)力(MDF)的相似性最大為目標(biāo)進(jìn)行模塊劃分。Wei等[8]以模塊之間的內(nèi)部關(guān)聯(lián)最大、模塊之間的互相關(guān)聯(lián)最小、系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性最大為目標(biāo)采用多目標(biāo)優(yōu)化求解方法進(jìn)行模塊劃分。Jose和Tollenaere[9]將模塊化設(shè)計(jì)方法分為5類：聚類方法[10]，圖論和矩陣分割方法[11]，數(shù)學(xué)規(guī)劃方法[12]，人工智能方法[13-14]，遺傳算法和啟發(fā)式方法[15]。

陸良等[16]采用模塊化方法將汽車的硬件控制電路和軟件算法劃分為標(biāo)準(zhǔn)模塊，通過模塊的合理組合完成汽車控制電器的軟硬件設(shè)計(jì)。Pritschow等[17]提出控制系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)方法應(yīng)滿足標(biāo)準(zhǔn)化、可擴(kuò)展性、互換性和實(shí)效性要求，并基于控制模型庫實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)重構(gòu)。何嶺松等[18]基于模型組件對象(Compent Object Model,COM)技術(shù)提出軟件總線結(jié)構(gòu)的裝配式可重構(gòu)虛擬儀器系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)測試系統(tǒng)的在線升級和功能調(diào)整。

當(dāng)前的研究缺乏針對機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器和控制軟件的模塊化總體設(shè)計(jì)方法的研究。本文針對纏繞機(jī)的結(jié)構(gòu)組成特點(diǎn)，提出適應(yīng)不同纏繞工藝(干法、濕法和半干法)的模塊化重構(gòu)方法，拓展纏繞機(jī)的功能多樣性。

1 總體設(shè)計(jì)

纏繞機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)方法包括模塊劃分和模塊配置方法。模塊劃分將纏繞機(jī)的組件根據(jù)功能和結(jié)構(gòu)聚類為標(biāo)準(zhǔn)模塊，并根據(jù)功能和工藝的不同設(shè)計(jì)模塊實(shí)例，模塊實(shí)例之間具有標(biāo)準(zhǔn)化和通用化的接口；根據(jù)產(chǎn)品的需求變化，將不同功能的實(shí)例進(jìn)行增減和替換，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品功能的快速重構(gòu)。

纏繞機(jī)機(jī)電系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)模型如圖1所示，分別建立模塊化的機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器和控制軟件。機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化配置方法是控制器和軟件配置的基礎(chǔ)；控制器根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊配置結(jié)果選擇對應(yīng)的傳感模塊和控制模塊，并通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到現(xiàn)場總線；控制軟件根據(jù)控制模塊的連接狀態(tài)對控制模式進(jìn)行分類，解析每個(gè)控制模塊之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，并調(diào)用對應(yīng)的軟件模塊完成軟件的功能重構(gòu)。

機(jī)械系統(tǒng)的模塊劃分和模塊配置是進(jìn)行系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)，控制器通過機(jī)電接口與機(jī)械結(jié)構(gòu)連接，其模塊劃分和配置粒度與機(jī)械結(jié)構(gòu)保持一致，控制軟件通過現(xiàn)場總線與控制器進(jìn)行連接和數(shù)據(jù)交換。因此，纏繞機(jī)的模塊化設(shè)計(jì)問題分為：

1) 機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊劃分和模塊配置問題。

2)控制器的接口標(biāo)準(zhǔn)化方法和控制系統(tǒng)的組合重構(gòu)問題。

圖1 纏繞機(jī)機(jī)電系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)模型Fig.1 Modular design model for mechatronic system of winding machine

3) 控制軟件的控制模式劃分和軟件模塊重構(gòu)問題。

本文針對上述3個(gè)問題進(jìn)行研究，分別提出相應(yīng)的模塊化設(shè)計(jì)方法。

2 模塊劃分

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)模塊劃分

2.1.1 模塊劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型

模塊劃分將纏繞機(jī)的獨(dú)立組件根據(jù)相互關(guān)聯(lián)強(qiáng)度和功能相似度聚類為功能模塊。首先分析組件之間的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，然后依據(jù)劃分準(zhǔn)則建立模塊劃分的數(shù)學(xué)模型，求解模型得到組件的聚類結(jié)果。從功能關(guān)聯(lián)和全生命周期的穩(wěn)定性角度，模塊劃分的準(zhǔn)則為：①同一個(gè)模塊內(nèi)部組件之間的功能關(guān)聯(lián)、幾何關(guān)聯(lián)最大；②產(chǎn)品全生命周期的穩(wěn)定性最大，即影響產(chǎn)品全生命周期的模塊驅(qū)動(dòng)力的組件應(yīng)該劃分在同一個(gè)模塊中。

根據(jù)準(zhǔn)則①，組件之間的功能和幾何位置關(guān)聯(lián)強(qiáng)度矩陣為

(1)

式中：n為系統(tǒng)中的組件的數(shù)量；Ff,ij為組件i與組件j之間的功能關(guān)聯(lián)強(qiáng)度；Fg,ij為組件i與組件j之間的幾何位置關(guān)聯(lián)強(qiáng)度，其值9、3、1和0分別表示強(qiáng)關(guān)聯(lián)、一般關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)和無關(guān)聯(lián)，相同組件關(guān)于其自身的關(guān)聯(lián)強(qiáng)度為1。根據(jù)Ff和Fg可以得到描述組件之間總體功能關(guān)系的綜合關(guān)聯(lián)矩陣Y

Y=ωfFf+ωgFg

(2)

式中：ωf為功能關(guān)聯(lián)的權(quán)重值；ωg為幾何位置關(guān)聯(lián)的權(quán)重值，其關(guān)系滿足ωf+ωg=1。

除了組件之間的功能和幾何位置關(guān)聯(lián)，纏繞機(jī)在全生命周期的穩(wěn)定性是影響生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素，因此應(yīng)分析影響穩(wěn)定性的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素，即模塊驅(qū)動(dòng)力。在模塊劃分過程中，對于模塊驅(qū)動(dòng)力有相似貢獻(xiàn)度的組件應(yīng)該劃分在一個(gè)模塊中，一個(gè)模塊內(nèi)的模塊驅(qū)動(dòng)力的更高相似性會(huì)使模塊化的系統(tǒng)更加穩(wěn)定。組件與模塊驅(qū)動(dòng)力的關(guān)聯(lián)矩陣為

(3)

式中：fij為第i個(gè)模塊驅(qū)動(dòng)力與第j個(gè)組件之間的關(guān)聯(lián)程度，其值9、3、1和0分別表示強(qiáng)關(guān)聯(lián)、中等關(guān)聯(lián)、弱關(guān)聯(lián)和無關(guān)聯(lián)。

由K個(gè)模塊組成的系統(tǒng)可以用矩陣G=[gjk]表示，其中：

根據(jù)組件的綜合關(guān)聯(lián)矩陣，所有模塊的組件之間的總聚合度為

(4)

式中：yij為組件i與組件j之間的關(guān)于功能和幾何位置的綜合關(guān)聯(lián)強(qiáng)度；Gk為第k個(gè)模塊的相似度系數(shù)；Cmax為模塊之間的最大關(guān)聯(lián)度之和。

(5)

式中：ymax為組件之間關(guān)于功能和幾何位置的綜合關(guān)聯(lián)強(qiáng)度最大值，即ymax=9。

根據(jù)組件與模塊驅(qū)動(dòng)力的關(guān)聯(lián)矩陣，模塊內(nèi)部組件之間的相似度可以表示為

(6)

(7)

(8)

建立模塊劃分的目標(biāo)函數(shù)為

maxZ=ωrIR(Y)+ωcIC(Y)

(9)

其約束條件為

(10)

2.1.2 模型求解

根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型，模塊劃分問題轉(zhuǎn)化為最優(yōu)化求解問題，在滿足約束條件的前提下尋找的最大Z值。Z值越大，模塊劃分的結(jié)果關(guān)于功能和穩(wěn)定性最大。由于模塊劃分過程中模塊的數(shù)量和模塊中的組件數(shù)量是變化的，因此采用本文采用經(jīng)過改進(jìn)的組遺傳算法(Grouping Genetic Algorithm,GGA)進(jìn)行模塊劃分的聚類求解。GGA的求解流程如圖2所示，包括基因編碼，交叉、變異、遺傳等操作，與常規(guī)遺傳算法不同的是，GGA以組為單位進(jìn)行上述操作。根據(jù)遺傳算法的求解結(jié)果，將不同的組件聚類為模塊。

圖2 GGA求解流程Fig.2 Solving process for GGA

2.2 控制器和軟件模塊設(shè)計(jì)

控制器模塊劃分的粒度與機(jī)械結(jié)構(gòu)保持一致，根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)與控制器之間的接口可以完成控制器的模塊劃分。為了實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的重構(gòu)功能，采用具有標(biāo)準(zhǔn)接口的分布式現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。控制器模塊均作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)接口連接到現(xiàn)場總線實(shí)現(xiàn)控制網(wǎng)絡(luò)。

纏繞機(jī)的控制器主要分為：基于模擬信號(hào)的控制器和基于總線通信的控制器，針對2類控制器，分別設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化的與主控制器之間的接口，以便在完成機(jī)械結(jié)構(gòu)重構(gòu)以后實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的快速重構(gòu)。

對于模擬量輸入輸出、數(shù)字量輸入輸出類型的傳感器和驅(qū)動(dòng)器，其接口設(shè)計(jì)如圖3所示，包括通信接口、電源接口、信號(hào)輸入/輸出接口和調(diào)試接口，通信接口用于向現(xiàn)場總線發(fā)送和接收傳感器信號(hào)和控制指令，用于接收傳感器信號(hào)時(shí)，微處理器采集傳感器的信號(hào)，根據(jù)配置文件將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換為物理信號(hào)，通過通信接口上傳到控制軟件；用于控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，微處理器接收現(xiàn)場總線的控制指令，并根據(jù)配置文件轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行。

用于協(xié)議轉(zhuǎn)換的控制器接口設(shè)計(jì)如圖4所示，控制器的主要功能是將現(xiàn)場總線的控制指令轉(zhuǎn)換為電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的控制指令，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)通信端口的電平轉(zhuǎn)換和控制指令編碼。

根據(jù)控制器的硬件組成和工藝參數(shù)要求，纏繞機(jī)的軟件模塊主要包括：通信管理模塊、溫度控制模塊、張力控制模塊和運(yùn)行狀態(tài)檢測模塊。根據(jù)不同的控制算法和輸入輸出條件分別設(shè)計(jì)不同功能的軟件模塊。

圖3 模擬量/數(shù)字量控制器接口設(shè)計(jì)Fig.3 Interface design for analog/digital controller

圖4 通信協(xié)議轉(zhuǎn)換控制器接口設(shè)計(jì)Fig.4 Interface design for communication protocols converter

3 模塊配置

3.1 機(jī)械系統(tǒng)模塊配置

工藝參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能矢量為

P=(P1,P2,…,Pr,…,PR)T

采用層次分析法，其權(quán)重為

WP=(wP1,wP2,…,wPR)T

模塊實(shí)例和產(chǎn)品每一項(xiàng)性能的相關(guān)度矩陣Mp可以表示為

(11)

式中：τij,k為第i個(gè)模塊的第j個(gè)實(shí)例與第k項(xiàng)性能的相關(guān)度。

客戶對于所定制的產(chǎn)品需求矢量為

Cr=(C1,C2,…,Cq,…,CQ)T

采用層次分析法，其權(quán)重為

WC=(wC1,wC2,…,wCQ)T

產(chǎn)品需求和系統(tǒng)性能的相關(guān)度矩陣MC可以表示為

(12)

式中：γij為第i項(xiàng)系統(tǒng)性能和第j項(xiàng)產(chǎn)品需求之間的相關(guān)度。

根據(jù)相關(guān)度矩陣和權(quán)重值，針對需求矢量Cr的系統(tǒng)性能為

(13)

式中：F為系統(tǒng)性能的值，值越大表示系統(tǒng)的性能越好；σij為二元決策變量，表示模塊實(shí)例在配置產(chǎn)品的存在性，σij=1表示第i個(gè)模塊的第j個(gè)實(shí)例被配置在產(chǎn)品中，σij=0表示第i個(gè)模塊的第j個(gè)實(shí)例不被配置在產(chǎn)品中。

除了產(chǎn)品性能以外，生產(chǎn)成本是纏繞機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中的另外一個(gè)考慮因素。第i個(gè)模塊中第j個(gè)實(shí)例的成本為

Cij=CM+CE+CrCR

(14)

式中：CM為生產(chǎn)過程中的材料成本；CE為生產(chǎn)過程中的維護(hù)成本，包括軸承、電機(jī)、傳感器等在高溫環(huán)境中工作的維護(hù)成本；CR為設(shè)備維護(hù)清洗時(shí)間；Cr為單位時(shí)間的人工成本。

由此可以得到產(chǎn)品配置的生產(chǎn)成本為

(15)

式中：Ca為模塊的裝配重組成本。由此，可以得到模塊化產(chǎn)品配置的目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為

(16)

式中：MCO為核心模塊的數(shù)量，每個(gè)核心模塊必須選擇一個(gè)實(shí)例；Mi為第i個(gè)模塊的實(shí)例數(shù)量；MO為可選模塊的數(shù)量，每個(gè)可選模塊最多選擇一個(gè)實(shí)例；Mk為第k個(gè)模塊的實(shí)例數(shù)量；Cmax為客戶所能接受的最大生產(chǎn)成本。

為了解決模塊配置中的多目標(biāo)優(yōu)化問題，采用基于快速分類的非支配遺傳算法(NSGA-Ⅱ)[19]搜索Pareto前沿。適應(yīng)度的值由非支配排序級別確定，該排序級別使用快速非支配排序機(jī)制和不需要外部參數(shù)的擁擠距離以避免對于目標(biāo)的偏好，并且使用精英策略以防止優(yōu)秀個(gè)體的丟失。

3.2 控制系統(tǒng)模塊配置

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊配置，根據(jù)機(jī)電接口可以確定控制器的重構(gòu)形式，并通過現(xiàn)場總線重構(gòu)組成新的控制網(wǎng)絡(luò)。控制系統(tǒng)需要根據(jù)所連接的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行控制模式識(shí)別和軟件重構(gòu)。控制系統(tǒng)的模塊化配置方法如圖5所示。控制器作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過網(wǎng)絡(luò)接口連接到上行總線和下行總線，并通過網(wǎng)絡(luò)控制器與控制軟件交換數(shù)據(jù)，控制模塊具有唯一的ID標(biāo)識(shí)。控制軟件首先通過ID標(biāo)識(shí)掃描控制模塊的連接狀態(tài)，根據(jù)預(yù)先定義的控制模式數(shù)據(jù)庫和控制模塊的特征進(jìn)行控制模式分類。首先根據(jù)控制特征搜索數(shù)據(jù)庫中的相同項(xiàng)，如果數(shù)據(jù)庫中不存在相同項(xiàng)，采用k近鄰(kNN)方法進(jìn)行控制模式分類。控制軟件解析控制模式腳本，采用基于COM組件的重構(gòu)方法對控制器之間的連接關(guān)系和數(shù)據(jù)交換進(jìn)行動(dòng)態(tài)重構(gòu)，進(jìn)而進(jìn)行軟件重構(gòu)生成軟件控制系統(tǒng)。最后通過白盒測試和黑盒測試對控制系統(tǒng)功能的完整性和組件狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，通過測試后形成功能完整的工藝參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)重構(gòu)。

圖5 控制系統(tǒng)的模塊化配置方法Fig.5 Modular configuration method for control system

3.2.1 控制模式設(shè)計(jì)

在纏繞機(jī)工藝參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，工藝流程和傳感/驅(qū)動(dòng)組件的不同，導(dǎo)致其控制模式各不相同，應(yīng)根據(jù)控制器的重構(gòu)形式和連接數(shù)量，確定其控制模式。有限狀態(tài)機(jī)通過節(jié)點(diǎn)和事件描述離散事件之間的連接關(guān)系，可以用來標(biāo)識(shí)控制器之間的執(zhí)行狀態(tài)，即控制模式。濕法纏繞的控制模式如圖6所示。

圖6 濕法纏繞控制模式Fig.6 Control pattern for wet winding

3.2.2 控制模式分類方法

采用kNN方法根據(jù)控制器的連接狀態(tài)進(jìn)行控制模式分類。由n個(gè)特征組成的向量Pi=(pi1,pi2,…,pin)表示一種控制模式，控制模式的訓(xùn)練樣本集合為Q={(Pi,Li),i=1,2,…,K}，其中K為控制模式的樣本數(shù)量，Li為控制模式類型標(biāo)簽，i=1,2,…,M，M為控制模式類型的數(shù)量。為了進(jìn)一步提高kNN方法的準(zhǔn)確度，采用加權(quán)kNN方法在基本kNN方法的基礎(chǔ)上對k個(gè)類型標(biāo)簽進(jìn)行相似度計(jì)算，其具體的計(jì)算流程為:

1)Px為待分類的控制模式的向量，Lx為控制模式的標(biāo)簽。首先計(jì)算訓(xùn)練樣本集合Q中的向量與Px之間的距離

(17)

2) 取集合Q′的最大樣本距離，即第k+1個(gè)樣本與Px的距離將前k個(gè)樣本距離進(jìn)行歸一化處理。

(18)

3) 引入高斯核函數(shù)，將歸一化的Px與k個(gè)近鄰樣本的距離轉(zhuǎn)化為樣本之間的相似概率pxi

(19)

4) 根據(jù)近鄰樣本的相似概率，求出Px為控制模式Li的概率為

(20)

式中：σ為二值函數(shù)

(21)

根據(jù)式(20)求出Px為控制模式為Li的概率，取概率的最大值即Px的控制模式,

Lx=arg max(pLi)

(22)

3.2.3 加權(quán)kNN方法準(zhǔn)確率分析

根據(jù)已知的控制特征和控制模式生成訓(xùn)練樣本集合Q，Q中共包含1 569個(gè)訓(xùn)練樣本，在MATLAB中進(jìn)行分類準(zhǔn)確性分析。針對控制特征向量Px，首先在Q中檢索相同樣本，保證Px?Q時(shí)準(zhǔn)確率達(dá)到100%，如果不存在，則采用加權(quán)kNN方法進(jìn)行分類。在1 569個(gè)訓(xùn)練樣本中分別隨機(jī)挑選100和200個(gè)樣本作為測試樣本，測試不同k取值下加權(quán)kNN方法的準(zhǔn)確率，測試結(jié)果如表1所示。

從表1可以看出，加權(quán)kNN方法的準(zhǔn)確率較高，且對樣本數(shù)量和k值具有較好的魯棒性。然而由于加權(quán)kNN分類方法仍然存在一定的錯(cuò)誤率，因此，在完成控制系統(tǒng)和軟件重構(gòu)后，應(yīng)通過一定的測試用例測試控制模式的分類準(zhǔn)確性。

表1 不同測試樣本數(shù)量和k值的加權(quán)kNN方法準(zhǔn)確率

3.2.4 軟件重構(gòu)方法

控制軟件解析控制模式腳本，根據(jù)模塊之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移順序動(dòng)態(tài)調(diào)用不同的軟件模塊。軟件重構(gòu)模型如圖7所示，先將軟件功能進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，減小模塊之間的耦合和數(shù)據(jù)交換，并將軟件模塊設(shè)計(jì)為COM組件，定義組件接口。COM組件作為客戶組件，軟件控制系統(tǒng)的主控模塊作為服務(wù)器對客戶組件進(jìn)行管理，根據(jù)控制模式的不同，服務(wù)器進(jìn)行客戶組件的添加、刪除和通信等操作，從而實(shí)現(xiàn)操作模式的動(dòng)態(tài)構(gòu)建。客戶組件之間的連接關(guān)系和執(zhí)行順序存儲(chǔ)在控制模式腳本中，服務(wù)器通過解析控制模式腳本對客戶組件之間的執(zhí)行順序進(jìn)行控制。

COM組件的通信包括客戶與服務(wù)器的通信以及客戶與客戶之間的通信，通信模型如圖8所示。COM服務(wù)器通過事件隊(duì)列管理客戶組件的事件消息，通過軟件數(shù)據(jù)總線管理數(shù)據(jù)的訪問，數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)類型變量保存在數(shù)據(jù)總線上。根據(jù)數(shù)據(jù)傳遞方向的不同，客戶組件與服務(wù)器之間的通信方式分為：服務(wù)器調(diào)用客戶組件并將參數(shù)傳遞給客戶組件；客戶組件將運(yùn)算結(jié)果等數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器以供其他組件調(diào)用。服務(wù)器調(diào)用客戶時(shí)，通過客戶組件提供的訪問接口調(diào)用相應(yīng)的方法，客戶組件從數(shù)據(jù)總線讀取相關(guān)的數(shù)據(jù)；客戶組件運(yùn)算完成后，將運(yùn)算結(jié)果發(fā)送至數(shù)據(jù)總線，同時(shí)生成事件消息通知服務(wù)器。

圖7 軟件重構(gòu)模型Fig.7 Reconfiguration model for software

圖8 COM組件通信模型Fig.8 Communication model for COM component

客戶組件之間的通信通過事件槽技術(shù)實(shí)現(xiàn)，而不采用組件之間直接通信的方式，以減小組件之間的耦合，便于控制軟件的重構(gòu)。當(dāng)組件1需要讀取組件2的數(shù)據(jù)時(shí)，組件1向服務(wù)器發(fā)送請求數(shù)據(jù)讀取事件，服務(wù)器接收到該事件以后從組件2讀取數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)總線，然后服務(wù)器將數(shù)據(jù)寫入組件1。

4 案例分析

根據(jù)本文所提出的模塊劃分和模塊配置方法，針對不同的產(chǎn)品需求(天線支撐桿、預(yù)浸料、筒形殼體)進(jìn)行案例分析研究。首先采用模塊劃分方法將組件聚類為具有標(biāo)準(zhǔn)接口的模塊，并設(shè)計(jì)不同功能的模塊實(shí)例；然后根據(jù)產(chǎn)品需求的變化進(jìn)行模塊選擇，完成機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)的功能重構(gòu)。

4.1 模塊劃分

根據(jù)第2節(jié)所提出的模塊劃分方法，采用MATLAB軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化算法。根據(jù)首先纏繞機(jī)由多輥系組成的特點(diǎn)，將纏繞機(jī)以輥輪為基本單位分為30個(gè)獨(dú)立的組件，建立組件的綜合關(guān)聯(lián)矩陣Y；然后確定影響全壽命周期穩(wěn)定性的模塊驅(qū)動(dòng)力包括：運(yùn)動(dòng)可靠性和平穩(wěn)性、技術(shù)提高和技術(shù)革新，加工質(zhì)量保證，快速服務(wù)和維修，纖維磨損，組件壽命。確定組件和模塊驅(qū)動(dòng)力關(guān)聯(lián)矩陣Fs，并采用層次分析法求解模塊驅(qū)動(dòng)力的權(quán)重為ω=(0.269 9,0.203 1,0.051 9,0.071 6,0.333 5,0.070 0)。根據(jù)模塊劃分?jǐn)?shù)學(xué)模型，采用GGA進(jìn)行組件參數(shù)，GGA的參數(shù)如下：初始種群大小為200，迭代次數(shù)為100，交叉概率為0.4，變異概率為0.2，其中交換操作概率為0.5，分割和合并操作概率為0.5，穩(wěn)定性相關(guān)的模塊驅(qū)動(dòng)力矩陣的權(quán)重值ωr=0.5，與功能和幾何位置相關(guān)的關(guān)系矩陣的權(quán)重值ωc=0.5，模塊數(shù)量最小值Kmin=3，模塊數(shù)量最大值Kmax=27。采用GGA的適應(yīng)度函數(shù)值隨迭代次數(shù)的變化結(jié)果如圖9所示。

圖9 GGA優(yōu)化結(jié)果Fig.9 GGA optimization results

從圖9可以看出，GGA在迭代次數(shù)為28時(shí)收斂到目標(biāo)函數(shù)的最大值，近似最優(yōu)解的值為Z=0.627 2。根據(jù)GGA的優(yōu)化結(jié)果，最終聚類得到7個(gè)模塊：放卷模塊、單束張力測量模塊、浸膠模塊、含膠量調(diào)整模塊、集束張力調(diào)整模塊、速度和集束張力測量模塊、絲嘴集束模塊。對每一個(gè)模塊設(shè)計(jì)不同的功能實(shí)例，放卷模塊根據(jù)放卷力矩施加方式和是否改變纖維傳動(dòng)方向設(shè)計(jì)6個(gè)實(shí)例；單束張力測量模塊根據(jù)不同響應(yīng)速度設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)例；浸膠模塊根據(jù)浸膠工藝的不同設(shè)計(jì)3個(gè)實(shí)例；含膠量調(diào)整模塊根據(jù)含膠量調(diào)節(jié)方式設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)例；集束張力調(diào)整模塊根據(jù)張力施加大小設(shè)計(jì)6個(gè)實(shí)例；速度和集束張力測量模塊根據(jù)測量形式設(shè)計(jì)3個(gè)實(shí)例；絲嘴集束模塊根據(jù)展紗功能設(shè)計(jì)2個(gè)實(shí)例。實(shí)例之間的輥輪采用相同的安裝接口。

4.2 天線支撐桿纏繞的模塊配置

采用多絲束高模量碳纖維進(jìn)行雙工位天線支撐桿的同步纏繞，所定制的產(chǎn)品需求為：纏繞工藝為熱熔法，放卷輥數(shù)量為10，膠液類型為氰酸酯樹脂，碳纖維型號(hào)為M55J，纏繞線型為45°螺旋纏繞。

4.2.1 機(jī)械系統(tǒng)配置

工藝參數(shù)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性能要求包括：溫度，纖維磨損，參數(shù)控制精度，設(shè)備體積，維護(hù)性，纖維展開寬度，運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和穩(wěn)定性，生產(chǎn)效率。通過分析，可以得到每一個(gè)模塊實(shí)例和產(chǎn)品性能的相關(guān)度矩陣Mp、產(chǎn)品需求和系統(tǒng)性能的相關(guān)度矩陣MC，并采用層次分析法分別得到產(chǎn)品需求的權(quán)重值WC和系統(tǒng)性能的權(quán)重值WP。根據(jù)式(14)，可以計(jì)算每一個(gè)模塊實(shí)例的成本。根據(jù)模塊配置數(shù)學(xué)模型，采用NSGA-Ⅱ進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解，優(yōu)化參數(shù)設(shè)置如下：初始種群大小為60，迭代次數(shù)為100，交叉概率為0.6，變異概率為0.02。成本和性能的變化曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，當(dāng)?shù)螖?shù)大于30時(shí)，成本和性能均收斂到穩(wěn)定值，說明已經(jīng)收斂到最優(yōu)邊界。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，得到各個(gè)模塊實(shí)例的配置方案，將實(shí)例之間進(jìn)行組合得到模塊實(shí)例的連接關(guān)系如圖 11所示。力矩電機(jī)放卷裝置和稱重傳感器單束張力測量裝置組成閉環(huán)反饋系統(tǒng)控制纖維的張力保持穩(wěn)定，并使10束纖維張力保持均勻，然后10束纖維經(jīng)過浸膠模塊完成浸膠過程，浸膠輥在設(shè)定的溫度下實(shí)現(xiàn)含膠量調(diào)整，磁粉離合器為集束纖維增大張力，并將速度和集束張力測量模塊作為反饋裝置控制10束纖維的總張力，最后通過絲嘴集束模塊纏繞到芯模表面。

圖10 天線支撐桿纏繞的NSGA-Ⅱ優(yōu)化結(jié)果Fig.10 NSGA-Ⅱ optimization results for aerial studdle winding

圖11 天線支撐桿纏繞模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系Fig.11 Topological relationship between modules for aerial studdle winding

4.2.2 控制系統(tǒng)配置

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)的模塊配置結(jié)果，將對應(yīng)的控制器連接到現(xiàn)場總線，控制系統(tǒng)檢測控制器的連接狀態(tài)，根據(jù)控制特征采用加權(quán)kNN方法進(jìn)行控制模式分類。在纏繞機(jī)控制系統(tǒng)中，控制模式的劃分特征為：放卷形式，放卷數(shù)量，斷紗檢測，單束張力測量，單束張力施加，磁粉離合器數(shù)量，浸膠工藝，集束張力測量，速度傳感器，溫度控制。根據(jù)纏繞機(jī)的工藝特點(diǎn)，控制模式庫為：濕法速度跟隨，干法/半干法速度跟隨，干法/半干法小張力控制，干法/半干法速度跟隨和張力控制，干法/半干法多絲束張力分布式控制。分別采用有限狀態(tài)機(jī)模型描述這5種控制模式。控制系統(tǒng)根據(jù)控制器的連接狀態(tài)得到控制系統(tǒng)的控制特征，然后采用加權(quán)kNN方法進(jìn)行分類，最終得到的控制模式為干法/半干法多絲束張力分布式控制模式，如圖12所示。首先加載系統(tǒng)配置，完成控制器和數(shù)據(jù)總線的初始化，然后進(jìn)行輥輪的溫度控制，并檢測溫度是否異常，最后達(dá)到設(shè)定溫度以后進(jìn)行芯模纏繞，系統(tǒng)運(yùn)行過程中分別進(jìn)行單束張力控制、集束張力和速度控制，并檢測溫度、斷紗和運(yùn)行狀態(tài)。

圖12 天線支撐桿纏繞的控制模式Fig.12 Control pattern for aerial studdle winding

4.2.3 系統(tǒng)測試

控制軟件根據(jù)所生成的控制模式解析COM組件之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系完成控制軟件的重構(gòu)。然而由于加權(quán)kNN方法存在一定的錯(cuò)誤率，因此采用白盒測試和黑盒測試方法進(jìn)行系統(tǒng)測試以保證模塊化系統(tǒng)重構(gòu)后的質(zhì)量和可靠性。

白盒測試方法在軟件重構(gòu)階段的主要作用是根據(jù)控制模式之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系，對控制系統(tǒng)的所有路徑進(jìn)行測試。該測試方法需要保證各個(gè)組件的所有執(zhí)行路徑全覆蓋；并且針對邏輯判斷條件完成測試。采用白盒測試中的路徑覆蓋測試方法遍歷控制模式中的所有路徑，根據(jù)系統(tǒng)的期望輸出結(jié)果和實(shí)際輸出結(jié)果判斷組件之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系是否正確。

黑盒測試方法采用等價(jià)類方法驗(yàn)證系統(tǒng)的功能完整性。工藝參數(shù)調(diào)節(jié)裝置的功能包括：浸膠/傳導(dǎo)/膠槽等輥輪的加熱功能，速度跟隨功能，張力控制功能，狀態(tài)監(jiān)測功能；系統(tǒng)的輸入條件為：溫度設(shè)定值，速度設(shè)定值，張力設(shè)定值，斷紗狀態(tài)；系統(tǒng)輸出為：加熱器功率，輥輪溫度，輥輪轉(zhuǎn)速，系統(tǒng)張力，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。采用等價(jià)類劃分方法將輸入劃分等價(jià)類，并生成等價(jià)類表，根據(jù)系統(tǒng)的期望輸出結(jié)果和實(shí)際輸出結(jié)果比對判斷控制系統(tǒng)的功能是否完整。

4.2.4 結(jié)果分析

所提出的產(chǎn)品需求為10束高模量碳纖維使用氰酸酯樹脂進(jìn)行小尺寸桿件纏繞，其工藝參數(shù)要求溫度控制精度高、含膠量均勻、10束纖維張力分布均勻。采用模塊化方法生成的模塊配置方案中，高模量纖維易磨損，力矩電機(jī)放卷裝置和稱重傳感器單束張力測量裝置組成閉環(huán)反饋系統(tǒng)施加較小的傳輸張力，并控制每束張力保持穩(wěn)定，從而使10束纖維之間的張力分布均勻。磁粉離合器輥輪、速度和集束張力測量模塊能夠在浸膠前施加較大的纖維張力并保持穩(wěn)定。浸膠模塊具有含膠量調(diào)整裝置和溫控裝置，可以實(shí)現(xiàn)纖維的含膠量調(diào)整。浸膠模塊、集束張力調(diào)整模塊和絲嘴集束模塊均具備加熱功能，可以滿足氰酸酯樹脂的溫度控制要求。控制軟件重構(gòu)生成的控制模式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)溫度控制、單束張力控制、速度和張力控制，使溫度和張力保持穩(wěn)定。因此本文模塊化纏繞機(jī)設(shè)計(jì)方法能夠根據(jù)產(chǎn)品的需求快速實(shí)現(xiàn)功能重構(gòu)，并滿足纏繞制品的工藝參數(shù)要求。

4.3 預(yù)浸料纏繞的模塊配置

濕法纏繞生產(chǎn)預(yù)浸料的工藝過程簡單，生產(chǎn)效率高，所定制的預(yù)浸料產(chǎn)品需求為：纏繞工藝為濕法；放卷輥數(shù)量為2；膠液類型為環(huán)氧樹脂；碳纖維型號(hào)為T800；纏繞線型為90°纏繞，纏繞模具為圓筒，直徑為1 800 mm。

在模塊化配置方法中，模塊實(shí)例和產(chǎn)品性能的相關(guān)度矩陣Mp和模塊實(shí)例的成本均保持不變。根據(jù)預(yù)浸料的需求計(jì)算產(chǎn)品需求和系統(tǒng)性能的相關(guān)度矩陣MC，并采用層次分析法分別得到產(chǎn)品需求的權(quán)重值WC和系統(tǒng)性能的權(quán)重值WP。在濕法纏繞工藝中，WC=(0.284 5,0.132 4,0.105 3,0.169 8,0.308 0)，WP =(0.021 0,0.079 8,0.056 1,0.107 3,0.216 7,0.197 4,0.095 4,0.226 3)，采用NSGA-Ⅱ進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解得到性能和成本的變化曲線如圖13所示。

從圖13可以看出，當(dāng)?shù)螖?shù)大于37時(shí)，成本和性能均收斂到穩(wěn)定值。根據(jù)優(yōu)化的模塊實(shí)例的配置方案，將實(shí)例之間進(jìn)行組合得到模塊實(shí)例的連接關(guān)系如圖 14所示，2 束碳纖維通過摩擦帶放卷裝置施加一定的纖維張力，通過浸膠裝置實(shí)現(xiàn)樹脂和纖維的混合，然后通過含膠量調(diào)整裝置和展紗裝置調(diào)節(jié)展紗寬度后纏繞到芯模表面。

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化配置結(jié)果將控制器連接到現(xiàn)場總線，根據(jù)控制特征采用kNN方法得到的控制模式為：濕法速度跟隨。如圖6所示，控制軟件根據(jù)所生成的控制模式解析COM組件之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系完成控制軟件的重構(gòu)。濕法纏繞時(shí)控制系統(tǒng)的主要功能為控制浸膠輥的速度跟隨芯模的纏繞速度。

圖13 濕法纏繞的NSGA-Ⅱ優(yōu)化結(jié)果Fig.13 NSGA-Ⅱ optimization results for wet winding

圖14 濕法纏繞模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系Fig.14 Topological relationship between modules for wet winding

4.4 筒形殼體纏繞的模塊配置

筒形殼體采用高強(qiáng)度纖維和氰酸酯樹脂在較大的張力下進(jìn)行纏繞成型，所定制的筒形殼體的產(chǎn)品需求為：纏繞工藝為熱熔法,放卷輥數(shù)量為1,膠液類型為氰酸酯樹脂,碳纖維型號(hào)為T800,纏繞線型為30°螺旋纏繞。在筒形殼體纏繞工藝中，WC=(0.390 8,0.102 7,0.197 2,0.204 3,0.105 0)，WP=(0.127 7,0.236 1,0.246 3,0.053 5,0.065 1,0.058 0,0.157 01,0.056 4)，采用NSGA-Ⅱ進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化求解得到性能和成本的變化曲線如圖15所示。

從圖 15中可以看出，當(dāng)?shù)螖?shù)大于22時(shí)，成本和性能均收斂到穩(wěn)定值。根據(jù)優(yōu)化的模塊實(shí)例的配置方案，將實(shí)例之間進(jìn)行組合得到模塊實(shí)例的連接關(guān)系如圖 16所示，放卷裝置通過力矩電機(jī)施加較小的張力以減小傳送過程中的纖維磨損，浸膠裝置之前通過單束張力施加裝置施加設(shè)定的纖維張力，并通過調(diào)節(jié)浸膠輥的電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)速度跟隨和張力控制，在絲嘴處對樹脂進(jìn)行加熱以保持黏度，最終纏繞到芯模表面。

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)的模塊化配置結(jié)果將控制器連接到現(xiàn)場總線，根據(jù)控制特征采用加權(quán)kNN方法得到的控制模式為：干法/半干法速度跟隨和張力控制，如圖 17所示，控制軟件根據(jù)所生成的控制模式解析COM組件之間的狀態(tài)轉(zhuǎn)移關(guān)系完成控制軟件的重構(gòu)。首先完成控制器和數(shù)據(jù)總線的初始化;然后進(jìn)行輥輪的溫度控制，并檢測溫度是否異常，達(dá)到設(shè)定溫度以后，根據(jù)設(shè)定的張力值控制放卷力矩電機(jī)和磁粉離合器的轉(zhuǎn)矩施加纖維張力;最后調(diào)節(jié)浸膠輥的轉(zhuǎn)速跟隨芯模的纏繞速度并調(diào)整傳送張力使之保持穩(wěn)定，在運(yùn)行過程中檢測斷紗、溫度系統(tǒng)的運(yùn)行是否正常。

圖16 筒形殼體纏繞模塊之間的拓?fù)潢P(guān)系Fig.16 Topological relationship between modules for cylindrical shell winding

圖17 筒形殼體纏繞的控制模式Fig.17 Control pattern for cylindrical shell winding

通過對天線支撐桿、預(yù)浸料、筒形殼體纏繞的模塊劃分和模塊配置方法的分析中可以看出，本文模塊化設(shè)計(jì)方法能夠根據(jù)不同的產(chǎn)品需求進(jìn)行不同功能模塊實(shí)例的最優(yōu)配置，并實(shí)現(xiàn)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器和控制軟件的功能重構(gòu)，使纏繞機(jī)能夠滿足不同的纏繞工藝要求，拓展了纏繞機(jī)的功能多樣性。

5 結(jié) 論

本文提出纏繞機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)、控制器和控制軟件的模塊化設(shè)計(jì)方法，得出：

1) 通過定義組件之間的關(guān)聯(lián)矩陣，采用GGA和NSGA-Ⅱ能夠有效實(shí)現(xiàn)模塊劃分和模塊重新配置。

2) 基于現(xiàn)場總線的開放式控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)控制器的快速重構(gòu)，基于COM組件技術(shù)、有限狀態(tài)機(jī)可以實(shí)現(xiàn)軟件的動(dòng)態(tài)重構(gòu)。

3) 采用模塊化設(shè)計(jì)方法可以快速響應(yīng)客戶需求的變化，滿足不同的纏繞工藝要求，實(shí)現(xiàn)纏繞機(jī)功能的快速重構(gòu)。

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