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复杂机电产品线缆敷设若干关键技术研究

王发麟  
【摘要】:复杂机电产品是涉及多学科、多领域、多因素具有复杂功能的一类产品。线缆作为传输能量和信号的介质,被大量应用于航空、航天、船舶等领域各类复杂机电产品中,是连接电子设备与各分机模块的“纽带”。线缆拓扑结构的复杂性、产品结构空间的约束、线缆的柔性特性以及依靠以往经验来保证敷设质量等因素的存在,使得线缆的敷设成为一个工艺难题。本文对复杂机电产品中线缆敷设的若干关键技术进行了研究,主要包括线缆布线路径规划技术、线缆碰撞干涉检测技术、线缆物理特性建模与仿真技术以及线缆敷设质量评估技术,并在上述研究的基础上开发了面向复杂机电产品的线缆敷设系统。本文的主要内容和研究成果如下:(1)对复杂机电产品三维空间线缆敷设路径规划技术进行了研究。针对复杂机电产品线缆敷设困难问题,提出了一种基于多尺度混沌变异粒子群算法的三维空间线缆敷设方法。首先分析了线缆敷设顺序对布线连通结果的影响,通过三维敷设空间环境的抽象建模,完成了算法求解空间的定义。为实现路径寻优的局部解逃逸,将混沌变异思想引入到粒子群算法中;利用不同变异尺度之间的相互竞争来促使整个种群对解空间进行分散式搜索,解决了单一的变异尺度无法保证获取最优解的问题,提高了算法全局和精确的局部寻优性能。最后用4种标准测试函数对所提算法进行了仿真实验,并将该算法成功应用到某相控阵雷达的线缆敷设过程中。(2)对复杂机电产品线缆敷设碰撞检测技术进行了研究。针对线缆具有柔性可变形特性而引起线缆碰撞检测难的问题,提出了一种基于距离场和扫掠剪除算法的线缆碰撞检测方法。基于距离场的碰撞检测方法主要用于检测线缆与线缆、线缆与结构件之间的碰撞:首先通过建立线缆体廓包围球,完成线缆多细节层次球面调和的表达;然后生成三维距离场映射,获取线缆或结构件表面法向量和穿刺深度等碰撞反馈信息。基于扫掠剪除算法的碰撞检测方法主要用于检测线缆的自碰撞:先构建线缆分段数学模型,然后通过线缆离散点扫掠剪除完成线缆自碰撞检测。最后对算法进行了验证,结果表明该算法具有较好的准确性和快速性,可以满足工程实际的要求。(3)对复杂机电产品线缆物理特性建模与仿真技术进行了研究。复杂机电产品中柔性线缆敷设时空间位姿和形态易发生变化,从而导致线缆在敷设过程中线缆取样信息不准确,严重影响线缆敷设效率。为此,提出了一种基于精确Cosserat模型的柔性线缆物理特性建模与变形仿真方法。该方法针对线缆大变形特性,先建立线缆活动标架和线缆参数化模型,并分析线缆的空间演化过程;其次对线缆空间位姿和形态进行描述,综合考虑线缆的几何特性和物理特性建立了基于精确Cosserat模型的线缆物理特性模型,构建出柔性线缆的动力学平衡方程;最后对模型进行数值积分求解,模拟线缆在敷设过程中的变形过程。(4)对复杂机电产品中线缆敷设质量评估技术进行了研究。针对目前线缆敷设主要依靠现场装配工人的经验而使得敷设质量难以得到保证的问题,提出了一种基于属性加权相似度的线缆敷设质量评估变精度粗糙集决策方法。首先对线缆敷设质量的影响因素和构成进行了分析,通过综合考虑评估对象的多种属性,建立了线缆敷设质量评估模型并对属性值进行了量化处理;其次,在质量评估模型的基础上,结合变精度粗糙集理论形成线缆敷设质量评估规则;最后,应用属性加权相似度方法比较当前线缆敷设状态与决策系统中所有对象的相似程度,得到敷设质量决策结果,完成对线缆敷设的质量评估。实例结果表明,相较于传统的敷设质量评估方法,该方法能提供更加符合实际的决策结果。(5)基于以上研究开发了面向复杂机电产品的线缆敷设系统,并在某型号相控阵雷达机柜的线缆敷设中进行了应用验证。


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