风电叶片玻璃纤维布自动铺层控制技术研究

发布时间：2020-05-31 06:41

【摘要】：目前国内风电叶片制造行业内玻璃纤维布的铺层方式多为行车吊运料辊辅助人工拖拽进行铺层作业。由于叶片模具具有复杂的曲面结构,料辊位姿调整的难度很大,工人需要手动操纵行车轴协调作用进行铺层作业,铺层速度慢、精度低、易褶皱,容易将待铺的玻璃纤维布弄脏。为提高叶片铺层质量,本文从影响铺层质量的关键因素:料辊位姿及多轴协调控制出发,开发了一套风电叶片玻璃纤维布自动铺层控制技术,旨在从理论和实践上满足叶片铺层工艺要求。本文主要研究内容包含以下几个方面:(1)根据叶片铺层工艺设计要求,提出了玻璃纤维布自动铺层整体设计方案。基于D-H方法建立铺层系统运动学模型,并进行料辊位姿正解、位姿反解和位姿误差分析,揭示了料辊位姿与移动轴、旋转轴之间的影响关系。构建交流永磁同步伺服电机数学模型,进而在Matlab/Simulink中采用SimMechanics模块对未加控制算法前的铺层系统运动学模型进行仿真分析,仿真结果表明铺层系统两种轮廓误差分别在40 mm和4°以内,铺层精度低且抗干扰性差。(2)结合玻璃纤维布自动铺层系统,提出一种鲁棒自适应交叉耦合的多轴协调控制策略。采用等距线法获取纤维布铺层路径,根据数据采样插补原理采用空间圆弧逼近铺层路径,为后续轮廓误差计算提供基础。分别建立料辊中心位置和轴线方向轮廓误差计算模型,采用插补点和位置误差、姿态误差分别计算两种轮廓误差,利用料辊位姿正解和位姿反解分别对两种轮廓误差进行修正补偿,并将轮廓误差补偿量分配给移动轴和转动轴,实现了轮廓误差补偿闭环控制。针对系统抗干扰性差问题,基于Narendra自适应控制理论构建自适应控制系统,设计具有强鲁棒性的自适应律,并证明了控制系统的稳定性。将鲁棒自适应控制与PID控制进行仿真对比,同时将鲁棒自适应交叉耦合控制的多轴协调控制策略与铺层系统运动学模型相结合进行仿真分析,仿真结果表明两种轮廓误差降低,系统响应更快且抗干扰性增强,叶片铺层精度提高。(3)根据铺层系统要求对控制系统进行研发,包括控制系统方案、电气系统、气动系统和人机监控界面。搭建风电叶片玻璃纤维布自动铺层试验平台,对LZ59.5-2.0叶片进行SS面第二层外蒙皮自动铺层试验,验证提出的鲁棒自适应交叉耦合控制策略的有效性。试验结果表明铺层系统位姿轨迹与仿真轨迹基本一致,两种轮廓误差分别在15mm和2°以内,系统兼具强自适应性和鲁棒性,满足叶片铺层工艺要求。
【图文】：

铺层,叶片

因此，风电叶片玻璃纤维布铺层研究对于提高叶片使用性能具有重要意义。传统的叶片壳体手工铺层方式如图1-1所示。由于叶片模具具有复杂的曲面结构[5]，工人采用行车吊运料辊沿模具表面以及智能程度更低的人工拖拽进行铺层作业。在铺层过程中，行车各运动轴参数不可避免地存在差异，易受到现场环境不确定因素的干扰，即使行车每个轴的操纵性能非常好，也很难保证料辊在多轴共同作用下实现连续精确的位姿轨迹控制，导致铺层速度慢、定位精度低、搭接误差大且易褶皱，同时容易将待铺的纤维布弄脏和损坏。当玻璃纤维布到达指定铺层长度时，工人采用手工的裁切方式，裁切精度低、裁切速度慢，降低了企业叶片生产质量。针对纤维布铺层装备多自由度的特性，开发一套风电叶片玻璃纤维布自动铺层控制技术，研究料辊?

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并分析料辊位姿误差影响因素。构建交流永磁同步伺服电机数学Simulink 中构建自动铺层系统运动学仿真模型，对未加控制算法前进行仿真分析。，鲁棒自适应交叉耦合控制策略设计。分别设计了插补控制策略及鲁棒自适应控制算法，，然后将三者相结合，设计了鲁棒自适应制策略。将鲁棒自适应控制算法与 PID 控制进行仿真对比，证明的优越性，进一步将鲁棒自适应交叉耦合控制策略与铺层系统运真分析，验证该控制策略在铺层系统中的有效性。，玻璃纤维布自动铺层控制系统研发。根据铺层控制系统要求，，分别完成了电气系统设计和气动系统设计，并开发了一套铺层电叶片玻璃纤维布铺层工艺流程，搭建自动铺层系统试验平台，和试验参数，采用鲁棒自适应交叉耦合控制策略进行叶片 SS 面试验，对试验结果进行分析，验证了该控制策略的可行性和优越主要技术路线如图 1-2 所示。
【学位授予单位】：山东理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TM315

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