数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统技术方案

本发明专利技术属于特种加工领域，具体地，涉及一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，包括三个步骤：电弧铣削数字孪生物理实体建模，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模。数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断系统，包含六个部分：电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统、电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统、电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统、电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统、电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统、电弧铣削系统故障诊断与报警子系统。诊断与报警子系统。

【技术实现步骤摘要】
数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统


[0001]本专利技术属于特种加工领域，具体地，涉及一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。

技术介绍

[0002]高效放电脉冲电弧铣削加工技术是一种重要的特种加工技术，由于其加工效率高、无切削力、不限工件材料等特点，被应用于航空航天等领域各种难加工导电材料的加工中。与传统铣削方法不同，其使用工具电极作为刀具，与工件不产生接触，有效避免了刀具震颤。其使用的高效放电脉冲电源可以提供较大的放电能量，对各种难加工材料进行放电去除。
[0003]高效放电脉冲电弧铣削加工技术的加工能量较大，一旦发生故障，轻则造成工具电极和工件报废，重则造成设备损坏和人员伤亡。通常仅由操作者在设备操作的同时进行故障观测，尽管存在一定的故障报警信息，但需要进行人为处理，对操作者的要求较高。数字孪生技术可以将设备的物理模型映射为虚拟实体，综合多种传感器数据，实时对虚拟实体进行更新，反映加工设备的运行状态，便于对加工技术进行故障诊断与预警。因此，亟需一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。

技术实现思路

[0004]为克服现有技术存在的缺陷，本专利技术提供一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，包括三个步骤：电弧铣削数字孪生物理实体建模，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模。
[0007]电弧铣削数字孪生物理实体建模的具体步骤为：
[0008]S101：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其几何模型；
[0009]S102：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其物理模型；
[0010]S103：基于高效放电脉冲电弧铣削加工设备物理模型，建立高效放电脉冲电弧铣削加工机床行为模型。
[0011]电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新的具体步骤为：
[0012]S201：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，获取电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的实时运行状态；
[0013]S202：基于获取的高效放电脉冲电弧铣削加工设备的实时运行状态，分类、清洗、处理、整合数据，根据高效放电脉冲电弧铣削加工原理，模拟放电加工生产过程，生成高效放电脉冲电弧铣削加工设备数字孪生模拟数据；
[0014]S203：基于电弧铣削机械设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削机械系统数字孪生模型；基于电弧铣削电源设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削电源系统数字孪生模型；基于电弧铣削控制设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削控制系统数字孪生模型；基于电弧铣削循环设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削循环系统数字孪生模型；
[0015]S204：针对电压和电流信号，使用巴特沃斯低通滤波器进行滤波；
[0016]S205：基于电弧铣削数字孪生物理实体模型，构建电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备以及循环设备的系统高保真数字孪生框架；
[0017]S206：将传感器获得的高效放电脉冲电弧铣削加工设备数据整合入数字孪生体，构建电弧铣削数字孪生与故障诊断模型；对数字孪生体的历史数据进行多重备份；生成故障状态仿真数据，对数字孪生体与故障诊断模型进行更新。
[0018]电弧铣削数字孪生虚拟实体建模的具体步骤为：
[0019]S301：基于构建的电弧铣削机械系统数字孪生模型、电源系统数字孪生模型、控制系统数字孪生模型、循环系统数字孪生模型，构建电弧铣削系统状态数字孪生虚拟实体；
[0020]S302：基于构建的电弧铣削系统高保真数字孪生框架，构建电弧铣削几何状态数字孪生虚拟实体、放电状态数字孪生虚拟实体以及环境状态数字孪生虚拟实体；
[0021]S303：基于构建的电弧铣削数字孪生与故障诊断模型，构建电弧铣削故障诊断数字孪生虚拟实体；
[0022]S304：对构建的电弧铣削数字孪生虚拟实体进行数据分析与特征提取；
[0023]S305：基于获取的电弧铣削数字孪生虚拟实体信息，进行实时故障诊断，实现数字孪生体的动态更新和自动交互。
[0024]数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断系统，包含六个部分：电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统、电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统、电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统、电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统、电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统、电弧铣削系统故障诊断与报警子系统。
[0025]电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统，包括机械设备数据采集模块、机械设备数据清洗与整合模块、机械设备数据编码与通讯模块。
[0026]电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统，包括电源设备数据采集模块、电源设备数据清洗与整合模块、电源设备数据编码与通讯模块。
[0027]电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统，包括控制设备数据采集模块、控制设备数据清洗与整合模块、控制设备数据编码与通讯模块。
[0028]电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统，包括循环设备数据采集模块、循环设备数据清洗与整合模块、循环设备数据编码与通讯模块。
[0029]电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统，包括数据译码与分类模块、数字孪生体构建与更新模块。
[0030]电弧铣削系统故障诊断与报警子系统，包括故障诊断模块和故障预警模块。
[0031]相对于现有技术，本专利技术的有效增益效果是：数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统，其功能不仅包括对电弧铣削加工设备硬件和软件故障导致的系统故障的预警，而且还包括电弧铣削加工过程的状态监测，确保加工过程稳定安全；通过建立高效放电脉冲电弧铣削数字孪生体，综合多种传感器数据，实现对设备整体运行状
态和电弧铣削加工状态的精准监测和故障预警。
附图说明
[0032]图1是电弧铣削数字孪生物理实体建模步骤示意图；
[0033]图2是电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新步骤示意图；
[0034]图3是电弧铣削数字孪生虚拟实体建模步骤示意图；
[0035]图4是高效放电脉冲电弧铣削加工设备示意图；
[0036]图中，101、电弧铣削机械设备，102、机床本体，103、机床支撑，104、机床壳体，105、机床主轴，106、机床工作台，107、机床运动轴，108、机床旋转轴，109、机床连接件，110、机床操作终端，111、机床基体，112、电弧铣削电源设备，113、电压击穿模块，114、整流滤波模块，115、光耦隔离模块，116、电路反馈模块，117、电弧铣削控制设备，118、上位控制模块，119、远程通讯模块，120、下位执行模块，121、放电监测模块，122、电弧铣削循环设备，123、液体介质存储模块，124、气体介质存储模块本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于：包含三个步骤：电弧铣削数字孪生物理实体建模，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模；电弧铣削数字孪生物理实体建模的具体步骤为：S101：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其几何模型，该模型包括电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的具体外观形貌特征、结构组合特征、几何尺寸特征、材料组成特征、装配逻辑特征；S102：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其物理模型，该模型包括电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的物理模型，该步骤的具体实现如下：
①
建立电弧铣削机械设备的物理模型，该模型包括机床本体、机床支撑、机床壳体、机床主轴、机床工作台、机床运动轴、机床旋转轴、机床连接件、机床操作终端的密度、质量和力学性能参数；
②
建立电弧铣削电源设备的物理模型，该模型包括电压击穿模块、整流滤波模块、光耦隔离模块、电路反馈模块的输入输出组成结构、相互作用关系和电学性能参数；
③
建立电弧铣削控制设备的物理模型，该模型包括上位控制模块、远程通讯模块、下位执行模块、放电监测模块的输入输出组成结构、相互作用关系和信号传输参数；
④
建立电弧铣削循环设备的物理模型，该模型包括液体介质存储模块、气体介质存储模块、介质雾化混合模块、介质过滤处理模块、介质净化循环模块的密度、质量和力学性能参数；S103：基于高效放电脉冲电弧铣削加工设备物理模型，建立高效放电脉冲电弧铣削加工机床行为模型，该模型包括工件装夹拆卸模块、放电加工蚀除模块、工具电极损耗模块和故障产生传播模块；电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新的具体步骤为：S201：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，获取电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的实时运行状态，该步骤的具体实现如下：
①
获取电弧铣削机械设备的实时运行状态，该状态包括各个直线运动轴和旋转主轴的位置信息、速度信息、加速度信息、振动信息、声发射信息、电极和工件的安装状态以及驱动器异常报警信息；
②
获取电弧铣削电源设备的实时运行状态，该状态包括波形发生模块、整流滤波模块、高压击穿模块、光耦隔离模块的输入输出触点信息、实时反馈信号以及电源异常报警信息；
③
获取电弧铣削控制设备的实时运行状态，该状态包括工作模式状态、放电加工电信号状态、放电短路回退状态以及控制器异常报警信息；
④
获取电弧铣削循环设备的实时运行状态，该状态包括工作介质类型信息、工作介质压力信息、工作介质流量信息、工作介质清洁度信息、工作介质剩余容量信息以及循环设备异常报警信息；S202：基于获取的高效放电脉冲电弧铣削加工设备的实时运行状态，分类、清洗、处理、整合数据，根据高效放电脉冲电弧铣削加工原理，模拟放电加工生产过程，生成高效放电脉冲电弧铣削加工设备数字孪生模拟数据；S203：基于电弧铣削机械设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削机械系统数字孪生
模型；基于电弧铣削电源设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削电源系统数字孪生模型；基于电弧铣削控制设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削控制系统数字孪生模型；基于电弧铣削循环设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削循环系统数字孪生模型；S204：针对电压和电流信号，使用巴特沃斯低通滤波器进行滤波，如下所示：其中，H(s)为系统传递函数，n为滤波器的阶数，ω
n
为滤波器的截止频率，θ
k
为相位角，S205：基于电弧铣削数字孪生物理实体模型，构建电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备以及循环设备的系统高保真数字孪生框架；S206：将传感器获得的高效放电脉冲电弧铣削加工设备数据整合入数字孪生体，构建电弧铣削数字孪生与故障诊断模型；对数字孪生体的历史数据进行多重备份；生成故障状态仿真数据，对数字孪生体与故障诊断模型进行更新；电弧铣削数字孪生虚拟实体建模的具体步骤为：S301：基于构建的电弧铣削机械系统数字孪生模型、电源系统数字孪生模型、控制系统数字孪生模型、循环系统数字孪生模型，构建电弧铣削系统状态数字孪生虚拟实体；S302：基于构建的电弧铣削系统高保真数字孪生框架，构建电弧铣削几何状态数字孪生虚拟实体、放电状态数字孪生虚拟实体以及环境状态数字孪生虚拟实体；S303：基于构建的电弧铣削数字孪生与故障诊断模型，构建电弧铣削故障诊断数字孪生虚拟实体；S304：对构建的电弧铣削数字孪生虚拟实体进行数据分析与特征提取，该步骤的具体实现如下：
①
对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行静态性能评估，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的静态性能特征；
②
对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行动态性能评估，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的动态性能特征；
③
对电弧铣削数字孪生虚拟实体的放电加工状态进行加工状态监测提取，获取电弧铣削数字孪生...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘永红，武鑫磊，亓梁，乔博，张澎鑫，韩延聪，李德格，马驰，蔡宝平，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：