一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法技术方案

本发明专利技术涉及数控系统维管技术领域，具体地说，涉及一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法。包括如下步骤：建立激光切割随动系统数字孪生架构；建立激光切割随动系统数字孪生模型；建立真实电机系统和数字孪生的实时交互关系，实时监控激光切割随动系统的状态，建立健康数据库；实时对比分析激光切割随动系统运行数据和数字孪生数据，实现健康状态判读。本发明专利技术设计利用数字孪生和真实物理系统之间的双向实时交互关系，通过数字孪生反映相对应的激光切割随动系统的运行动态；通过整合多源实时数据，运用数字孪生模型对随动系统进行健康监控和预警；能够有效降低激光切割中事故发生的概率，大大保障人的生命安全。大大保障人的生命安全。大大保障人的生命安全。

【技术实现步骤摘要】
一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法


[0001]本专利技术涉及数控系统维管
，具体地说，涉及一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法。

技术介绍

[0002]在激光切割数控系统工作过程中，可能会发生电机的实际电压超过额定电压、电机转子被卡住不能转动且处于通电状态和电机散热不好等情况，使得激光切割系统在运行过程中发生事故，为此需要通过预测随动系统将要发生的电机故障达到避免事故发生的效果。然而，一个新的问题摆在我们面前，即怎样预测将要发生的情况。针对这一问题，传统的健康监控方法大多依赖于检修员对设备的实地考察。检修人员需要积累一定的工作经验，而且监控的稳定性不高容易出错，这就使得风险大大增加。
[0003]为了要实现激光切割随动系统的健康监控，首先需要将随动系统转化成数学模型，通过仿真在虚拟空间中对系统的状态信息进行分析。目前采用的方法是将整个系统分解成若干个子模块，其次要考虑分解后的子模型能够组建，并实现准确的计算和数据交互，因此，需要采用一种有效的建模方法来加以实现。数字孪生实现了物理空间中的激光切割随动系统在虚拟空间中的全部功能的虚拟镜像。因而，数字孪生可以在虚拟空中，可以对激光切割随动系统的运行状态进行探索、分析、挖掘和应用，从而能够很好的满足激光器切割随动系统中健康监控需求。鉴于此，我们提出了一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于提供一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]为实现上述技术问题，本专利技术的目的之一在于，提供了一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法，包括如下步骤：
[0006]S1、建立激光切割随动系统数字孪生架构，通过系统分解，建立与物理拓扑一致的模型架构；
[0007]S2、建立包括调高器、伺服电机、机械结构和传感器的激光切割随动系统数字虚拟孪生模型，根据目标设备的状态参数初始化数据和响应参数数据结构构建目标设备的初始化数字孪生模型；
[0008]S3、通过TCP/IP通讯将加工过程中不断采集的现实加工数据传递给数字孪生模型，不断迭代完善数字孪生健康数据库，获取目标设备的目标故障第一状态参数，构建第一状态参数对应的响应参数表征函数；
[0009]S4、健康状态判读，根据实际采集到的电压值、电流值、实际电容值和编码器值与数字孪生模型计算出的结果进行比较，最终在健康数据库中查找并进行健康判断；
[0010]S5、健康监控界面读取、显示激光切割随动系统相关运行数据，电机三维结构动画
实现运行，并根据健康状态判读结果进行实时的健康预警。
[0011]作为本技术方案的进一步改进，所述S1中，系统分解的具体方法包括如下步骤：
[0012]S1.1、将激光切割随动系统进行拓扑分析，根据物理实体一一映射；
[0013]S1.2、将激光切割随动系统分解为伺服电机模型、调高器模型、机械结构模型、传感器模型等；
[0014]S1.3、分别针对每个模型再次进行分解，直至分解到底层组件为止：以伺服电机模型为例，可以将伺服电机模型再次分解为电动机模型、伺服驱动器模型，进而电动机模型又可分解为定子绕组模型和永磁体转子模型等。
[0015]作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，建立包括调高器、伺服电机、机械结构和传感器的数字虚拟孪生模型时，是基于相关物理原理，并借助OpenModelica工业软件完成电机、传感器等模型的设计与仿真的；
[0016]其中，电机模型原理为：
[0017]在电机中主要的参数包括电机电枢的电阻R、电感L、EMF常数k
m
、电机力矩常数k
b
、电机转子的转动惯量J以及摩擦系数b，已知这些参数之后，便可以建立起输入电压V(t)与输出转速omiga(t)之间的微分方程，并进一步可以获得输入输出之间的传递函数：
[0018][0019]式(1)中，W(s)为系统输出量，V(s)为系统输入量。
[0020]作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，基于相关物理原理建立数字虚拟孪生模型时，
[0021]其中，电容采集原理为：
[0022]首先，电容传感器传进来的并不是一个数字信号，而是一个频率大约32M的脉冲信号，因此需要对脉冲进行运算处理，按照100个脉冲时间内的100M时钟脉冲数，每1ms更新一次计数值，则得出以下公式：
[0023]F＝(1*10
Λ
6)/(1/100)*pwn_num*(1/10) (2)
[0024]式(2)中，F为频率，pwn_num为单位时间内采集的脉冲数；
[0025]再由脉冲数计算电容值，公式为：
[0026]C＝L*1/((2*pi*Freq)
Λ
2) (3)
[0027]式(3)中，C为电容值，pi为圆周率π，Freq为频率值，L为感抗；
[0028]进而，由上述式(2)、式(3)两公式可以计算得出实时的电容值。
[0029]作为本技术方案的进一步改进，所述S2中，基于相关物理原理建立数字虚拟孪生模型时，
[0030]其中，电机编码器原理为：
[0031]以电机一圈2500个脉冲为列，电机编码器有A/B/C三相信号，每旋转一圈，A/B两相都输出2500个脉冲，C相旋转一圈输出1个脉冲，C相可以用作位置矫正，当A相的信号超前B相的信号90
°
时，电机正转，反之反转；
[0032]进而，把当前A、B输出值保存起来，与下一个到来的A、B输出值作比较，就可以得出角度码盘转动的方向；如果光栅格亮等于暗时，也就是亮和暗弧度夹角相同，且暗等于亮的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为亮弧度夹角的1/2，再除以所用的时间，就得
到此次角度码盘运动的角速度；当亮等于暗时，且暗等于亮的1/2时，则1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果亮不等于暗，暗不等于亮的1/2，那么要1个运动周期才可以得到运动方向位和位移角度了；
[0033]因为随动系统在运行过程中是随时调整的，电机的抖动也非常小，可能没有达到一个脉冲，因此需要对脉冲进行四分频处理，将一个脉冲分为四个部分，对每个部分进行一次方向判断，最后进行汇总和数据处理。
[0034]作为本技术方案的进一步改进，所述S3中，通过TCP/IP通讯将现实加工数据传递给数字孪生模型并不断迭代完善数字孪生健康数据库的具体方法包括如下步骤：
[0035]S3.1、获取目标设备的目标故障的第一状态参数，构建第一状态参数对应的响应参数表征函数；
[0036]S3.2、基于数字孪生模型构建第一响应参数表征函数；
[0037]S3.3、基于目标设备的实际运行状态构建第二响应参数表征函数；
[0038]S3.4、根据第一响应参数表征函数、第二响应参数表征函数以及最小化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法，其特征在于：包括如下步骤：S1、建立激光切割随动系统数字孪生架构，通过系统分解，建立与物理拓扑一致的模型架构；S2、建立包括调高器、伺服电机、机械结构和传感器的激光切割随动系统数字虚拟孪生模型，根据目标设备的状态参数初始化数据和响应参数数据结构构建目标设备的初始化数字孪生模型；S3、通过TCP/IP通讯将加工过程中不断采集的现实加工数据传递给数字孪生模型，不断迭代完善数字孪生健康数据库，获取目标设备的目标故障第一状态参数，构建第一状态参数对应的响应参数表征函数；S4、健康状态判读，根据实际采集到的电压值、电流值、实际电容值和编码器值与数字孪生模型计算出的结果进行比较，最终在健康数据库中查找并进行健康判断；S5、健康监控界面读取、显示激光切割随动系统相关运行数据，电机三维结构动画实时运行，并根据健康状态判读结果进行实时的健康预警。2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法，其特征在于：所述S1中，系统分解的具体方法包括如下步骤：S1.1、将激光切割随动系统进行拓扑分析，根据物理实体一一映射；S1.2、将激光切割随动系统分解为伺服电机模型、调高器模型、机械结构模型、传感器模型等；S1.3、分别针对每个模型再次进行分解，直至分解到底层组件为止：以伺服电机模型为例，可以将伺服电机模型再次分解为电动机模型、伺服驱动器模型，进而电动机模型又可分解为定子绕组模型和永磁体转子模型等。3.根据权利要求1所述的基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法，其特征在于：所述S2中，建立包括调高器、伺服电机、机械结构和传感器的数字虚拟孪生模型时，是基于相关物理原理，并借助OpenModelica工业软件完成电机、传感器等模型的设计与仿真的；其中，电机模型原理为：在电机中主要的参数包括电机电枢的电阻R、电感L、EMF常数k
m
、电机力矩常数k
b
、电机转子的转动惯量J以及摩擦系数b，已知这些参数之后，便可以建立起输入电压V(t)与输出转速omiga(t)之间的微分方程，并进一步可以获得输入输出之间的传递函数：式(1)中，W(s)为系统输出量，V(s)为系统输入量。4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法，其特征在于：所述S2中，基于相关物理原理建立数字虚拟孪生模型时，其中，电容采集原理为：首先，电容传感器传进来的并不是一个数字信号，而是一个频率大约32M的脉冲信号，因此需要对脉冲进行运算处理，按照100个脉冲时间内的100M时钟脉冲数，每1ms更新一次计数值，则得出以下公式：F＝(1*10
Λ
6)/(1/100)*pwn_num*(1/10)
ꢀꢀꢀ
(2)式(2)中，F为频率，pwn_num为单位时间内采集的脉冲数；
再由脉冲数计算电容值，公式为：C＝L*1/((2*pi*Freq)
Λ
2)
ꢀꢀꢀ
(3)式(3)中，C为电容值，pi为圆周率π，Freq为频率值，L为感抗；进而，由上述式(2)、式(3)两公式可以计算得出实时的电容值。5.根据权利要求3所述的基于数字孪生的激光切割随动系统健康监控方法，其特征在于：所述S2中，基于相关物理原理建立数字虚拟孪生模型时，其中，电机编码器原理为：以电机一圈2500个脉冲为列，电机编码器有A/B/C三相信号，每旋转一圈，A/B两相都输出2500个脉冲，C相旋转一圈输出1个脉冲，C相可以用作位置矫正，当A相的信号超前B相的信号90
°
时，电机正转，反之反转；进而，把当前A、B输出值保存起来，与下一个到来的A、B输出值作比较，就可以得出角度码盘转动的方向；如果光栅格亮等于暗时，也就是亮和暗弧度夹角相同，且暗等于亮的1/2，那么可得到此次角度码盘运动位移角度为亮弧度夹角的1/2，再除以所用的时间，就得到此次角度码盘运动的角速度；当亮等于暗时，且暗等于亮的1/2时，则1/4个运动周期就可以得到运动方向位和位移角度，如果亮不等于暗，暗不等于亮的1/2，那么要1个运动周期才可以得到...

【专利技术属性】
技术研发人员：上官端森，
申请(专利权)人：苏州华光智控电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：