一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统，其中，数字孪生构建方法包括：获取静压气浮导轨实体特征参数以及几何关系；建立静压气浮导轨的数字孪生3D模型；建立流体力学模型；建立动力学模型；基于数字孪生3D模型、流体力学模型以及动力学模型建立静压气浮导轨的数字孪生体；获取静压气浮导轨运动过程中的实时数据，并传输至数字孪生体；数字孪生体对实时数据进行分析，并将分析结果实时反馈至控制器；控制器根据分析结果实时调整静压气浮导轨的运动参数。本发明专利技术能够实时观测静压气浮导轨的运动状态并进行分析，再根据分析结果对静压气浮导轨的运动参数进行实时调整，避免产生接触磨损和振动失效等危险状况。产生接触磨损和振动失效等危险状况。产生接触磨损和振动失效等危险状况。

【技术实现步骤摘要】
一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统


[0001]本专利技术涉及数字孪生领域，尤其涉及一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统。

技术介绍

[0002]随静压气浮导轨近年被广泛的应用在半导体，3C，航空航天，精密医疗等超精密制造领域，其原理是以高压空气为润滑及承载介质，代替传统机械接触的滚珠+丝杠位移机构，实现0摩擦，0污染的亚微米甚至纳米级别定位/位移运动的新型技术，多以直线电机直接驱动。工作时由外部通入高压气体并在动静导轨之间形成几微米到几十微米厚度的气膜，气体在气膜边缘融入大气，从而在其中形成规则的压强分布，继而产生承载及润滑能力。
[0003]数字孪生技术被广泛认为是现代制造业的未来，它解决了实时加工过程监控和诊断以及更高精度的数字和物理数据融合等领域的瓶颈。因此，开发用于超精密制造机床和/或加工系统的静压气浮导轨数字孪生模型是未来一代超精密定位/位移机构的主题。它们的设计、制造和控制，加上计算效率高的数字孪生并行优化算法，将能以更具竞争力的工业方式，进一步提高超精密气浮导轨的应用性能。
[0004]然而现有静压气浮导轨大多在设计环节计算及仿真气浮性能，在实际工作时无法对性能变化进行有效观测或干预。在工作环境中气浮导轨往往受到负载，加速度，环境扰动等因素从而产生性能变化，极端环境中更可能产生接触磨损和振动失效等危险状况。
[0005]因此，需要提供一种能够对导轨性能进行实时观测、预测以及调整的静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统。

技术实现思路

[0006]为了克服现有技术的不足，本专利技术提供一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统。
[0007]本专利技术技术方案如下所述：
[0008]一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法，所述构建方法包括：
[0009]S1：获取静压气浮导轨实体特征参数以及几何关系；
[0010]S2：建立静压气浮导轨的数字孪生3D模型；
[0011]S3：建立静压气浮导轨的流体力学模型，通过流体力学模型推导出静压导轨承载力公式为：
[0012]W0＝∫
A
(p
‑
p
a
)dA，
[0013]其中W0为承载力，A为气膜面积，P为各处压强分布，p
a
为大气压强；
[0014]通过流体力学模型推导出静压导轨刚度公式为：
[0015][0016]其中K0为刚度，W1,W2为不同气膜厚度下的静压导轨承载力，Δh为气膜厚度变化量；
[0017]S4：建立静压气浮导轨的动力学模型：
[0018][0019]其中，u为位移矢量，t为时间，M为质量矢量，C为能量摩擦损失引起的阻尼常数，K为刚度，M
ü
(t)为惯性力函数，为摩擦力函数，Ku(t)为承载力函数，F(t)为静压气浮导轨在运动时气膜所受到的力与时间的函数，F(t)为M
ü
(t)、以及Ku(t)三者的合力；
[0020]S5：基于数字孪生3D模型、流体力学模型以及动力学模型建立静压气浮导轨的数字孪生体；
[0021]S6：获取静压气浮导轨运动过程中的实时数据，并传输至数字孪生体；
[0022]S7：数字孪生体对实时数据进行分析，并将分析结果实时反馈至控制器；
[0023]S8：控制器根据分析结果实时调整静压气浮导轨的运动参数。
[0024]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S4中，所述惯性力函数M
ü
(t)为质量与加速度的乘积；所述摩擦力函数为阻尼常数与导轨瞬时速度的乘积；所述承载力函数Ku(t)为气膜刚度与气膜厚度变形量的乘积。
[0025]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S6中，通过光栅尺和传感器获取所述静压气浮导轨在运动过程中的实时数据，并将所述实时数据传输至所述数字孪生体。
[0026]作为本专利技术的进一步改进，所述实时数据包括所述静压气浮导轨在运动过程中实时的位移、速度以及加速度。
[0027]作为本专利技术的进一步改进，在步骤S7中，所述数字孪生体将获取的实时数据与系统中设定的仿真数据进行比对分析，并将分析结果实时反馈至所述控制器。
[0028]作为本专利技术的进一步改进，所述运动参数包括所述静压气浮导轨实时的进气压和电机驱动力。
[0029]一种数字孪生系统，包括静压气浮导轨、数字孪生体以及控制器，所述数字孪生体获取所述静压气浮导轨在运动过程中的实时数据进行分析，并将分析结果反馈至控制器，所述控制器根据所述分析结果实时调整所述静压气浮导轨的运动参数。
[0030]作为本专利技术的进一步改进，所述数字孪生体包括仿真形貌的静压气浮导轨3D模型、流体力学模型以及动力学模型，所述流体力学模型和所述动力学模型对所述静压气浮导轨的运动数据进行仿真。
[0031]作为本专利技术的进一步改进，所述静压气浮导轨、所述数字孪生体以及所述控制器相互通过信号传输组件进行连接，所述信号传输组件进行实时数据的采集、传输以及分析结果的传输。
[0032]作为本专利技术的进一步改进，所述信号传输组件包括光栅尺、传感器以及信号线。
[0033]根据上述方案的本专利技术，本专利技术的有益效果在于：
[0034]本专利技术提供一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统，能够实时观测静压气浮导轨的运动状态并进行分析，再根据分析结果对静压气浮导轨的运动参数进行实时调整，避免产生接触磨损和振动失效等危险状况。
附图说明
[0035]图1是本专利技术数字孪生系统的构建流程图。
具体实施方式
[0036]下面将结合附图对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0037]在本专利技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0038]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。此外，下面所描述的本专利技术不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
[0039]参见图1，本专利技术提供一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统，能本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法，其特征在于，所述构建方法包括：S1：获取静压气浮导轨实体特征参数以及几何关系；S2：建立静压气浮导轨的数字孪生3D模型；S3：建立静压气浮导轨的流体力学模型，通过流体力学模型推导出静压导轨承载力公式为：W0＝∫
A
(p
‑
p
a
)dA，其中W0为承载力，A为气膜面积，P为各处压强分布，p
a
为大气压强；通过流体力学模型推导出静压导轨刚度公式为：其中K0为刚度，W1,W2为不同气膜厚度下的静压导轨承载力，Δh为气膜厚度变化量；S4：建立静压气浮导轨的动力学模型：其中，u为位移矢量，t为时间，M为质量矢量，C为能量摩擦损失引起的阻尼常数，K为刚度，M
ü
(t)为惯性力函数，为摩擦力函数，Ku(t)为承载力函数，F(t)为静压气浮导轨在运动时气膜所受到的力与时间的函数，F(t)为M
ü
(t)、以及Ku(t)三者的合力；S5：基于数字孪生3D模型、流体力学模型以及动力学模型建立静压气浮导轨的数字孪生体；S6：获取静压气浮导轨运动过程中的实时数据，并传输至数字孪生体；S7：数字孪生体对实时数据进行分析，并将分析结果实时反馈至控制器；S8：控制器根据分析结果实时调整静压气浮导轨的运动参数。2.根据权利要求1所述的静压气浮导轨的数字孪生构建方法，其特征在于，在步骤S4中，所述惯性力函数M
ü
(t)为质量与加速度的乘积；所述摩擦力函数为阻尼常数与导轨瞬时速度的乘积；所述承载力函数Ku(t)为气膜刚度与气膜厚度...

【专利技术属性】
技术研发人员：勾宁，牛增渊，丁辉，
申请(专利权)人：江苏集萃精凯高端装备技术有限公司，
类型：发明
国别省市：