基于力-能-位移转换的伺服压力机数字孪生方法及系统技术方案

本发明专利技术属于伺服压力机实时监控相关技术领域，其公开了一种基于力

【技术实现步骤摘要】
基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法及系统


[0001]本专利技术属于伺服压力机实时监控相关
，更具体地，涉及一种基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法及系统
。

技术介绍

[0002]智能锻造是具有智能感知和通信能力的锻造过程，其核心问题是实现物理世界和信息世界的融合
。
数字孪生技术是物理世界与信息世界融合的有效途径
。
数字孪生作为一种新型的智能锻造技术，通过实现物理产品与数字孪生体之间的虚实交融，实现了信息的全程可视化，保证信息的时效性以及反馈的及时性，被广泛应用于智能锻造领域
。
[0003]螺旋压力机是锻压行业广泛应用的设备之一，而高效节能
、
智能数控的伺服直驱式数控电动螺旋压力机是锻压装备的最新发展趋势，也是国内外的研究重点
。
但是目前伺服直驱式数控电动螺旋压力机在工作过程中却面临着一些难题：生产过程信息闭塞
、
反馈不及时，导致加工质量难以保证；压力机运行过程存在不确定性和随机性，锻压时难以避免突发情况的发生，压力机难以根据时变工况动态改变运行策略；压力机锻压新型锻件时难以预测锻件的变形程度等
。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法及系统，其用于实现压力机运行过程的实时通信
、
伺服直驱式数控电动螺旋压力机状态的实时显示与监测以及锻件的生产加工过程的模拟与预测
。
[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法，该方法包括以下步骤：
[0006](1)
获取伺服压力机的压力机数据及设定打击能量，并设置运动控制模型；
[0007](2)
基于所述压力机数据，通过所述运动控制模型计算得到所述伺服压力机的飞轮角速度和滑块下滑速度；
[0008](3)
获取锻件数据并设置力能特性转换模型，进而根据所述压力机数据
、
所述飞轮较速度及所述滑块下滑速度计算锻件当次变形能和锻件总变形能，以预测所述锻件成形所需的锻击次数；
[0009](4)
将所述压力机数据
、
所述锻件数据
、
所述飞轮角速度
、
所述滑块下滑速度
、
所述锻击次数进行显示，以完成数字孪生
。
[0010]进一步地，所述运动控制模型中，所述伺服压力机的主螺杆在滑块下行过程中对应的转角为：
[0011][0012]其中，
H
为滑块下滑行程，
h
为主螺杆导程；
[0013][0014]其中，
E
G
为滑块下行打击过程中滑块和主螺母自身重力所做的总功，
E
为用户设定打击能量，
m1为滑块和主螺母的质量和，
α
为螺旋副的螺旋升角，
β1为螺旋副的当量摩擦角，
g
是重力加速度，
M
为飞轮扭矩；
[0015][0016]其中，
d
ω
/d
t
为飞轮角加速度，
J
e
为飞轮轴侧总转动惯量折算值，
w
t
为实时飞轮角速度，
d
w
为飞轮角速度的微分，
d
t
为时间的微分；
[0017][0018]V
t
为滑块下滑速度，
w
t
是实时飞轮角速度
。
[0019]进一步地，所述力能特性转换模型的数学表达式为：
[0020][0021]其中，
E0为伺服压力机运动部分具有的能量，
J
为伺服压力机转动部分的转动惯量之和，
ω
为飞轮角速度，
m
为伺服压力机直线运动部分具有的质量，
v
m
为滑块最大下滑速度，
h
为主螺杆导程
。
[0022]进一步地，所述伺服压力机运动部分具有的能量
E0转化为锻件变形能
E
d
、
所述伺服压力机受力零件的弹性变形能
E
t
和摩擦损耗能
E
m
，即：
[0023]E0＝
E
d
+E
t
+E
m
[0024]E
d
＝
∫Pd
λ
d
[0025][0026]E
m
＝
(1
‑
β
)E0[0027]其中，
P
为伺服压力机的锻压力，
λ
d
为锻件的变形量，
λ
t
为伺服压力机受力零件的弹性变形量，
C
为所述伺服压力机的总刚度，
β
为能量折减系数
。
[0028]进一步地，锻件总变形能
E
总
为：
[0029][0030]其中，
f(x)
为锻件单位变形下的锻击力，
D
为锻件总变形量
。
[0031]进一步地，锻件变形能
E
d
与锻件总变形能
E
总
之比为锻件变形程度，所述锻件变形程度为百分比，当多次锻击累计的锻件变形程度接近
100
％时，则认为锻击完成，并记录锻击次数
。
[0032]本专利技术还提供了一种基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生系统，所述系统包括：
[0033]设置运动控制模型模块，其用于获取伺服压力机的压力机数据及设定打击能量，
并设置运动控制模型；
[0034]计算模块，其用于基于所述压力机数据，通过所述运动控制模型计算得到所述伺服压力机的飞轮角速度和滑块下滑速度；
[0035]预测模块，其用于获取锻件数据并设置力能特性转换模型，进而根据所述压力机数据
、
所述飞轮较速度及所述滑块下滑速度计算锻件当次变形能和锻件总变形能，以预测所述锻件成形所需的锻击次数；
[0036]展示模块，其用于将所述压力机数据
、
所述锻件数据
、
所述飞轮角速度
、
所述滑块下滑速度
、
所述锻击次数进行显示，以完成数字孪生
。...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(1)
获取伺服压力机的压力机数据及设定打击能量，并设置运动控制模型；
(2)
基于所述压力机数据，通过所述运动控制模型计算得到所述伺服压力机的飞轮角速度和滑块下滑速度；
(3)
获取锻件数据并设置力能特性转换模型，进而根据所述压力机数据
、
所述飞轮较速度及所述滑块下滑速度计算锻件当次变形能和锻件总变形能，以预测所述锻件成形所需的锻击次数；
(4)
将所述压力机数据
、
所述锻件数据
、
所述飞轮角速度
、
所述滑块下滑速度
、
所述锻击次数进行显示，以完成数字孪生
。2.
如权利要求1所述的基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法，其特征在于：所述运动控制模型中，所述伺服压力机的主螺杆在滑块下行过程中对应的转角为：其中，
H
为滑块下滑行程，
h
为主螺杆导程；为主螺杆导程；其中，
E
G
为滑块下行打击过程中滑块和主螺母自身重力所做的总功，
E
为用户设定打击能量，
m1为滑块和主螺母的质量和，
α
为螺旋副的螺旋升角，
β1为螺旋副的当量摩擦角，
g
是重力加速度，
M
为飞轮扭矩；其中，
d
ω
/d
t
为飞轮角加速度，
J
e
为飞轮轴侧总转动惯量折算值，
w
t
为实时飞轮角速度，
d
w
为飞轮角速度的微分，
d
t
为时间的微分；
V
t
为滑块下滑速度，
ω
t
是实时飞轮角速度
。3.
如权利要求2所述的基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法，其特征在于：所述力能特性转换模型的数学表达式为：其中，
E0为伺服压力机运动部分具有的能量，
J
为伺服压力机转动部分的转动惯量之和，
ω
为飞轮角速度，
m
为伺服压力机直线运动部分具有的质量，
v
m
为滑块最大下滑速度，
h
为主螺杆导程
。4.
如权利要求3所述的基于力
‑
能
‑
位移转换的伺服压力机数字孪生方法，其特征在于：所述伺服压力机运动部分具有的能...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱彬，冉佳敏，冯仪，邓磊，余俊，郭家雄，宋文灿，王新云，张宜生，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：