【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于数字孪生，具体涉及一种大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法、一种数字孪生虚实交互系统，以及一种基于数字孪生系统的液压缸可视化监测设备。
技术介绍
1、液压缸是一种机械执行机构，其属于液压系统的一部分，并广泛应用于建筑、制造、航空航天和海洋油气等不同行业，可以实现线性运动，顶升作业等。液压系统的正常运行是关系到大量工程作业应用能够实现的关键，因此需要提供技术手段对液压缸等机构的运行状态和零部件的耗损情况进行监测。
2、现有的液压系统的监测方法主要是在系统内置大量的传感器，并基于传感器的检测数据对液压缸的内部状态进行分析，其中振动、压力、声发射信号是用于监测液压系统运行的主要特征参数。然而通过信号特征进行状态分析本身存在滞后性，此外通过数据驱动的方式得到的监测模型依赖于数据的数量与质量，存在一定局限性。
3、数字孪生技术是一项新兴技术，其可以在计算机中建立目标实体的虚拟模型，并通过虚拟模型来对目标实体进行高度仿真。目前数字孪生技术已经被应用于大型工程建设项目或电气系统的设计、施工、装配和测试过程中，帮助技术人员更好的完成项目。在此基础上，如何利用数字孪生技术解决液压系统难以直接监测的困境，正成为本领域技术人员亟待解决的技术难题。
技术实现思路
1、为了解决液压缸的运行状态零部件损耗难以直接检测，检测成本较高、准确性和实时性不足的问题，本专利技术提供一种大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，及其对应的系统和设备。
2、本专利技术采用以
3、一种大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其包括如下步骤：
4、s1：基于液压缸的物理特性、材料参数和实际工况，利用三维建模软件建立液压缸装配体的参数化几何模型，并生成具有数字孪生虚实交互功能接口的液压缸机械模型。
5、s2：利用转换插件将液压缸机械系统导入到simulink中，建立液压缸的等效多体动力学模型。
6、s3：在simulink中创建液压子系统；对液压缸的等效多体动力学模型和液压子系统进行融合，实现二者元件之间的物理连接以及驱动控制，得到所需的液压缸的数字孪生模型。
7、s4：构建包括液压缸的数字孪生模型、硬件系统、控制系统的数字孪生虚实交互系统。数字孪生虚实交互系统以采集到的液压缸实体的驱动信号为驱动，在数字孪生模型中对液压缸实体的运行状态进行实时仿真。
8、s5：预设仿真精度的阈值，在数字孪生虚实交互系统中对创建出的液压缸的数字孪生模型进行精度测试和优化：
9、(1)当仿真精度达到阈值时，则保存对应的模型参数；
10、(2)当仿真精度低于阈值时，则返回步骤s3对创建的液压子系统进行参数修正。
11、s6：利用满足精度要求的数字孪生虚实交互系统，对液压系统的运行状态进行可视化监测，并以实时获取的监测数据为样本，训练出一个基于机器学习算法的故障预测模型，以实现对液压系统进行故障预测。
12、作为本专利技术进一步的改进，步骤s1中，液压缸机械模型的创建过程的详细步骤如下：
13、s11：将液压缸的装配体的结构简化为包括如下零件：密封圈、导向套、活塞杆、缸筒、活塞密封圈、活塞和缸底。
14、s12：在三维建模软件中定义零件的形状、尺寸、结构和约束关系，并进行零件建模和装配，得到装配体的参数化模型。
15、作为本专利技术进一步的改进，液压缸的等效多体动力学模型的创建过程如下：
16、s21：通过模型转换插件simscape multibody link将液压缸装配体的参数化模型转换成xml文件，文件的存储内容与约束信息包括：缸筒内径、活塞杆直径、活塞行程、活塞面积和密封圈面积。
17、s22：通过matlab/simulink运行指令识别并变换模型，将xml文件转换为slx程序文件。使用多域建模语言描述构建的液压缸装配体模型，并对上述模型的坐标系、连接关系等信息进行修正。
18、s23：使用matlab/simulink软件中的prismatic joint模块和translationalmultibody interface运动接口转换模块实现液压机械模型与液压子系统的信号转换。
19、作为本专利技术进一步的改进，步骤s21中，装配体的参数化模型中提供参数调整接口，以实现对液压缸结构进行调整。
20、步骤s22中，xml文件为建立的液压缸装配体模型提供多域建模语言可识别的变换节点。
21、步骤s23中，液压机械模型与液压子系统间传递的接口信息包括位置、速度和力的信息。
22、作为本专利技术进一步的改进，步骤s3中，液压缸的数字孪生模型的创建过程的详细步骤如下：
23、s31：在simulink中创建包括液压泵、角速度源、溢流阀、第一比例阀、第二比例阀、双作用液压缸、油箱、压力传感器和流量传感器的液压子系统。
24、s32：将液压子系统作为液压缸的等效多体动力学模型的驱动部分，构成液压系统。
25、s34：定义和配置液压系统的控制参数；液压系统根据输入的控制参数，通过液压缸产生相符的驱动力，实现液压缸的数字孪生模型的运动学模拟。
26、其中，控制参数包括第一比例阀控制信号、第二比例阀控制信号和液压泵控制信号。
27、作为本专利技术进一步的改进，第一比例阀控制信号为电压控制信号，其与第一比例阀连电接用于控制第一比例阀的开度。第一比例阀的工作油口与双作用液压缸无杆腔连接，第一比例阀的进油口与液压泵出口连接，第一比例阀回油口与油箱连接。
28、第二比例阀控制信号为电压控制信号，其与第二比例阀连接用于控制第二比例阀的开度。第二比例阀的工作油口与双作用液压缸有杆腔连接，第二比例阀的进油口与液压泵出口连接，第二比例阀回油口与油箱连接。
29、液压泵控制信号用于控制液压泵连接的伺服电机的转速，其信号输出接口与translational multibody interface运动接口转换模块连接。
30、作为本专利技术进一步的改进，步骤s4中，硬件系统包括液压缸实体、压力传感器、位移传感器、数据采集卡和通信电缆。液压缸实体包括油缸、伺服电机、液压管路以及驱动组件。压力传感器和位移传感器安装在液压缸实体上，前者用于获取液压缸实体的有杆腔压力和无杆腔压力，后者用于获取活塞的位移和运动速度。数据采集卡用于获取压力传感器和位移传感器的检测数据，并通过通信电缆与包含控制系统的上位机通信连接。
31、控制系统采用simulink real-time用于执行液压系统的控制；进而通过信号采集端采集液压缸实体中控制信号的数字量或模拟量，并控制液压缸的数字孪生模型的仿真运行。其中，数字量来源于液压缸的下行与回程过程中对驱动组件的信号采样；模拟量来源于位移传感器和压力传感器的检测结果。在液压缸的数字孪生模型中，数字量用于控制电磁阀的通本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于，其包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤S1中，所述液压缸机械模型的创建过程的详细步骤如下：
3.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：所述液压缸的等效多体动力学模型的创建过程如下：
4.如权利要求3所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤S21中，装配体的参数化模型中提供参数调整接口；
5.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤S3中，液压缸的数字孪生模型的创建过程的详细步骤如下：
6.如权利要求5所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：
7.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤S4中，所述硬件系统包括液压缸实体、压力传感器、位移传感器、数据采集卡和通信电缆；所述液压缸实体包括油缸、伺服电机、液压管路以及驱动组件；所述压力传感器和位移传感器安装在液压
8.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤S5中，所述液压缸的数字孪生模型与所述液压缸实体同步运转，对二者运行过程中活塞的位移d、运动速度v，以及有杆腔压力p1和无杆腔压力p2进行同步采样，构成测试向量A：A＝{d，v，p1，p2}，并采用下式计算拟合度R2以评估液压缸的数字孪生模型的仿真精度：
9.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤S6的详细过程如下：
10.一种数字孪生虚实交互系统，其特征在于：其采用如权利要求1-8中任意一项所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法创建而成；所述数字孪生虚实交互系统用于实现对液压缸实体的运行状态同步进行全真模拟，进而辅助实现对液压缸实体进行状态监测和故障预测；所述数字孪生虚实交互系统中包括：
...【技术特征摘要】
1.一种大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于，其包括如下步骤：
2.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤s1中，所述液压缸机械模型的创建过程的详细步骤如下：
3.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：所述液压缸的等效多体动力学模型的创建过程如下：
4.如权利要求3所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤s21中，装配体的参数化模型中提供参数调整接口；
5.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤s3中，液压缸的数字孪生模型的创建过程的详细步骤如下：
6.如权利要求5所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：
7.如权利要求1所述的大型液压缸的数字孪生建模与故障预测方法，其特征在于：步骤s4中，所述硬件系统包括液压缸实体、压力传感器、位移传感器、数据采集卡和通信电缆；所述液压缸实体包括油缸、伺服电机、液压管路以及驱动组件；所述压力传感器...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘志峰，黄远，黄海鸿，李磊，徐宇航，陈黄祥，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：
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