一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统与流程

1.本发明涉及数字孪生领域，尤其涉及一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统。


背景技术：

2.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。
3.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。
4.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。
5.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。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的不足，本发明提供一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法及系统。
7.本发明技术方案如下所述：
8.一种静压气浮导轨的数字孪生构建方法，所述构建方法包括：
9.s1：获取静压气浮导轨实体特征参数以及几何关系；
10.s2：建立静压气浮导轨的数字孪生3d模型；
11.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：
12.w0＝∫a(p-pa)da，
13.其中w0为承载力，a为气膜面积，p为各处压强分布，pa为大气压强；
14.通过流体力学模型推导出静压导轨刚度公式为：
15.16.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；
17.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]
作为本发明的进一步改进，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]
作为本发明的进一步改进，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]
作为本发明的进一步改进，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]
作为本发明的进一步改进，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]
作为本发明的进一步改进，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]
作为本发明的进一步改进，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]
作为本发明的进一步改进，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]
作为本发明的进一步改进，所述信号传输组件包括光栅尺、传感器以及信号线。
[0033]
根据上述方案的本发明，本发明的有益效果在于：
[0034]
本发明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是本发明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发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
[0037]
在本发明的描述中，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发明和简化描述，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发明的限制。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]
在本发明的描述中，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发明中的具体含义。此外，下面所描述的本发明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，本发明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。
[0040]
其中构建方法包括：
[0041]
s1：获取静压气浮导轨实体特征参数以及几何关系；
[0042]
s2：建立静压气浮导轨的数字孪生3d模型；
[0043]
s3：建立静压气浮导轨的流体力学模型，有效仿真静压气浮导轨的力学性能，通过与实际反馈数据实时对比可对静力学性能进行预测和调整，通过流体力学模型推导出静压导轨承载力公式为：
[0044]
w0＝∫a(p-pa)da，
[0045]
其中w0为承载力，a为气膜面积，p为各处压强分布，pa为大气压强；
[0046]
通过流体力学模型推导出静压导轨刚度公式为：
[0047][0048]
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。
[0049]
s4：建立静压气浮导轨的动力学模型，可仿真静压气浮导轨运动过程中的受力变化，可预测和预警气膜失效，动力学模型为：
[0050][0051]
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，为质量与加速度的乘积，为导轨滑动部件在加减速运动时所
受惯性力矢量，理论状态下(无加工误差导致的摇摆，扭转等)影响导轨的俯仰精度(pitch)，根据运动状态加速度会有改变，所以表达为以时间为变量的函数；为摩擦力函数，为阻尼常数与导轨瞬时速度的乘积，为导轨滑动部件在以某一速度运动时所受阻尼力矢量，理论状态下影响导轨的变加速度(直观体现为振动)，速度在运行过程中为持续变量，所以表达为以时间为变量的函数；ku(t)为承载力函数，为气膜刚度与气膜厚度变形量的乘积，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，为导轨在受各向力影响时，气膜刚度变化引起的承载力变化。理论状态下影响导轨各向精度(pitch,rol l,yaw),气膜在受力不同时气膜厚度会压缩或拉伸，根据流体力学理论，气膜在不同厚度时刚度呈函数形态变化，所以表达为以时间为变量的函数；
[0052]
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；
[0053]
s6：通过光栅尺和传感器获取静压气浮导轨运动过程中的实时数据，包括静压气浮导轨在运动过程中实时的位移、速度以及加速度等，并将实时数据传输至数字孪生体；
[0054]
s7：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控制器。
[0055]
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，包括静压气浮导轨实时的进气压和电机驱动力。
[0056]
优选的，流体力学模型基于纳维尔-斯托克方程及雷诺方程，求解方式为基于matlab环境编写的有限差分法(fdm)，推导过程过于繁琐，以下为节选的关键步骤：
[0057]
纳维尔-斯托克方程：
[0058][0059][0060][0061]
其中，ρ为空气密度，u,v,w为空气在x,y,z方向的流速分量，f
x
,fy,fz为外部载力，μ为空气粘弹性，p为空气压强，并由此推导出静压导轨承载力公式：
[0062]
w0＝∫a(p-pa)da，
[0063]
以及静压导轨刚度公式：
[0064][0065]
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，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，流体力学模型和动力学模型对静压气浮导轨的运动数据进行仿真，静压气浮导轨、数字孪生体以及控制器相互通过信号传输组件进行连接，数字孪生体获取静压气浮导轨在运动过程中的实时数据进行分析，包括静压气浮导轨在运动过程中实时的位移、速度以及加速度等，并将分析结果反馈至控制器，控制器根据分析结果实时调整静压气浮导轨的运动参数，包括静压气浮导轨实时
的进气压和电机驱动力。
[0066]
优选的，信号传输组件包括光栅尺、传感器以及信号线等信号采集部件，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。
[0067]
综上所述，本发明通过流体力学模型能够有效计算出静压气浮导轨的静态性能，有效仿真静压气浮导轨的力学性能，通过与实际反馈数据实时对比可对静力学性能进行预测和调整；通过动力学模型能够有效计算出静压气浮导轨的动态性能，可仿真静压气浮导轨运动过程中的受力变化，可预测和预警气膜失效；能够通过分析对比对静压气浮导轨的运动参数进行实时优化变更，进行实时检测和管控，避免产生接触磨损和振动失效等危险状况；使用光栅尺与传感器作为信息采集手段可收集静压气浮导轨的实时运动数据，同时不需增加繁冗的额外部件；本发明作为参数驱动的数字孪生构建方法，适用于绝大部分静压气浮导轨，具有普适意义。
[0068]
需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
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变形量的乘积。3.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。4.根据权利要求3所述的静压气浮导轨的数字孪生构建方法，其特征在于，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。5.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。6.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，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。7.一种基于如权利要求1所述的静压气浮导轨的数字孪生构建方法的数字孪生系统，其特征在于，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。
8.根据权利要求7所述的数字孪生系统，其特征在于，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。9.根据权利要求7所述的数字孪生系统，其特征在于，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。10.根据权利要求9所述的数字孪生系统，其特征在于，所述信号传输组件包括光栅尺、传感器以及信号线。

技术总结
本发明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。


技术研发人员：勾宁 牛增渊 丁辉
受保护的技术使用者：江苏集萃精凯高端装备技术有限公司
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/8/5