CN109773588B - 一种机床数字孪生模型性能测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种机床数字孪生模型性能测试方法及装置，属于设备智能化与数字化领域，包括机座、工作台a及b、龙门架和控制系统，机座与工作台a之间设有光栅尺位移传感器，龙门架上设有X方向伺服加载机构和Z方向伺服加载机构，机座上设有Y方向伺服加载机构；X、Z和Y方向伺服加载机构中均设有拉压力传感器；丝杠轴承座、丝母座和导轨滑块上均设有三向振动加速度传感器，伺服电机和各个传感器均与控制系统连接。本发明通过加载机构模拟机床真实加工过程，并通过各个传感器采集所需可靠性数据，为易损零部件数字孪生模型性能衰减更新实验验证，精密零部件加速寿命衰减以及寿命预测提供平台支持。

Description

一种机床数字孪生模型性能测试方法及装置

技术领域

本发明涉及一种机床数字孪生模型性能测试方法及装置，属于设备智能化与数字化技术领域。

背景技术

最近几年，随着CPS(Cyber-Physical Systems)技术的发展，数字孪生(DigitalTwin)技术逐渐成为学术界研究的热点，通过构建物理空间设备在数字空间的孪生体，物理空间和数字空间虚实共生，实现了数字世界对物理世界的全面、真实、客观、实时的映射。

机床是智能制造的母机，是衡量一个国家智能制造业的重要标志。数控机床数字孪生模型的主要作用是对装备的几何、电气和物理特性进行描述，是机电装备复杂、时变、耦合数据的载体。其动态数字孪生模型可为机床运营维护、故障诊断提供有力的模型支持。然而数控机床属于高精密设备，且其使用寿命长，不能够全面支撑其数字孪生模型的性能衰减实验验证以及加速寿命试验和寿命预测。

因此，亟需一种既能够模拟数控机床真实加工过程，又能够进行加速寿命试验、性能衰减验证的试验平台，为易损零部件数字孪生模型性能衰减更新实验验证、精密零部件加速寿命衰减以及敏感零部件寿命预测提供平台支持。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种机床数字孪生模型性能测试方法及装置，该装置通过加载机构模拟数控机床真实加工过程，并通过各个传感器采集所需可靠性数据，进而为导轨副等易损零部件数字孪生模型性能衰减更新实验验证，丝杠副、轴承等精密零部件加速寿命衰减以及寿命预测提供平台支持。

术语解释：

数字孪生：Digital Twin是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

本发明采用以下技术方案：

一方面，本发明提供一种机床数字孪生模型性能测试装置，包括机座、工作台a、工作台b、龙门架和控制系统，所述龙门架固定于机座上，所述机座的上表面设置有两条导轨安装台，两条导轨安装台之间固定有一丝杠轴承座，所述丝杠轴承座上安装有丝杠，所述丝杠的一端通过联轴器连接有伺服电机，所述伺服电机固定于机座上；

每个导轨安装台的上表面均安装有直线导轨，两条直线导轨上均设置有与其相配合的导轨滑块，两个导轨滑块均与所述工作台a固定连接；所述丝杠上设置有丝母座，所述丝母座与工作台a的下表面固定连接，所述工作台a的上表面通过螺栓与工作台b固定连接；

所述机座与工作台a之间设置有用于对工作台a进行位移测量的光栅尺位移传感器；

所述龙门架的一侧设置有用于对X方向施力的X方向伺服加载机构，所述X方向伺服加载机构与工作台b的侧面接触，用于对工作台b施力；

所述龙门架的上方设置有用于对Z方向施力的Z方向伺服加载机构，所述Z方向伺服加载机构与工作台b的上表面接触，用于对工作台b施力；

所述机座远离伺服电机的一端设置有对Y方向施力的Y方向伺服加载机构，所述Y方向伺服加载机构与工作台b的一个端面接触，用于对工作台b施力；

所述X方向伺服加载机构、Z方向伺服加载机构和Y方向伺服加载机构中分别设置有第一拉压力传感器、第二拉压力传感器和第三拉压力传感器，用于感应施力的大小。

所述丝杠轴承座、丝母座和两个导轨滑块上均设置有三向振动加速度传感器，其型号优选为CA-YD-3141，也可根据需要选择功能类似的其他型号，所述伺服电机、光栅尺位移传感器、三向振动加速度传感器、第一拉压力传感器、第二拉压力传感器和第三拉压力传感器均与所述控制系统连接。

优选的，所述第一拉压力传感器、第二拉压力传感器和第三拉压力传感器的型号优选为FS351-300kg。

优选的，所述光栅尺位移传感器包括读数头和光栅尺主尺，所述工作台a的侧门设置有L型贴片，所述光栅尺主尺安装在L型贴片上，所述机座的上表面固定有L型支架，所述读数头固定于L型支架上，且与所述光栅尺主尺相配合。光栅尺位移传感器是由光栅尺主尺和读数头两部分组成，光栅尺主尺一般固定在机床活动部件上，读数头装在机床固定部件上，读数头中装有指示光栅。光栅尺位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，它利用莫尔条纹，以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量，利用其进行位移测量的技术已非常成熟，此处不再赘述。光栅尺位移传感器测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。

优选的，所述X方向伺服加载机构包括X向电动缸、X向电动缸安装座、X向施力轮安装支架和X向施力轮，所述X向电动缸安装座螺栓连接在龙门架的侧面上，所述X向电动缸安装于X向电动缸安装座上，所述X向电动缸的缸杆端部穿过X向电动缸安装座上的通孔与第一拉压力传感器的一端连接，第一拉压力传感器的另一端连接X向施力轮安装支架，所述X向施力轮安装在X向施力轮安装支架上，所述X向电动缸与控制系统连接。

优选的，所述X向施力轮安装支架上设置有两个第一导向滑杆，所述X向电动缸安装座设置有与所述第一导向滑杆相配合的导向孔。当X向电动缸缸杆端部伸缩时，X向施力轮安装支架也随之运动，从而带动X向施力轮运动，所述X向施力轮安装支架上的第一导向滑杆会沿X向电动缸安装座上的导向孔运动，起到导向作用。

优选的，所述伺服电机通过电机支架固定于机座上；

两个导轨滑块与所述工作台a均通过螺栓固定连接；

所述丝杠与丝母座之间通过螺母连接。

优选的，所述Z方向伺服加载机构包括Z向电动缸、Z向电动缸安装座、Z向施力轮安装支架和Z向施力轮，所述Z向电动缸安装座安装在龙门架的上表面上，所述Z向电动缸安装于Z向电动缸安装座上，所述Z向电动缸的缸杆端部穿过Z向电动缸安装座上的通孔与第二拉压力传感器的一端连接，第二拉压力传感器的另一端连接Z向施力轮安装支架，所述Z向施力轮安装在Z向施力轮安装支架上，所述Z向电动缸与控制系统连接。

优选的，所述Z向施力轮安装支架上设置有两个第二导向滑杆，所述Z向电动缸安装座设置有与所述第二导向滑杆相配合的导向孔。当Z向电动缸缸杆端部伸缩时，Z向施力轮安装支架也随之运动，从而带动Z向施力轮运动，所述Z向施力轮安装支架上的第二导向滑杆会沿Z向电动缸安装座上的导向孔运动，起到导向作用。

优选的，所述Y方向伺服加载机构包括Y向电动缸、Y向电动缸支架和连杆；

所述Y向电动缸支架固定于机座上，所述Y向电动缸固定于Y向电动缸支架上，所述Y向电动缸的缸杆端部与所述第三拉压力传感器的一端相连，所述第三拉压力传感器的另一端螺纹连接在连杆上，所述连杆与工作台b之间销连接，所述Y向电动缸均与控制系统连接。

本发明的一种机床数字孪生模型性能测试装置的工作过程和原理是：

在工作台a/b的一侧，机座与X方向伺服加载机构相对，在工作台a/b的另一侧，机座与Y方向伺服加载机构相连，上方则与Z方向伺服加载机构相对；X方向伺服加载机构和Z方向伺服加载机构，均采用电动缸为动力源，电动缸通过推动施力轮移动，对工作台b施加X方向力和Z方向力；Y方向伺服加载机构通过安装在机座上的电动缸直接对运动的工作台b施加Y方向的力。此外，三个方向的加载机构中均安装有拉压力传感器。

启动伺服电机，电机通过联轴器带动丝杠旋转，进而通过丝杠的螺母、丝母座带动工作台沿Y向运动，伺服电机自带的编码器采集丝杠旋转的速度信号并将其反馈给控制系统，同时，光栅尺位移传感器采集工作台的位移信号并将其反馈给控制系统，控制系统根据反馈信号调整伺服电机控制信号，使工作台a和b按用户设置的参数进行运动；同时，控制系统根据拉压力传感器返回的信号，实时控制加载在三个方向上的力的大小，使工作台能够在设定的力作用下工作，以模拟各种工况。

试验时，控制系统通过各个传感器采集导轨滑块、丝杠轴承座和丝母座的振动信号，通过光栅尺采集工作台的位移信号，从而为完善、更新并验证其相应的数字孪生模型中故障诊断、预测性维护与寿命预测等模块功能采集可靠的实验数据。

本发明中，控制系统包括一控制器，控制器的型号优选为2I380D，也可根据实际需要，灵活选择可以实现其功能的其他型号的控制器。

另一方面，本发明还提供一种上述机床数字孪生模型性能测试装置的测试方法，该装置应用于模拟导轨磨损实验，所述装置进行导轨副等易损零部件数字孪生模型性能衰减更新实验验证，例如导轨磨损实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，导轨副在模切加工过程中会有磨损，通过丝杠轴承座、丝母座和两个导轨滑块上设置的三向振动加速度传感器采集工作台b在竖直方向的磨损前后的振动加速度，通过对比加速度均值等判别性能差异，验证模型磨损更新的正确性。

再一方面，本发明还提供一种上述机床数字孪生模型性能测试装置的测试方法，该装置应用于模拟丝杠副和轴承等敏感零部件加速寿命实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，丝杠副和轴承在加速寿命实验过程中会有性能衰减，通过三向振动加速度传感器采集滚珠丝杠的三向振动信号，温度传感器采集滚珠丝杠螺母的温度，三相电流传感器采集伺服电机的三相电流信号，声发射传感器采集滚珠丝杠运行过程中的声发射信号，温度传感器(型号优选为PT100)安装在丝杠螺母副的外圈，三相电流传感器(型号优选为SZL301)安装在丝杠的伺服电机的三相电源线上，声发射传感器(型号优选为PXR15RMH)安装在丝杠螺母副的外圈，温度传感器、三相电流传感器和声发射传感器均与控制系统连接，上述所采集的信号均为时间序列数据，对信号数据进行降噪，特征提取，剩余寿命指标的构建和时间序列预测，分析设备的剩余寿命；将采集到的数据以及人为标定的滚珠丝杠寿命作为数据集并分为训练集和测试集，训练集用于训练模型和算法，测试集用于验证模型和算法的有效性和准确性。例如滚珠丝杠寿命预测验证，测量丝杠的旋转行程量与丝杠螺母位移行程量，将其行程量与规定的滚珠丝杠副行程变动量极值进行比较，判定丝杠副是否丧失规定精度，从而判定丝杠副是否报废，将报废前使用时间与寿命预测时间比较，验证寿命预测正确性。

又一方面，本发明还提供一种上述机床数字孪生模型性能测试装置的测试方法，该装置应用于模拟丝杠副和轴承等敏感零部件故障诊断实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，人为设定故障或者加速性能衰减实验，同时在数字孪生模型中进行相应的状态更新，然后通过三向振动加速度传感器采集滚珠丝杠的三向振动信号，温度传感器采集滚珠丝杠螺母的温度，三相电流传感器采集伺服电机的三相电流信号，声发射传感器采集滚珠丝杠运行过程中的声发射信号，通过对数据的分析，进行零部件的故障诊断，验证故障诊断的正确性；

其中，温度传感器(型号优选为PT100)安装在丝杠螺母副的外圈，三相电流传感器(型号优选为SZL301)安装在丝杠的伺服电机的三相电源线上，声发射传感器(型号优选为PXR15RMH)安装在丝杠螺母副的外圈，温度传感器、三相电流传感器和声发射传感器均与控制系统连接。

人为设定是指更换已磨损严重的轴承等零部件或者对完好的零部件进行破坏处理；

状态更新过程依赖于自更新数字孪生模型整体构建模块，该模块包括模态中性文件解析静态链接库以及已构建的机电装备数字孪生模型，过程为：先将更新的关键零部件CAD模型进行有限元模态分析，获取模态中性文件，再通过模态中性文件解析静态链接库将关键零部件模态信息推送到支持Modelica语言软件平台，并与已构建的机电装备数字孪生模型结合，获得自更新的整体机电装备数字孪生模型，保持机电装备模型一致性。

设备的采集数据都是时间序列数据，通过对数据的降噪，特征提取，故障指标的构建和时间序列预测，分析出设备是否发生故障；将采集到的数据以及人为标定的滚珠丝杠故障指标作为数据集并分为训练集和测试集，训练集用于训练模型和算法，测试集用于验证模型和算法的有效性和准确性，例如滚珠丝杠故障诊断验证，测量丝杠的旋转行程量与丝杠螺母位移行程量，将其行程量与规定的滚珠丝杠副行程变动量极值进行比较，判定丝杠副是否丧失规定精度，从而判定丝杠副是否发生故障，验证故障诊断的正确性。

本发明的有益效果为：

1)该机床数字孪生模型性能测试装置利用拉压力传感器与伺服电动缸闭环控制，数据采集及控制系统将各个拉压力传感器采集到的拉压力与预先设定的拉压力进行比较，其偏差用来调整驱动电动缸的电流，从而调整了施加在工作台b上的拉压力的大小，使其不断接近预先设定的拉压力，从而消除误差，实现精确切削力加载，模拟数控机床真实加工过程，并通过各个传感器采集所需可靠性数据，为实验验证提供可靠数据支持。

2)该机床数字孪生模型性能测试装置可以进行导轨副等易损零部件数字孪生模型性能衰减更新实验验证，例如导轨磨损实验：导轨副在模切加工过程中会有磨损，在数字孪生模型中进行相应的磨损更新，然后通过三向振动加速度传感器读取磨损后的平台性能变化；在试验平台相对应的位置也安装三向振动加速度传感器，通过数据对比，验证模型磨损更新的正确性。

3)该机床数字孪生模型性能测试装置可以进行丝杠副和轴承等敏感零部件加速寿命实验。丝杠副和轴承在加速寿命实验过程中会有性能衰减，严重时会导致零件报废，同时在数字孪生模型中进行相应的状态更新，然后通过传感器获取孪生模型相应数据以及相对应位置的物理零件相应数据，通过对数据的分析，进行零部件的寿命预测，验证全生命周期寿命预测的正确性。

4)该机床数字孪生模型性能测试装置可以进行丝杠副和轴承等敏感零部件故障诊断实验。人为设定故障或者加速性能衰减实验，同时在数字孪生模型中进行相应的状态更新，然后通过传感器获取孪生模型相应数据以及相对应位置的物理零件相应数据，通过对数据的分析，进行零部件的故障预测，验证故障预测的正确性；

5)该机床数字孪生模型性能测试装置三维方向加载机构对中性良好，避免额外力矩对试验台试验造成干扰；

6)该机床数字孪生模型性能测试装置三维加载机构均为伺服电缸直接驱动，结构简洁，减少多余传动链对试验的干扰。

附图说明

图1为本发明的机床数字孪生模型性能测试装置的整体结构示意图；

图2为图1去掉工作台a、工作台b的结构示意图；

图3为图1去龙门架、工作台b的结构示意图；

图4为本发明的控制系统的连接关系示意图；

其中：1-机座、2-导轨安装台，3-丝杠轴承座，4-联轴器，5-电机支架，6-伺服电机，7-直线导轨，8-丝杠，9-导轨滑块，10-1、工作台a，10-2、工作台b，11-龙门架，12-X向施力轮，13-X向施力轮安装支架，14-第一拉压力传感器，15-X向电动缸安装座，16-第一导向滑杆，17-X向电动缸，18-Z向施力轮，19-Z向施力轮安装支架，20-第二导向滑杆，21-第二拉压力传感器，22-Z向电动缸安装座，23-Z向电动缸，24-Y向电动缸，25-Y向电动缸支架，26-第三拉压力传感器，27-连杆，28-1、光栅尺主尺，28-2、读数头，29-L型支架，30-L型贴片，31-螺母，32-丝母座，33-控制系统。

具体实施方式：

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，如图1～3所示，包括机座1、工作台a 10-1、工作台b 10-2、龙门架11和控制系统33，龙门架11固定于机座1上，机座1的上表面设置有两条导轨安装台2，两条导轨安装台2之间固定有一丝杠轴承座3，丝杠轴承座3上安装有丝杠8，丝杠8的一端通过联轴器4连接有伺服电机6，伺服电机6固定于机座1上；

每个导轨安装台2的上表面均安装有直线导轨7，两条直线导轨7上均设置有与其相配合的导轨滑块9，两个导轨滑块9均与工作台a 10-1固定连接；丝杠8上设置有丝母座32，丝母座32与工作台a 10-1的下表面固定连接，工作台a 10-1的上表面通过螺栓与工作台b 10-2固定连接；

机座1与工作台a 10-1之间设置有用于对工作台a 10-1进行位移测量的光栅尺位移传感器；

龙门架11的一侧设置有用于对X方向施力的X方向伺服加载机构，X、Y、Z方向见图1中所示方向，X方向伺服加载机构与工作台b 10-2的侧面接触，用于对工作台b 10-2施力；

龙门11架的上方设置有用于对Z方向施力的Z方向伺服加载机构，Z方向伺服加载机构与工作台b 10-2的上表面接触，用于对工作台b 10-2施力；

机座1远离伺服电机6的一端设置有对Y方向施力的Y方向伺服加载机构，Y方向伺服加载机构与工作台b 10-2的一个端面接触，用于对工作台b 10-2施力；

X方向伺服加载机构、Z方向伺服加载机构和Y方向伺服加载机构中分别设置有第一拉压力传感器14、第二拉压力传感器21和第三拉压力传感器26，用于感应施力的大小；

丝杠轴承座3、丝母座32和两个导轨滑块9上均设置有三向振动加速度传感器，其型号为CA-YD-3141，伺服电机6、光栅尺位移传感器、三向振动加速度传感器、第一拉压力传感器14、第二拉压力传感器21和第三拉压力传感器26均与控制系统33连接，如图4所示；

第一拉压力传感器14、第二拉压力传感器21和第三拉压力传感器26的型号均为FS351-300kg。

实施例2：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，其结构如实施例1所示，所不同的是，光栅尺位移传感器包括读数头28-2和光栅尺主尺28-1，工作台a 10-1的侧门设置有L型贴片30，光栅尺主尺28-1安装在L型贴片30上，机座1的上表面固定有L型支架29，读数头28-2固定于L型支架29上，且与光栅尺主尺28-1相配合。光栅尺位移传感器是由光栅尺主尺28-1和读数头28-2两部分组成，光栅尺主尺28-1一般固定在机床活动部件上，读数头28-2装在机床固定部件上，读数头中装有指示光栅。光栅尺位移传感器是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置，它利用莫尔条纹，以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量，利用其进行位移测量的技术已非常成熟，此处不再赘述。光栅尺位移传感器测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。

实施例3：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，其结构如实施例1所示，所不同的是，X方向伺服加载机构包括X向电动缸17、X向电动缸安装座15、X向施力轮安装支架13和X向施力轮12，X向电动缸17安装座螺栓连接在龙门架11的侧面上，X向电动缸17安装于X向电动缸安装座15上，X向电动缸17的缸杆端部穿过X向电动缸安装座15上的通孔与第一拉压力传感器14的一端连接，第一拉压力传感器14的另一端连接X向施力轮安装支架13，X向施力轮12安装在X向施力轮安装支架13上，X向电动缸17与控制系统33连接。

实施例4：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，其结构如实施例3所示，所不同的是，X向施力轮安装支架13上设置有两个第一导向滑杆16，X向电动缸安装座15设置有与第一导向滑杆16相配合的导向孔。当X向电动缸17缸杆端部伸缩时，X向施力轮安装支架13也随之运动，从而带动X向施力轮12运动，X向施力轮安装支架13上的第一导向滑杆16会沿X向电动缸安装座15上的导向孔运动，起到导向作用。

实施例5：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，其结构如实施例1所示，所不同的是，伺服电机6通过电机支架5固定于机座1上；

两个导轨滑块9与工作台a 10-1均通过螺栓固定连接；

丝杠8与丝母座32之间通过螺母连接。

实施例6：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，其结构如实施例1所示，所不同的是，Z方向伺服加载机构包括Z向电动缸23、Z向电动缸安装座22、Z向施力轮安装支架19和Z向施力轮18，Z向电动缸安装座22安装在龙门架11的上表面上，Z向电动缸23安装于Z向电动缸安装座22上，Z向电动缸23的缸杆端部穿过Z向电动缸安装座22上的通孔与第二拉压力传感器21的一端连接，第二拉压力传感器21的另一端连接Z向施力轮安装支架19，Z向施力轮18安装在Z向施力轮安装支架19上，Z向电动缸23与控制系统33连接。

实施例7：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，其结构如实施例6所示，所不同的是，Z向施力轮安装支架19上设置有两个第二导向滑杆20，Z向电动缸安装座22设置有与第二导向滑杆20相配合的导向孔。当Z向电动缸23缸杆端部伸缩时，Z向施力轮安装支架19也随之运动，从而带动Z向施力轮18运动，Z向施力轮安装支架19上的第二导向滑杆20会沿Z向电动缸安装座22上的导向孔运动，起到导向作用。

实施例8：

一种机床数字孪生模型性能测试装置，其结构如实施例1所示，所不同的是，Y方向伺服加载机构包括Y向电动缸24、Y向电动缸支架25和连杆27；

Y向电动缸支架25固定于机座1上，Y向电动缸24固定于Y向电动缸支架25上，Y向电动缸24的缸杆端部与第三拉压力传感器26的一端相连，第三拉压力传感器26的另一端螺纹连接在连杆27上，连杆27与工作台b 10-2之间销连接，Y向电动缸24与控制系统33连接。

实施例9：

一种机床数字孪生模型性能测试方法，该机床数字孪生模型性能测试装置应用于模拟导轨磨损实验，试验台进行导轨副等易损零部件数字孪生模型性能衰减更新实验验证，例如导轨磨损实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，导轨副在模切加工过程中会有磨损，通过丝杠轴承座、丝母座和两个导轨滑块上设置的三向振动加速度传感器采集工作台b在竖直方向的磨损前后的振动加速度，通过对比加速度均值等判别性能差异，验证模型磨损更新的正确性。

值得注意的是，本发明的更新与验证通常同时进行，并不是本发明的重点，可参照现有技术进行，或者参照实施例11进行，均不影响本发明的实施。

实施例10：

一种机床数字孪生模型性能测试方法，该机床数字孪生模型性能测试装置应用于模拟丝杠副和轴承等敏感零部件加速寿命实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，丝杠副和轴承在加速寿命实验过程中会有性能衰减，通过三向振动加速度传感器采集滚珠丝杠的三向振动信号，温度传感器采集滚珠丝杠螺母的温度，三相电流传感器采集伺服电机的三相电流信号，声发射传感器采集滚珠丝杠运行过程中的声发射信号，温度传感器(型号为PT100)安装在丝杠螺母副的外圈，三相电流传感器(型号为SZL301)安装在丝杠的伺服电机的三相电源线上，声发射传感器(型号为PXR15RMH)安装在丝杠螺母副的外圈，温度传感器、三相电流传感器和声发射传感器均与控制系统连接，上述所采集的信号均为时间序列数据，对信号数据进行降噪，特征提取，剩余寿命指标的构建和时间序列预测，分析设备的剩余寿命；将采集到的数据以及人为标定的滚珠丝杠寿命作为数据集并分为训练集和测试集，训练集用于训练模型和算法，测试集可用于验证模型和算法的有效性和准确性。例如滚珠丝杠寿命预测验证，测量丝杠的旋转行程量与丝杠螺母位移行程量，将其行程量与规定的滚珠丝杠副行程变动量极值进行比较，判定丝杠副是否丧失规定精度，从而判定丝杠副是否报废，将报废前使用时间与寿命预测时间比较，验证寿命预测正确性。

实施例11：

一种机床数字孪生模型性能测试方法，该机床数字孪生模型性能测试装置应用于模拟丝杠副和轴承等敏感零部件故障诊断实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，人为设定故障或者加速性能衰减实验，同时在数字孪生模型中进行相应的状态更新，然后通过三向振动加速度传感器采集滚珠丝杠的三向振动信号，温度传感器采集滚珠丝杠螺母的温度，三相电流传感器采集伺服电机的三相电流信号，声发射传感器采集滚珠丝杠运行过程中的声发射信号，通过对数据的分析，进行零部件的故障诊断，验证故障诊断的正确性；

其中，温度传感器(型号为PT100)安装在丝杠螺母副的外圈，三相电流传感器(型号为SZL301)安装在丝杠的伺服电机的三相电源线上，声发射传感器(型号为PXR15RMH)安装在丝杠螺母副的外圈，温度传感器、三相电流传感器和声发射传感器均与控制系统连接。

人为设定是指更换已磨损严重的轴承等零部件或者对完好的零部件进行破坏处理；

状态更新过程可以为：首先利用Ansys参数化设计语言APDL建立零部件参数化CAD模型，将映射数据作为边界条件对模型进行有限元磨损分析，提取众多节点的接触面法向应力，利用Archard磨损理论计算节点磨损量，通过*VREAD命令将节点磨损量读取到仿真环境，并对参数化零部件模型进行节点更新，完成一次磨损更新，将自更新后的零部件进行模态分析，获取MNF(模态中性文件)，编写模态中性文件解析静态链接库，将零部件模态信息通过静态链接库导入到支持Modelica语言软件环境(如MWorks，OpenModelica等)，完成一种机电装备零部件数字孪生模型自更新。

设备的采集数据都是时间序列数据，通过对数据的降噪，特征提取，故障指标的构建和时间序列预测，分析出设备是否发生故障。

将采集到的数据以及人为标定的滚珠丝杠故障指标作为数据集并分为训练集和测试集，训练集用于训练模型和算法，测试集用于验证模型和算法的有效性和准确性，例如滚珠丝杠故障诊断验证，测量丝杠的旋转行程量与丝杠螺母位移行程量，将其行程量与规定的滚珠丝杠副行程变动量极值进行比较，判定丝杠副是否丧失规定精度，从而判定丝杠副是否发生故障，验证故障诊断正确性。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种机床数字孪生模型性能测试装置，其特征在于，该机床数字孪生模型性能测试装置应用于模拟导轨磨损实验，包括机座、工作台a、工作台b、龙门架和控制系统，所述龙门架固定于机座上，所述机座的上表面设置有两条导轨安装台，两条导轨安装台之间固定有一丝杠轴承座，所述丝杠轴承座上安装有丝杠，所述丝杠的一端通过联轴器连接有伺服电机，所述伺服电机固定于机座上；

每个导轨安装台的上表面均安装有直线导轨，两条直线导轨上均设置有与其相配合的导轨滑块，两个导轨滑块均与所述工作台a固定连接；所述丝杠上设置有丝母座，所述丝母座与工作台a的下表面固定连接，所述工作台a的上表面与所述工作台b固定连接；

所述机座与工作台a之间设置有用于对工作台a进行位移测量的光栅尺位移传感器；

所述龙门架的一侧设置有用于对X方向施力的X方向伺服加载机构，所述X方向伺服加载机构与工作台b的侧面接触，用于对工作台b施力；

所述龙门架的上方设置有用于对Z方向施力的Z方向伺服加载机构，所述Z方向伺服加载机构与工作台b的上表面接触，用于对工作台b施力；

所述机座远离伺服电机的一端设置有对Y方向施力的Y方向伺服加载机构，所述Y方向伺服加载机构与工作台b的一个端面接触，用于对工作台b施力；

所述X方向伺服加载机构、Z方向伺服加载机构和Y方向伺服加载机构中分别设置有第一拉压力传感器、第二拉压力传感器和第三拉压力传感器，用于感应施力的大小；

所述丝杠轴承座、丝母座和两个导轨滑块上均设置有三向振动加速度传感器，所述伺服电机、光栅尺位移传感器、三向振动加速度传感器、第一拉压力传感器、第二拉压力传感器和第三拉压力传感器均与所述控制系统连接；

所述X方向伺服加载机构包括X向电动缸、X向电动缸安装座、X向施力轮安装支架和X向施力轮，所述X向电动缸安装座安装在龙门架的侧面上，所述X向电动缸安装于X向电动缸安装座上，所述X向电动缸的缸杆端部穿过X向电动缸安装座上的通孔与第一拉压力传感器的一端连接，第一拉压力传感器的另一端连接X向施力轮安装支架，所述X向施力轮安装在X向施力轮安装支架上，所述X向电动缸与控制系统连接；

所述X向施力轮安装支架上设置有两个第一导向滑杆，所述X向电动缸安装座设置有与所述第一导向滑杆相配合的导向孔；

所述伺服电机通过电机支架固定于机座上；

两个导轨滑块与所述工作台a均通过螺栓固定连接；

所述丝杠与丝母座之间通过螺母连接；

所述Z方向伺服加载机构包括Z向电动缸、Z向电动缸安装座、Z向施力轮安装支架和Z向施力轮，所述Z向电动缸安装座安装在龙门架的上表面上，所述Z向电动缸安装于Z向电动缸安装座上，所述Z向电动缸的缸杆端部穿过Z向电动缸安装座上的通孔与第二拉压力传感器的一端连接，第二拉压力传感器的另一端连接Z向施力轮安装支架，所述Z向施力轮安装在Z向施力轮安装支架上，所述Z向电动缸与控制系统连接；

所述Z向施力轮安装支架上设置有两个第二导向滑杆，所述Z向电动缸安装座设置有与所述第二导向滑杆相配合的导向孔；

所述Y方向伺服加载机构包括Y向电动缸、Y向电动缸支架和连杆；

所述Y向电动缸支架固定于机座上，所述Y向电动缸固定于Y向电动缸支架上，所述Y向电动缸的缸杆端部与所述第三拉压力传感器的一端相连，所述第三拉压力传感器的另一端螺纹连接在连杆上，所述连杆与工作台b之间销连接，所述Y向电动缸与控制系统连接；

该测试装置的三维方向加载机构对中性良好，避免额外力矩对试验台试验造成干扰。

2.根据权利要求1所述的机床数字孪生模型性能测试装置，其特征在于，所述光栅尺位移传感器包括读数头和光栅尺主尺，所述工作台a的侧门设置有L型贴片，所述光栅尺主尺安装在L型贴片上，所述机座的上表面固定有L型支架，所述读数头固定于L型支架上，且与所述光栅尺主尺相配合。

3.一种权利要求1所述的机床数字孪生模型性能测试装置的测试方法，其特征在于，该机床数字孪生模型性能测试装置应用于模拟导轨磨损实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，导轨副在模切加工过程中会有磨损，通过丝杠轴承座、丝母座和两个导轨滑块上设置的三向振动加速度传感器采集工作台b在竖直方向的磨损前后的振动加速度，通过对比加速度均值判别性能差异。

4.一种权利要求1所述的机床数字孪生模型性能测试装置的测试方法，其特征在于，该机床数字孪生模型性能测试装置应用于模拟敏感零部件加速寿命实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，丝杠副和轴承在加速寿命实验过程中会有性能衰减，通过三向振动加速度传感器采集滚珠丝杠的三向振动信号，温度传感器采集滚珠丝杠螺母的温度，三相电流传感器采集伺服电机的三相电流信号，声发射传感器采集滚珠丝杠运行过程中的声发射信号，对信号数据进行降噪，特征提取，剩余寿命指标的构建和时间序列预测，进行零部件的寿命预测，验证全生命周期寿命预测的正确性；

其中，温度传感器安装在丝杠螺母副的外圈，三相电流传感器安装在丝杠的伺服电机的三相电源线上，声发射传感器安装在丝杠螺母副的外圈，温度传感器、三相电流传感器和声发射传感器均与控制系统连接。

5.一种权利要求1所述的机床数字孪生模型性能测试装置的测试方法，其特征在于，该机床数字孪生模型性能测试装置应用于模拟敏感零部件故障诊断实验，通过X、Y、Z三个方向的伺服加载机构对工作台b施加三维模拟切削力，同时伺服进给系统带动工作台a和工作台b运动，人为设定故障或者加速性能衰减实验，同时在数字孪生模型中进行相应的状态更新，然后通过三向振动加速度传感器采集滚珠丝杠的三向振动信号，温度传感器采集滚珠丝杠螺母的温度，三相电流传感器采集伺服电机的三相电流信号，声发射传感器采集滚珠丝杠运行过程中的声发射信号，通过对数据的分析，进行零部件的故障诊断，验证故障诊断的正确性；

其中，温度传感器安装在丝杠螺母副的外圈，三相电流传感器安装在丝杠的伺服电机的三相电源线上，声发射传感器安装在丝杠螺母副的外圈，温度传感器、三相电流传感器和声发射传感器均与控制系统连接。

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