CN113848806A - 数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于特种加工领域，具体地，涉及一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，包括三个步骤：电弧铣削数字孪生物理实体建模，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模。数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断系统，包含六个部分：电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统、电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统、电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统、电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统、电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统、电弧铣削系统故障诊断与报警子系统。

Description

数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及 系统

技术领域

本发明属于特种加工领域，具体地，涉及一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。

背景技术

高效放电脉冲电弧铣削加工技术是一种重要的特种加工技术，由于其加工效率高、无切削力、不限工件材料等特点，被应用于航空航天等领域各种难加工导电材料的加工中。与传统铣削方法不同，其使用工具电极作为刀具，与工件不产生接触，有效避免了刀具震颤。其使用的高效放电脉冲电源可以提供较大的放电能量，对各种难加工材料进行放电去除。

高效放电脉冲电弧铣削加工技术的加工能量较大，一旦发生故障，轻则造成工具电极和工件报废，重则造成设备损坏和人员伤亡。通常仅由操作者在设备操作的同时进行故障观测，尽管存在一定的故障报警信息，但需要进行人为处理，对操作者的要求较高。数字孪生技术可以将设备的物理模型映射为虚拟实体，综合多种传感器数据，实时对虚拟实体进行更新，反映加工设备的运行状态，便于对加工技术进行故障诊断与预警。因此，亟需一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提供一种数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，包括三个步骤：电弧铣削数字孪生物理实体建模，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模。

电弧铣削数字孪生物理实体建模的具体步骤为：

S101：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其几何模型；

S102：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其物理模型；

S103：基于高效放电脉冲电弧铣削加工设备物理模型，建立高效放电脉冲电弧铣削加工机床行为模型。

电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新的具体步骤为：

S201：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，获取电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的实时运行状态；

S202：基于获取的高效放电脉冲电弧铣削加工设备的实时运行状态，分类、清洗、处理、整合数据，根据高效放电脉冲电弧铣削加工原理，模拟放电加工生产过程，生成高效放电脉冲电弧铣削加工设备数字孪生模拟数据；

S203：基于电弧铣削机械设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削机械系统数字孪生模型；基于电弧铣削电源设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削电源系统数字孪生模型；基于电弧铣削控制设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削控制系统数字孪生模型；基于电弧铣削循环设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削循环系统数字孪生模型；

S204：针对电压和电流信号，使用巴特沃斯低通滤波器进行滤波；

S205：基于电弧铣削数字孪生物理实体模型，构建电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备以及循环设备的系统高保真数字孪生框架；

S206：将传感器获得的高效放电脉冲电弧铣削加工设备数据整合入数字孪生体，构建电弧铣削数字孪生与故障诊断模型；对数字孪生体的历史数据进行多重备份；生成故障状态仿真数据，对数字孪生体与故障诊断模型进行更新。

电弧铣削数字孪生虚拟实体建模的具体步骤为：

S301：基于构建的电弧铣削机械系统数字孪生模型、电源系统数字孪生模型、控制系统数字孪生模型、循环系统数字孪生模型，构建电弧铣削系统状态数字孪生虚拟实体；

S302：基于构建的电弧铣削系统高保真数字孪生框架，构建电弧铣削几何状态数字孪生虚拟实体、放电状态数字孪生虚拟实体以及环境状态数字孪生虚拟实体；

S303：基于构建的电弧铣削数字孪生与故障诊断模型，构建电弧铣削故障诊断数字孪生虚拟实体；

S304：对构建的电弧铣削数字孪生虚拟实体进行数据分析与特征提取；

S305：基于获取的电弧铣削数字孪生虚拟实体信息，进行实时故障诊断，实现数字孪生体的动态更新和自动交互。

数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断系统，包含六个部分：电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统、电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统、电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统、电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统、电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统、电弧铣削系统故障诊断与报警子系统。

电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统，包括机械设备数据采集模块、机械设备数据清洗与整合模块、机械设备数据编码与通讯模块。

电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统，包括电源设备数据采集模块、电源设备数据清洗与整合模块、电源设备数据编码与通讯模块。

电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统，包括控制设备数据采集模块、控制设备数据清洗与整合模块、控制设备数据编码与通讯模块。

电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统，包括循环设备数据采集模块、循环设备数据清洗与整合模块、循环设备数据编码与通讯模块。

电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统，包括数据译码与分类模块、数字孪生体构建与更新模块。

电弧铣削系统故障诊断与报警子系统，包括故障诊断模块和故障预警模块。

相对于现有技术，本发明的有效增益效果是：数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法及系统，其功能不仅包括对电弧铣削加工设备硬件和软件故障导致的系统故障的预警，而且还包括电弧铣削加工过程的状态监测，确保加工过程稳定安全；通过建立高效放电脉冲电弧铣削数字孪生体，综合多种传感器数据，实现对设备整体运行状态和电弧铣削加工状态的精准监测和故障预警。

附图说明

图1是电弧铣削数字孪生物理实体建模步骤示意图；

图2是电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新步骤示意图；

图3是电弧铣削数字孪生虚拟实体建模步骤示意图；

图4是高效放电脉冲电弧铣削加工设备示意图；

图中，101、电弧铣削机械设备，102、机床本体，103、机床支撑，104、机床壳体，105、机床主轴，106、机床工作台，107、机床运动轴，108、机床旋转轴，109、机床连接件，110、机床操作终端，111、机床基体，112、电弧铣削电源设备，113、电压击穿模块，114、整流滤波模块，115、光耦隔离模块，116、电路反馈模块，117、电弧铣削控制设备，118、上位控制模块，119、远程通讯模块，120、下位执行模块，121、放电监测模块，122、电弧铣削循环设备，123、液体介质存储模块，124、气体介质存储模块，125、介质雾化混合模块，126、介质过滤处理模块，127、介质净化循环模块，128、介质存储模块；

图5是数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断系统示意图；

图中，201、电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统，202、电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统，203、电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统，204、电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统，205、电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统，206、电弧铣削系统故障诊断与报警子系统，207、机械设备数据采集模块，208、机械设备数据清洗与整合模块，209、机械设备数据编码与通讯模块，210、电源设备数据采集模块，211、电源设备数据清洗与整合模块，212、电源设备数据编码与通讯模块，213、控制设备数据采集模块，214、控制设备数据清洗与整合模块，215、控制设备数据编码与通讯模块，216、循环设备数据采集模块，217、循环设备数据清洗与整合模块，218、循环设备数据编码与通讯模块，219、数据译码与分类模块，220、数字孪生体构建与更新模块，221、电弧铣削数字孪生体，222、故障诊断模块，223、静态性能特征，224、动态性能特征，225、放电加工状态，226、维护信息与故障报警信息数据，227、故障表征信息，228、故障预警数据，229、故障预警模块，230、界面提示，231、界面弹窗，232、界面全屏警告，233、暂停设备运行，234、切断强电输入，235、关闭或开启机床防护门，236、开启报警装置。

具体实施方式

下面以具体实施例结合附图对本发明做详细说明，此示意图以及说明仅用来解释发明，但并不作为对本发明的限定。

数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，包括三个步骤：电弧铣削数字孪生物理实体建模，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模。

如图1所示，电弧铣削数字孪生物理实体建模的具体步骤为：

S101：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其几何模型，该模型包括电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的具体外观形貌特征、结构组合特征、几何尺寸特征、材料组成特征、装配逻辑特征；

S102：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其物理模型，该模型包括电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的物理模型，该步骤的具体实现如下：

①建立电弧铣削机械设备的物理模型，该模型包括机床本体、机床支撑、机床壳体、机床主轴、机床工作台、机床运动轴、机床旋转轴、机床连接件、机床操作终端的密度、质量和力学性能参数；

②建立电弧铣削电源设备的物理模型，该模型包括电压击穿模块、整流滤波模块、光耦隔离模块、电路反馈模块的输入输出组成结构、相互作用关系和电学性能参数；

③建立电弧铣削控制设备的物理模型，该模型包括上位控制模块、远程通讯模块、下位执行模块、放电监测模块的输入输出组成结构、相互作用关系和信号传输参数；

④建立电弧铣削循环设备的物理模型，该模型包括液体介质存储模块、气体介质存储模块、介质雾化混合模块、介质过滤处理模块、介质净化循环模块的密度、质量和力学性能参数；

S103：基于高效放电脉冲电弧铣削加工设备物理模型，建立高效放电脉冲电弧铣削加工机床行为模型，该模型包括工件装夹拆卸模块、放电加工蚀除模块、工具电极损耗模块和故障产生传播模块。

如图2所示，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新的具体步骤为：

S201：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，获取电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的实时运行状态，该步骤的具体实现如下：

①获取电弧铣削机械设备的实时运行状态，该状态包括各个直线运动轴和旋转主轴的位置信息、速度信息、加速度信息、振动信息、声发射信息、电极和工件的安装状态以及驱动器异常报警信息；

②获取电弧铣削电源设备的实时运行状态，该状态包括波形发生模块、整流滤波模块、高压击穿模块、光耦隔离模块的输入输出触点信息、实时反馈信号以及电源异常报警信息；

③获取电弧铣削控制设备的实时运行状态，该状态包括工作模式状态、放电加工电信号状态、放电短路回退状态以及控制器异常报警信息；

④获取电弧铣削循环设备的实时运行状态，该状态包括工作介质类型信息、工作介质压力信息、工作介质流量信息、工作介质清洁度信息、工作介质剩余容量信息以及循环设备异常报警信息；

S202：基于获取的高效放电脉冲电弧铣削加工设备的实时运行状态，分类、清洗、处理、整合数据，根据高效放电脉冲电弧铣削加工原理，模拟放电加工生产过程，生成高效放电脉冲电弧铣削加工设备数字孪生模拟数据；

S203：基于电弧铣削机械设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削机械系统数字孪生模型；基于电弧铣削电源设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削电源系统数字孪生模型；基于电弧铣削控制设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削控制系统数字孪生模型；基于电弧铣削循环设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削循环系统数字孪生模型；

S204：针对电压和电流信号，使用巴特沃斯低通滤波器进行滤波，如下所示：

其中，H(s)为系统传递函数，n为滤波器的阶数，ω_n为滤波器的截止频率，θ_k为相位角，

S205：基于电弧铣削数字孪生物理实体模型，构建电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备以及循环设备的系统高保真数字孪生框架；

S206：将传感器获得的高效放电脉冲电弧铣削加工设备数据整合入数字孪生体，构建电弧铣削数字孪生与故障诊断模型；对数字孪生体的历史数据进行多重备份；生成故障状态仿真数据，对数字孪生体与故障诊断模型进行更新。

如图3所示，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模的具体步骤为：

S301：基于构建的电弧铣削机械系统数字孪生模型、电源系统数字孪生模型、控制系统数字孪生模型、循环系统数字孪生模型，构建电弧铣削系统状态数字孪生虚拟实体；

S302：基于构建的电弧铣削系统高保真数字孪生框架，构建电弧铣削几何状态数字孪生虚拟实体、放电状态数字孪生虚拟实体以及环境状态数字孪生虚拟实体；

S303：基于构建的电弧铣削数字孪生与故障诊断模型，构建电弧铣削故障诊断数字孪生虚拟实体；

S304：对构建的电弧铣削数字孪生虚拟实体进行数据分析与特征提取，该步骤的具体实现如下：

①对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行静态性能评估，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的静态性能特征；

②对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行动态性能评估，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的动态性能特征；

③对电弧铣削数字孪生虚拟实体的放电加工状态进行加工状态监测提取，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的加工状态；

④对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行维护信息与故障报警信息提取，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的维护信息与故障报警信息；

S305：基于获取的电弧铣削数字孪生虚拟实体信息，进行实时故障诊断，实现数字孪生体的动态更新和自动交互。

如图4所示，高效放电脉冲电弧铣削加工设备，包含电弧铣削机械设备101、电弧铣削电源设备112、电弧铣削控制设备117、电弧铣削循环设备122；其中，电弧铣削机械设备101是高效放电脉冲电弧铣削加工的执行部分，包括机床本体102、机床支撑103、机床壳体104、机床主轴105、机床工作台106、机床运动轴107、机床旋转轴108、机床连接件109、机床操作终端110；机床本体102、机床支撑103、机床壳体104通过机床连接件109连接，构成机床基体111；机床主轴105、机床工作台106、机床运动轴107、机床旋转轴108通过机床连接件109连接在机床基体111上，实现机床的运动功能；机床操作终端110通过机床连接件109在机床基体111上，实现机床的控制操作功能；电弧铣削电源设备112为高效放电脉冲电弧铣削加工提供电源，包括电压击穿模块113、整流滤波模块114、光耦隔离模块115、电路反馈模块116；电压击穿模块113提供高压，用于击穿高效放电脉冲电弧铣削加工的放电间隙；整流滤波模块114提供大电流，用于产生高效放电脉冲电弧铣削加工所需的大能量电流；光耦隔离模块115用于信号隔离，避免电压波动对上位机和控制器的损害；电路反馈模块116将加工时的电信号反馈给电弧铣削控制设备117，便于对加工过程进行调整；电压击穿模块113、整流滤波模块114、光耦隔离模块115、电路反馈模块116使用线缆进行连接，构成电弧铣削电源设备112；机床操作终端110与电弧铣削电源设备112相连，实现对电源的参数调整；电弧铣削控制设备117为高效放电脉冲电弧铣削加工实现控制功能，包括上位控制模块118、远程通讯模块119、下位执行模块120、放电监测模块121；上位控制模块118实现机床端的上位控制，与机床操作终端110相连接；远程通讯模块119接收远程端的控制信号；下位执行模块120与电弧铣削机械设备101的机床主轴105、机床工作台106、机床运动轴107、机床旋转轴108连接，实现对机床的运动控制；放电检测模块121与电弧铣削电源设备112的电路反馈模块116相连接，实现对加工过程的放电监测和在线调整；电弧铣削循环设备122为高效放电脉冲电弧铣削加工实现工作介质的存储、混合、过滤与循环，包括液体介质存储模块123、气体介质存储模块124、介质雾化混合模块125、介质过滤处理模块126、介质净化循环模块127；液体介质存储模块123用于存放液态的高效放电脉冲电弧铣削加工用工作介质；气体介质存储模块124用于存放气态的高效放电脉冲电弧铣削加工用工作介质；液体介质存储模块123和气体介质存储模块124构成介质存储模块128；介质雾化混合模块125用于需要使用雾化工作介质时，将液体介质存储模块123和气体介质存储模块124的工作介质进行雾化混合；介质过滤处理模块126用于将加工使用后的工作介质进行过滤处理；介质净化循环模块127用于将过滤处理后的工作介质进行净化循环、重复利用；介质存储模块128、介质雾化混合模块125、介质净化循环模块127与电弧铣削机械设备101相连接，供给工作介质；电弧铣削控制设备117的下位执行模块120与电弧铣削循环设备122连接，实现对电弧铣削循环设备122的控制。

如图5所示，数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断系统包含六个部分：电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统201、电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统202、电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统203、电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统204、电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统205、电弧铣削系统故障诊断与报警子系统206；电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统201，包括电弧铣削机械设备101的机械设备数据采集模块207、机械设备数据清洗与整合模块208、机械设备数据编码与通讯模块209；电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统的机械设备数据采集模块207，通过通讯线缆与机床本体102、机床支撑103、机床壳体104、机床主轴105、机床工作台106、机床运动轴107、机床旋转轴108、机床连接件109、机床操作终端110相连，获取上述九个机械设备关键部件102、103、104、105、106、107、108、109、110的基本物理参数和设备运行参数；机械设备数据清洗与整合模块208将获取到的机械设备关键物理参数和设备运行参数进行数据清洗与整合；机械设备数据编码与通讯模块209按照编码与通讯协议将清洗与整合后的机械设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统205中；电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统202的电源设备数据采集模块210，通过通讯线缆与电弧铣削循环设备122的电压击穿模块113、整流滤波模块114、光耦隔离模块115、电路反馈模块116相连，获取上述四个电源设备关键部件113、114、115、116的电学性能参数和设备运行参数；电源设备数据清洗与整合模块211将获取到的电源设备电学性能参数和设备运行参数进行数据清洗与整合；电源设备数据编码与通讯模块212按照编码与通讯协议将清洗与整合后的电源设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统205中；电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统203的控制设备数据采集模块213，通过通讯线缆与电弧铣削控制设备117的上位控制模块118、远程通讯模块119、下位执行模块120、放电监测模块121相连，获取上述四个控制设备关键部件118、119、120、121的组成结构参数和运行状态参数；控制设备数据清洗与整合模块214将获取到的控制设备组成结构参数和运行状态参数进行数据清洗与整合；控制设备数据编码与通讯模块215按照编码与通讯协议将清洗与整合后的控制设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统205中；电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统204的循环设备数据采集模块216，通过通讯线缆与电弧铣削循环设备122的液体介质存储模块123、气体介质存储模块124、介质雾化混合模块125、介质过滤处理模块126、介质净化循环模块127相连，获取上述五个循环设备关键部件123、124、125、126、127的基本物理参数和设备运行参数；循环设备数据清洗与整合模块217将获取到的循环设备基本物理参数和设备运行参数进行数据清洗与整合；循环设备数据编码与通讯模块218按照编码与通讯协议将清洗与整合后的循环设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统205中；电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统205的数据译码与分类模块219，通过通讯线缆与电弧铣削机械设备数据编码与通讯模块209、电源设备数据编码与通讯模块212、控制设备数据编码与通讯模块215、循环设备数据编码与通讯模块218相连，对采集到的数据进行数据译码、数据传输和数据分类汇总；电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统205的数字孪生体构建与更新模块220，将分类汇总的数据用于电弧铣削数字孪生体221的构建与更新；电弧铣削系统故障诊断与报警子系统206的故障诊断模块222，实时读取电弧铣削数字孪生体221的静态性能特征223、动态性能特征224、放电加工状态225、维护信息与故障报警信息数据226，提取故障表征信息227，进行故障状态诊断，得到故障预警数据228；电弧铣削系统故障诊断与报警子系统的故障预警模块229，根据故障等级，将故障预警数据228通过界面提示230、界面弹窗231、界面全屏警告232、暂停设备运行233、切断强电输入234、关闭或开启机床防护门235、开启报警装置236的一种或多种方式进行故障预警与处理。

Claims (7)

1.数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于：包含三个步骤：电弧铣削数字孪生物理实体建模，电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新，电弧铣削数字孪生虚拟实体建模；

电弧铣削数字孪生物理实体建模的具体步骤为：

S101：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其几何模型，该模型包括电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的具体外观形貌特征、结构组合特征、几何尺寸特征、材料组成特征、装配逻辑特征；

S102：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，建立其物理模型，该模型包括电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的物理模型，该步骤的具体实现如下：

①建立电弧铣削机械设备的物理模型，该模型包括机床本体、机床支撑、机床壳体、机床主轴、机床工作台、机床运动轴、机床旋转轴、机床连接件、机床操作终端的密度、质量和力学性能参数；

②建立电弧铣削电源设备的物理模型，该模型包括电压击穿模块、整流滤波模块、光耦隔离模块、电路反馈模块的输入输出组成结构、相互作用关系和电学性能参数；

③建立电弧铣削控制设备的物理模型，该模型包括上位控制模块、远程通讯模块、下位执行模块、放电监测模块的输入输出组成结构、相互作用关系和信号传输参数；

④建立电弧铣削循环设备的物理模型，该模型包括液体介质存储模块、气体介质存储模块、介质雾化混合模块、介质过滤处理模块、介质净化循环模块的密度、质量和力学性能参数；

S103：基于高效放电脉冲电弧铣削加工设备物理模型，建立高效放电脉冲电弧铣削加工机床行为模型，该模型包括工件装夹拆卸模块、放电加工蚀除模块、工具电极损耗模块和故障产生传播模块；

电弧铣削数字孪生与故障诊断模型建立与更新的具体步骤为：

S201：针对高效放电脉冲电弧铣削加工设备，获取电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备、循环设备的实时运行状态，该步骤的具体实现如下：

①获取电弧铣削机械设备的实时运行状态，该状态包括各个直线运动轴和旋转主轴的位置信息、速度信息、加速度信息、振动信息、声发射信息、电极和工件的安装状态以及驱动器异常报警信息；

②获取电弧铣削电源设备的实时运行状态，该状态包括波形发生模块、整流滤波模块、高压击穿模块、光耦隔离模块的输入输出触点信息、实时反馈信号以及电源异常报警信息；

③获取电弧铣削控制设备的实时运行状态，该状态包括工作模式状态、放电加工电信号状态、放电短路回退状态以及控制器异常报警信息；

④获取电弧铣削循环设备的实时运行状态，该状态包括工作介质类型信息、工作介质压力信息、工作介质流量信息、工作介质清洁度信息、工作介质剩余容量信息以及循环设备异常报警信息；

S202：基于获取的高效放电脉冲电弧铣削加工设备的实时运行状态，分类、清洗、处理、整合数据，根据高效放电脉冲电弧铣削加工原理，模拟放电加工生产过程，生成高效放电脉冲电弧铣削加工设备数字孪生模拟数据；

S203：基于电弧铣削机械设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削机械系统数字孪生模型；基于电弧铣削电源设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削电源系统数字孪生模型；基于电弧铣削控制设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削控制系统数字孪生模型；基于电弧铣削循环设备的数字孪生模拟数据，构建电弧铣削循环系统数字孪生模型；

S204：针对电压和电流信号，使用巴特沃斯低通滤波器进行滤波，如下所示：

其中，H(s)为系统传递函数，n为滤波器的阶数，ω_n为滤波器的截止频率，θ_k为相位角，

S205：基于电弧铣削数字孪生物理实体模型，构建电弧铣削机械设备、电源设备、控制设备以及循环设备的系统高保真数字孪生框架；

S206：将传感器获得的高效放电脉冲电弧铣削加工设备数据整合入数字孪生体，构建电弧铣削数字孪生与故障诊断模型；对数字孪生体的历史数据进行多重备份；生成故障状态仿真数据，对数字孪生体与故障诊断模型进行更新；

电弧铣削数字孪生虚拟实体建模的具体步骤为：

S301：基于构建的电弧铣削机械系统数字孪生模型、电源系统数字孪生模型、控制系统数字孪生模型、循环系统数字孪生模型，构建电弧铣削系统状态数字孪生虚拟实体；

S302：基于构建的电弧铣削系统高保真数字孪生框架，构建电弧铣削几何状态数字孪生虚拟实体、放电状态数字孪生虚拟实体以及环境状态数字孪生虚拟实体；

S303：基于构建的电弧铣削数字孪生与故障诊断模型，构建电弧铣削故障诊断数字孪生虚拟实体；

S304：对构建的电弧铣削数字孪生虚拟实体进行数据分析与特征提取，该步骤的具体实现如下：

①对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行静态性能评估，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的静态性能特征；

②对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行动态性能评估，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的动态性能特征；

③对电弧铣削数字孪生虚拟实体的放电加工状态进行加工状态监测提取，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的加工状态；

④对电弧铣削数字孪生虚拟实体进行维护信息与故障报警信息提取，获取电弧铣削数字孪生虚拟实体的维护信息与故障报警信息；

S305：基于获取的电弧铣削数字孪生虚拟实体信息，进行实时故障诊断，实现数字孪生体的动态更新和自动交互；

数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，应用于数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断系统上，该系统包含六个部分：电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统、电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统、电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统、电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统、电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统、电弧铣削系统故障诊断与报警子系统；

电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统，包括机械设备数据采集模块、机械设备数据清洗与整合模块、机械设备数据编码与通讯模块；

电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统，包括电源设备数据采集模块、电源设备数据清洗与整合模块、电源设备数据编码与通讯模块；

电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统，包括控制设备数据采集模块、控制设备数据清洗与整合模块、控制设备数据编码与通讯模块；

电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统，包括循环设备数据采集模块、循环设备数据清洗与整合模块、循环设备数据编码与通讯模块；

电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统，包括数据译码与分类模块、数字孪生体构建与更新模块；

电弧铣削系统故障诊断与报警子系统，包括故障诊断模块和故障预警模块。

2.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于，电弧铣削机械设备数据采集与处理子系统的机械设备数据采集模块，通过通讯线缆与机床本体、机床支撑、机床壳体、机床主轴、机床工作台、机床运动轴、机床旋转轴、机床连接件、机床操作终端相连，获取上述九个机械设备关键部件的基本物理参数和设备运行参数；机械设备数据清洗与整合模块将获取到的机械设备关键物理参数和设备运行参数进行数据清洗与整合；机械设备数据编码与通讯模块按照编码与通讯协议将清洗与整合后的机械设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统中。

3.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于，电弧铣削电源设备数据采集与处理子系统的电源设备数据采集模块，通过通讯线缆与电压击穿模块、整流滤波模块、光耦隔离模块、电路反馈模块相连，获取上述四个电源设备关键部件的电学性能参数和设备运行参数；电源设备数据清洗与整合模块将获取到的电源设备电学性能参数和设备运行参数进行数据清洗与整合；电源设备数据编码与通讯模块按照编码与通讯协议将清洗与整合后的电源设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统中。

4.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于，电弧铣削控制设备数据采集与处理子系统的控制设备数据采集模块，通过通讯线缆与上位控制模块、远程通讯模块、下位执行模块、放电监测模块相连，获取上述四个控制设备关键部件的组成结构参数和运行状态参数；控制设备数据清洗与整合模块将获取到的控制设备组成结构参数和运行状态参数进行数据清洗与整合；控制设备数据编码与通讯模块按照编码与通讯协议将清洗与整合后的控制设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统中。

5.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于，电弧铣削循环设备数据采集与处理子系统的循环设备数据采集模块，通过通讯线缆与液体介质存储模块、气体介质存储模块、介质雾化混合模块、介质过滤处理模块、介质净化循环模块相连，获取上述五个循环设备关键部件的基本物理参数和设备运行参数；循环设备数据清洗与整合模块将获取到的循环设备基本物理参数和设备运行参数进行数据清洗与整合；循环设备数据编码与通讯模块按照编码与通讯协议将清洗与整合后的循环设备数据进行编码，传输到电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统中。

6.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于，电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统的数据译码与分类模块，通过通讯线缆与电弧铣削机械设备数据编码与通讯模块、电源设备数据编码与通讯模块、控制设备数据编码与通讯模块、循环设备数据编码与通讯模块相连，对采集到的数据进行数据译码、数据传输和数据分类汇总；电弧铣削系统整体数据采集与分析子系统的数字孪生体构建与更新模块，将分类汇总的数据用于电弧铣削数字孪生体的构建与更新。

7.根据权利要求1所述的数字孪生驱动的高效放电脉冲电弧铣削加工故障诊断方法，其特征在于，电弧铣削系统故障诊断与报警子系统的故障诊断模块，实时读取电弧铣削数字孪生体的静态性能特征、动态性能特征、放电加工状态、维护信息与故障报警信息数据，提取故障表征信息，进行故障状态诊断，得到故障预警数据；电弧铣削系统故障诊断与报警子系统的故障预警模块，根据故障等级，将故障预警数据通过界面提示、界面弹窗、界面全屏警告、暂停设备运行、切断强电输入、关闭或开启机床防护门、开启报警装置的一种或多种方式进行故障预警与处理。

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