伺服传动机构的数字孪生建模方法、系统、介质及设备与流程

本发明涉及计算机处理。更具体地，涉及一种伺服传动机构的数字孪生建模方法、系统、介质及设备。

背景技术：

1、目前，数字孪生技术是一种将物理对象与虚拟模型相结合的创新方法，旨在实现对现实世界的精确模拟和预测。近年来，随着计算机技术和数据处理能力的飞速发展，数字孪生技术在各个领域得到了广泛应用，特别是在工业制造、航空航天、汽车交通等领域，数字孪生技术已经成为研究和应用的热点。伺服传动机构是现代精密控制系统中的关键部件，其性能直接影响到整个系统的稳定性、可靠性和精度。针对传动机构主轴、齿轮、轴承的损伤故障诊断，众多学者展开了大量研究。此类研究主要基于仿真方法，可以处理复杂模型，也便于引入具体故障，具有很好的借鉴意义。同时，该类研究局限于传动系统单一环节的建模和分析，缺少对整体系统的考虑。

2、由于伺服传动机构的复杂性和强非线性特性，传统的理论分析、实验研究和仿真方法难以满足对其性能和行为的精确分析需求，数字孪生技术的出现为解决这一问题提供了新的思路和方法。为研究伺服传动系统健康监测技术，设计并建造了伺服传动机构，提出了试验台的研究目标和研究方法，此基础上，研究了一种伺服传动机构的数字孪生建模方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种伺服传动机构的数字孪生建模方法、系统、介质及设备，以解决现有技术存在的问题中的至少一个。

2、为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

3、本发明第一方面提供一种伺服传动机构的数字孪生建模方法，包括：

4、建立伺服传动机构各个部件的子模型；

5、将伺服传动机构各个子模型装配成整体得到伺服传动机构的有限元模型；所述建立伺服传动机构各个部件的子模型包括

6、根据伺服传动机构的结构尺寸参数，构建伺服传动机构的三维模型；

7、基于动力学分析，对伺服传动机构的三维模型进行简化处理，获得伺服传动机构各个部件的简化模型；

8、对伺服传动机构的各个部件的简化模型进行网格划分，得到伺服传动机构各个部件的子模型。

9、可选地，所述伺服传动机构的各个部件包括电机、减速器、齿轮副和至少一个力矩传感器；

10、其中，所述电机的输出端与第一力矩传感器的第一端连接，第一力矩传感器的第二端与所述减速器的输入端连接，所述减速器的输出端与第二力矩传感器的第一端连接，第二力矩传感器的第二端与所述齿轮副的输入端连接；

11、所述伺服传动机构的各个部件的子模型包括电机模型、减速器模型、齿轮副模型和至少一个力矩传感器模型。

12、可选地，建立电机模型包括

13、对电机的三维模型进行简化，得到电机的简化模型；

14、所述电机的简化模型包括驱动轴子模型、电机壳体子模型、第一轴承子模型和第二轴承子模型；

15、其中，所述第一轴承子模型和第二轴承子模型的内圈装配到驱动轴子模型上；所述第一轴承子模型和第二轴承子模型的外圈装配到所述电机壳体子模型上；

16、对所述驱动轴子模型划分实体网格，得到所述驱动轴的有限元模型；

17、对所述电机壳体子模型划分实体网格，得到所述电机壳体的有限元模型；

18、分别对所述第一轴承子模型和第二轴承子模型划分实体网格，得到第一轴承子模型和第二轴承子模型的有限元模型；

19、使用所述驱动轴子模型、电机壳体子模型、第一轴承子模型和第二轴承子模型的有限元模型替换驱动轴子模型、电机壳体子模型、第一轴承子模型和第二轴承子模型，得到所述电机模型。

20、可选地，建立减速器模型包括，

21、对减速器的三维模型进行简化，得到减速器的简化模型；

22、所述减速器的简化模型包括第一转轴子模型、第二转轴子模型、减速器壳体子模型、第三轴承子模型和第四轴承子模型；

23、其中，所述第一转轴子模型和第二转轴子模型同轴，第一转轴子模型安装在第三轴承子模型的内圈，且第一转轴子模型绕第三轴承子模型旋转，第三轴承子模型的外圈与减速器壳体子模型连接；第二转轴子模型安装在第四轴承子模型的内圈，且第二转轴子模型绕第四轴承子模型旋转，第四轴承子模型的外圈与减速器壳体子模型连接；减速器壳体子模型固定不动；

24、分别对所述第一转轴子模型、第二转轴子模型、减速器壳体子模型、第三轴承子模型和第四轴承子模型划分实体网格，得到所述第一转轴子模型、第二转轴子模型、减速器壳体子模型、第三轴承子模型和第四轴承子模型的有限元模型；装配所述第一转轴子模型、第二转轴子模型、减速器壳体子模型、第三轴承子模型和第四轴承子模型的有限元模型，得到减速器模型。

25、可选地，建立齿轮副模型包括

26、对齿轮副的三维模型进行简化，得到齿轮副的简化模型；

27、所述齿轮副的简化模型包括大齿轮子模型和小齿轮子模型，其中大齿轮子模型绕自身轴线旋转，小齿轮子模型绕自身轴线旋转，大齿轮子模型和小齿轮子模型通过齿轮啮合传递运动和载荷；

28、分别对所述大齿轮子模型和所述小齿轮子模型划分实体网格，得到所述大齿轮子模型和所述小齿轮子模型的有限元模型；装配大齿轮子模型和小齿轮子模型的有限元模型，得到齿轮副模型；其中，在对所述大齿轮子模型和所述小齿轮子模型划分实体网格时，对所述大齿轮子模型和所述小齿轮子模型的啮合轮齿进行细化，在所述大齿轮子模型与所述小齿轮子模型的啮合齿面建立接触对，并在所述接触对设置齿侧间隙。

29、可选地，建立力矩传感器模型包括

30、对力矩传感器的三维模型进行简化，得到力矩传感器的简化模型；

31、所述力矩传感器的简化模型包括第一连接轴子模型、第二连接轴子模型、力矩传感器壳体子模型、第五轴承子模型和第六轴承子模型；

32、其中，所述第一连接轴子模型和所述第二连接轴子模型同轴，是一根完整的连接轴在中间截断形成的；所述第一连接轴子模型安装在所述第五轴承子模型的内圈，且所述第一连接轴子模型绕所述第五轴承子模型旋转，所述第五轴承子模型的外圈与所述力矩传感器壳体子模型连接；所述第二连接轴子模型安装在所述第六轴承子模型的内圈，且所述第二连接轴子模型绕所述第六轴承子模型旋转，所述第六轴承子模型的外圈与所述力矩传感器子模型连接；所述力矩传感器壳体固定不动；

33、分别对所述第一连接轴子模型、第二连接轴子模型、力矩传感器壳体子模型、第五轴承子模型和第六轴承子模型划分实体网格，得到第一连接轴子模型、第二连接轴子模型、力矩传感器壳体子模型、第五轴承子模型和第六轴承子模型的有限元模型；装配第一连接轴子模型、第二连接轴子模型、力矩传感器壳体子模型、第五轴承子模型和第六轴承子模型的有限元模型，得到力矩传感器模型。

34、可选地，所述伺服传动机构还包括联轴器、大齿轮轴系、惯量盘、安装支架和基座；

35、分别对所述联轴器、小齿轮轴系、大齿轮轴系、惯量盘和安装支架划分实体网格，得到联轴器模型、小齿轮轴系模型、大齿轮轴系模型、惯量盘模型和安装支架模型；基座模型设置为刚性体。

36、本发明第二方面提供一种伺服传动机构的数字孪生建模系统，包括：

37、处理模块，用于建立伺服传动机构各个部件的子模型；

38、建模模块，用于将伺服传动机构各个子模型装配成整体得到伺服传动机构的有限元模型；

39、所述建模模块还包括

40、三维模型子模块，用于根据伺服传动机构的结构尺寸参数，构建伺服传动机构的三维模型；

41、简化模型子模块，用于基于动力学分析，对伺服传动机构的三维模型进行简化处理，获得伺服传动机构各个部件的简化模型；

42、有限元模型子模块，用于对伺服传动机构的各个部件的简化模型进行网格划分，得到伺服传动机构各个部件的子模型。

43、本发明第三方面提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现本发明第一方面提供的方法。

44、本发明第四方面提供一种伺服传动机构的数字孪生建模设备，包括：处理器；以及存储器，用于存储所述处理器的可执行指令；

45、其中，所述处理器配置为经由执行所述可执行指令来执行本发明第一方面提供的方法。

46、本发明的有益效果如下：

47、本发明通过建造伺服传动机构的模型，能够监测关键部位的加速度信号，可以考虑旋转部件的主要特性，例如扭转刚度、转动惯量、轴承刚度等，用于对比研究试验台的动态特性；还可以对系统的振动特性进行分析研究；通过探测轴系的力矩波动，准确识别系统频谱，其精度与位移频谱相当，这对于试验系统设计和健康监测提供一种新的思路和途径。