本發(fā)明涉及礦山機(jī)械設(shè)備智能化領(lǐng)域，特別涉及一種面向球磨機(jī)的集成化數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法。

背景技術(shù)：

1、大型礦用球磨機(jī)是選礦的核心裝備，對(duì)其進(jìn)行智能化故障診斷是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。針對(duì)球磨機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣、工作載荷巨大，其工作過程中可能出現(xiàn)潛在的安全隱患，亟需提升球磨機(jī)的智能化狀態(tài)監(jiān)測(cè)水平，以實(shí)現(xiàn)安全、可靠運(yùn)行。

2、目前，基于傳感的智能化狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)占據(jù)主流地位，它是通過傳感器監(jiān)測(cè)球磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)及故障表征進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)的?；趥鞲械闹悄芑癄顟B(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只能在特定需求下滿足球磨機(jī)的智能化監(jiān)測(cè)，這是因?yàn)樗荒芤揽克杉漠?dāng)前設(shè)備歷史數(shù)據(jù)對(duì)球磨機(jī)狀態(tài)進(jìn)行判斷，由于無法獲取足量的故障數(shù)據(jù)用于診斷算法的訓(xùn)練，這也就導(dǎo)致所設(shè)計(jì)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用性偏低；且基于傳感的智能化狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)不能映射球磨機(jī)的全生命周期過程，這就導(dǎo)致其不能考慮球磨機(jī)的時(shí)間變化性對(duì)于狀態(tài)監(jiān)測(cè)的影響。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種面向球磨機(jī)的集成化數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，解決了現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在的實(shí)際應(yīng)用性低、無法高精度全面映射物理球磨機(jī)等問題。本發(fā)明使用數(shù)字孿生技術(shù)助力全生命周期內(nèi)對(duì)球磨機(jī)的實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)，可實(shí)現(xiàn)典型故障數(shù)據(jù)的獲取以及對(duì)物理實(shí)體球磨機(jī)的全生命周期映射，助力全生命周期內(nèi)對(duì)球磨機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)。本發(fā)明涉及尺度模塊、維度模塊、場(chǎng)景模塊與服務(wù)模塊，形成了一個(gè)有效的數(shù)字孿生模型構(gòu)建體系，滿足了球磨機(jī)全生命周期實(shí)時(shí)狀態(tài)反饋的需求，能夠?yàn)楦黝I(lǐng)域的數(shù)字孿生實(shí)踐者提供一套通用且有效的建模體系，促進(jìn)數(shù)字孿生的全面普及和深度應(yīng)用。

2、本發(fā)明的上述目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、面向球磨機(jī)的集成化數(shù)字孿生模型構(gòu)建方法，包括以下步驟：

4、步驟s1、構(gòu)建球磨機(jī)數(shù)字孿生模型尺度模塊；

5、步驟s2、構(gòu)建球磨機(jī)數(shù)字孿生模型場(chǎng)景模塊；

6、步驟s3、構(gòu)建球磨機(jī)數(shù)字孿生模型維度模塊；

7、步驟s4、構(gòu)建球磨機(jī)數(shù)字孿生模型服務(wù)模塊；

8、步驟s5、構(gòu)建球磨機(jī)多傳感器信息采集系統(tǒng)；

9、步驟s6、構(gòu)建球磨機(jī)一致性評(píng)估系統(tǒng)。

10、進(jìn)一步的，所述步驟s1可以分為空間尺度和學(xué)科尺度，按照空間尺度可以將數(shù)字孿生模型的構(gòu)建分為三層，分別為零件層、部件層以及設(shè)備層，在數(shù)字孿生模型的構(gòu)建過程中應(yīng)滿足從小到大、從局部到全局的構(gòu)建策略，先構(gòu)建零件層，在零件層的基礎(chǔ)上在進(jìn)行部件層的構(gòu)建，最終完成設(shè)備層的構(gòu)建；按照學(xué)科尺度可以將數(shù)字孿生模型的構(gòu)建分為單元層、組件層以及融合層，單元層是最基本的代碼輸入及基礎(chǔ)操作，是按學(xué)科尺度構(gòu)建數(shù)字孿生模型的最基本的操作單元，接著按照不同學(xué)科通過操作單元組合得到組件層，最后考慮多學(xué)科融合得到最終的融合層。

11、進(jìn)一步的，所述步驟s2包括球磨機(jī)運(yùn)行條件變化以及自身狀態(tài)情況；球磨機(jī)運(yùn)行條件變化涉及球磨機(jī)的運(yùn)行參數(shù)的變化，包括轉(zhuǎn)速變化、鋼球填充率變化、物料填充率變化和物料類別及粒度的變化；球磨機(jī)自身狀態(tài)情況涉及自身故障以及自身結(jié)構(gòu)方面的變化。

12、進(jìn)一步的，所述步驟s3包括幾何、物理、行為、規(guī)則這四個(gè)維度的模型，其中：

13、幾何模型的構(gòu)建：構(gòu)建過程中充分反映物理實(shí)體的形狀、尺寸、結(jié)構(gòu)組成以及裝配關(guān)系，依據(jù)步驟s1可以將幾何模型的構(gòu)建劃分為零件級(jí)幾何模型、部件級(jí)幾何模型及設(shè)備級(jí)幾何模型；零件幾何模型作為幾何模型的最底層，是幾何模型高精度構(gòu)建的基礎(chǔ)；零件幾何模型的構(gòu)建主要考慮的因素包括幾何尺寸、幾何形狀、幾何位置及功能條件等信息；部件幾何模型的構(gòu)建需根據(jù)球磨機(jī)的不同運(yùn)行系統(tǒng)進(jìn)行劃分，將不同系統(tǒng)的零件進(jìn)行集合組成電機(jī)部件、傳動(dòng)部件、筒體部件、控制器部件以及傳感器部件，在各個(gè)集合內(nèi)，按照裝配關(guān)系、裝配順序及裝配位置將零件級(jí)幾何模型組合為部件級(jí)幾何模型；設(shè)備級(jí)幾何模型的構(gòu)建需基于協(xié)作關(guān)系、線路連接將上述構(gòu)建的五個(gè)部件級(jí)幾何模型組裝為設(shè)備級(jí)幾何模型；

14、物理模型的構(gòu)建：通過有限元、離散元、多體動(dòng)力學(xué)的分析，模擬整個(gè)球磨機(jī)的運(yùn)行過程，依據(jù)步驟s1可以將物理模型的構(gòu)建劃分為單元級(jí)物理模型、組件級(jí)物理模型和融合級(jí)物理模型；單元級(jí)物理模型為分析過程中的代碼輸入及基礎(chǔ)操作；組件級(jí)物理模型為有限元、離散元或者多體動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建，這是在單元級(jí)物理模型構(gòu)建的基礎(chǔ)上得到的；融合級(jí)物理模型為在組件級(jí)物理模型構(gòu)建中得到的有限元模型、離散元模型以及多體動(dòng)力學(xué)模型的有效融合，這個(gè)過程涉及多學(xué)科耦合行為；

15、行為模型的構(gòu)建：深入分析球磨機(jī)的基本特性，包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理及關(guān)鍵組件，根據(jù)實(shí)際工作需求，在步驟s2的基礎(chǔ)上模擬不同場(chǎng)景下的球磨機(jī)行為，包括但不限于筒體旋轉(zhuǎn)行為、研磨行為；

16、規(guī)則模型的構(gòu)建：約束規(guī)則、控制規(guī)則和衰減規(guī)則共同構(gòu)成了球磨機(jī)數(shù)字孿生的規(guī)則模型，約束規(guī)則需要球磨機(jī)的實(shí)際工作情況對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行約束，包括轉(zhuǎn)速約束、填充率約束；控制規(guī)則需根據(jù)球磨機(jī)的運(yùn)行行為施加合適的控制策略；衰減規(guī)則是利用物理實(shí)體球磨機(jī)不同時(shí)間段采集的實(shí)際數(shù)據(jù)所建立的，這個(gè)過程需要利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為代理模型。

17、進(jìn)一步的，所述步驟s4需要對(duì)所建立的模型注入服務(wù)功能，首先通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立物理實(shí)體球磨機(jī)與數(shù)字孿生模型之間的通信，接著，利用unity?3d技術(shù)構(gòu)建一個(gè)具有模塊化和語義化的前端可視化界面，具備數(shù)據(jù)可視化、狀態(tài)可視化及交互可操作設(shè)計(jì)功能。

18、進(jìn)一步的，所述步驟s5包括扭矩傳感器、振動(dòng)傳感器、噪聲傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、油壓傳感器、溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、應(yīng)力測(cè)量?jī)x、相機(jī)，分別對(duì)球磨機(jī)主軸進(jìn)行扭矩與轉(zhuǎn)速的測(cè)量，對(duì)球磨機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行振動(dòng)檢測(cè)，對(duì)潤(rùn)滑油的油壓與油溫進(jìn)行溫度測(cè)量，對(duì)電機(jī)進(jìn)行電流電壓測(cè)量，對(duì)球磨機(jī)筒體進(jìn)行噪聲檢測(cè)、應(yīng)力測(cè)量及軌跡測(cè)量。

19、進(jìn)一步的，所述步驟s6包括幾何、物理、行為、規(guī)則以及集成融合模型的一致性評(píng)估，幾何模型評(píng)估為檢測(cè)模型建立的精確度；物理模型評(píng)估為為評(píng)估球磨機(jī)物理參數(shù)的一致性，包括電流、電壓、振動(dòng)、噪聲、油壓、油溫、應(yīng)力；行為模型評(píng)估為檢測(cè)球磨機(jī)筒體運(yùn)行軌跡與數(shù)字孿生模型球磨機(jī)筒體運(yùn)行軌跡的一致性；規(guī)則模型評(píng)估為評(píng)估參數(shù)約束的一致性與控制規(guī)則下球磨機(jī)轉(zhuǎn)速的一致性；集成融合模型的評(píng)估為評(píng)估球磨機(jī)不同工況下功率變化的一致性。

20、本發(fā)明的有益效果在于：

21、1、全生命周期的球磨機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)可視化反饋：利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立物理實(shí)體球磨機(jī)與數(shù)字孿生模型之間的交互連接，數(shù)字孿生模型高精度映射了物理實(shí)體，可通過數(shù)字孿生模型在運(yùn)行過程中的狀態(tài)變化實(shí)時(shí)反映物理實(shí)體球磨機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。

22、2、交互式可操作功能：可通過交互平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)字孿生模型的更改調(diào)整與優(yōu)化，可通過對(duì)模型設(shè)計(jì)故障，提取球磨機(jī)的故障數(shù)據(jù)信息，助力球磨機(jī)的智能故障診斷；也可通過對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，根據(jù)模型的狀態(tài)變化助力模型的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

23、3.全面高精度的模型映射：維度模塊主要基于數(shù)字孿生多學(xué)科建模策略，即融合幾何模型、物理模型、行為模型和規(guī)則模型；尺度模塊指模型的構(gòu)建過程需滿足從小到大、從局部到全局、從簡(jiǎn)單到復(fù)雜的模型構(gòu)建策略；場(chǎng)景模塊指模型的構(gòu)建應(yīng)考慮球磨機(jī)本體的多工況運(yùn)行特征；服務(wù)模塊指在模型構(gòu)建后期，使構(gòu)建得到的模型具有針對(duì)性服務(wù)特性，賦予模型具體服務(wù)任務(wù)。融合多模塊信息，使數(shù)字孿生模型高精度有映射物理實(shí)體球磨機(jī)。