一种等离子切割易耗件寿命预测系统及预测方法与流程

本发明涉及工业设备监测，具体为一种等离子切割易耗件寿命预测系统及预测方法。

背景技术：

1、等离子切割设备在金属加工行业应用广泛，其割炬内部的电极与喷嘴属于关键易耗件；准确预测这些易耗件的剩余使用寿命，对于保证切割质量和维持生产线的连续性具有实际意义；现有的易耗件寿命评估方式大多依赖于单一的切割次数统计，或者通过设定固定的电压、电流阈值进行到期报警。

2、在实际切割运行中，等离子电弧的产生与维持涉及电学特性与流体动力学的多场变化；现有的监测系统在同时采集高频电气信号与流体气压信号时，由于不同传感器的响应周期及数据传输链路存在差异，获取的多源数据之间会产生时间延迟偏差；这种偏差导致设备难以实现不同物理量在同一时间轴上的同步对齐，进而使后续提取的运行特征出现时序错位；同时，单次完整的切割循环由引弧、稳态切割与收弧等多个动态区间组成，易耗件在不同区间内承受的物理侵蚀机理并不相同；现有预测方法采用全局统一的固定经验公式进行整体损耗评估，未能针对不同的工况阶段执行分段计算，降低基础损耗数据的准确性。

3、此外，电极与喷嘴在实际消耗过程中并不是孤立劣化的，两者物理形态的改变会相互产生交叉激化影响；现有预测模型将不同易耗件作为独立对象分别计算其磨损量，未能有效量化部件之间的交叉耦合关系；并且，常规算法在运行过程中固化预测参数，缺乏结合历史运行数据与真实报废状态进行对比的闭环反馈机制，导致系统在长时间应对复杂多变的切割工况时，计算误差会不断累积，最终使得输出的剩余使用寿命偏离易耗件的实际可用状态。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明提供了一种等离子切割易耗件寿命预测系统及预测方法，解决了现有等离子切割设备因多物理场数据采集时序错位、未根据工况分段评估损耗以及未量化部件间交叉劣化影响，导致易耗件寿命预测精度低的问题。

2、为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

3、本发明第一方面提供一种等离子切割易耗件寿命预测系统，包括：

4、传感模块，用于获取多物理场的原始模拟信号；

5、采集模块，用于对所述原始模拟信号进行转换生成数字化的实时运行参数；

6、处理单元，与所述采集模块连接，所述处理单元内部集成有：

7、预处理模块，用于对所述实时运行参数执行滤波，并对流体力学信号执行先进先出队列的延时对齐操作；

8、识别模块，用于对单次工作循环执行基于工况特征的动态时间切片；

9、特征模块，用于提取物理劣化特征并生成交叉耦合系数矩阵；

10、积分模块，用于执行分段的损耗累加及惩罚特征计算，并汇总生成总损耗量；

11、预测模块，用于调用神经网络模型执行剩余使用寿命推理；

12、输出模块，用于输出预测的剩余使用寿命数据；

13、更新模块，用于对喷嘴交叉激化权重系数、电极交叉激化权重系数以及跨阶段飞溅惩罚权重系数执行反向迭代寻优。

14、优选的，所述预处理模块构建低频时序识别通道中的级联数字信号处理链路对电气序列进行遍历运算，提取逆变主电路开关频率作为陷波中心频率构建带阻陷波器，并在后端串接低通数字滤波器输出平滑电学特征序列；同时构建高频特征保留通道输出高频电压特征序列。

15、优选的，所述识别模块读取经过对齐处理的保护气实时背压数据并计算保护气背压偏差，同时读取滤波后的电压一阶导数，比对滤波电压一阶导数的绝对值与预设的零偏带阈值，确认等离子电弧与保护气流场进入热力学平衡状态时刻记录为稳态边界时刻，并将单次切割循环在时间轴上动态划分为引弧段、稳态段与收弧段。

16、优选的，所述特征模块在所述稳态段区间内采用基于希尔伯特变换的数字解析信号构造方法生成高频电压包络线序列，计算高频电压包络线序列数学方差作为电极劣化特征，并计算保护气背压绝对偏差均值作为喷嘴劣化特征，通过引入线性权重机制计算喷嘴几何异常对电极电弧游移产生加剧作用的单向激化因子以及电极发射异常对喷嘴流道产生烧损作用的单向激化因子，从而生成所述交叉耦合系数矩阵。

17、在上述系统架构中，预处理模块分别输出平滑电学特征序列和高频电压特征序列；识别模块基于电弧与气流场的热力学状态判定进行时间轴划分；特征模块结合电极劣化特征和喷嘴劣化特征计算交叉激化权重系数并生成交叉耦合系数矩阵。上述模块配合完成了易耗件状态参数的多维提取与交叉关联。

18、本发明第二方面提供一种等离子切割易耗件寿命预测方法，使用上述等离子切割易耗件寿命预测系统，所述方法包括以下步骤：

19、采集模块获取数字化的实时运行参数，实时运行参数包括瞬态切割电压、切割电流、保护气实时背压以及离子气流量；

20、预处理模块对实时运行参数进行多级特征保留滤波处理，并执行延时对齐操作；

21、识别模块结合控制指令对单次工作循环执行动态时序边界识别，将时间轴动态划分为引弧段、稳态段与收弧段；

22、特征模块提取电极劣化特征与喷嘴劣化特征，计算生成交叉耦合系数矩阵；

23、积分模块按划分的时序区间分别执行损耗微元积分计算；

24、积分模块汇总各段积分数值生成总损耗量，预测模块通过长短期记忆神经网络模型执行剩余使用寿命的推理预测计算；

25、输出模块在剩余使用寿命低于安全预警阈值时输出易耗件更换提示，并在剩余使用寿命低于强制停机极限阈值时输出停机保护指令；

26、更新模块采用梯度下降算法对所述交叉耦合系数矩阵中的权重系数执行闭环迭代寻优。

27、优选的，所述采集模块获取数字化的实时运行参数的步骤包括：

28、采集模块对瞬态切割电压与切割电流的模拟电信号进行同步离散化处理，复用获取电气参数的高频采样时钟对流体力学相关的模拟信号进行转换，强制保证流体离散序列与电学离散序列具备一致的时间轴坐标密度，将数据按产生的时间先后顺序对齐后压入持续存储数据的环形数据缓冲区。

29、优选的，所述预处理模块对实时运行参数进行多级特征保留滤波处理，并执行延时对齐操作的步骤包括：

30、预处理模块计算数字滤波链路在数据通道中引入的绝对时间滞后量作为群延时参数，结合高频采样频率计算离散数据点位偏移量；规划专用的先进先出缓存队列将流体离散序列压入，利用所述离散数据点位偏移量对出队指针进行滞后锁定操作强制流体信号产生物理驻留时间完成时间轴同步。

31、优选的，所述积分模块按划分的时序区间分别执行损耗微元积分计算的步骤包括：

32、提取切割电流离散序列中各数据点的幅值平方以及一阶导数绝对值，并分别乘以对应常数系数后求和叠加生成瞬态侵蚀微元函数以计算引弧段瞬态冲击损耗；提取单向激化因子乘电极基础微元损耗率及喷嘴基础微元损耗率生成稳态积分函数以计算稳态段耦合累积损耗；判定电压高频包络线方差超过游移极限阈值时激活非线性惩罚积分计算逻辑计算飞溅附加损耗。

33、优选的，所述预测模块通过长短期记忆神经网络模型执行剩余使用寿命的推理预测计算的步骤包括：

34、将当前切割循环及历史前置多个连续切割循环的电极当前累积损耗、喷嘴当前累积损耗、电压高频包络线方差以及保护气背压绝对偏差均值按照固定顺序组合，构建二维特征矩阵序列，采用最大最小归一化算法线性映射数值后输入所述长短期记忆神经网络模型，从线性全连接层获取输出结果并执行非负截断操作分别输出电极与喷嘴的剩余可执行切割循环次数，取二者中的较小值作为当前易耗件组合的剩余可执行切割循环总次数。

35、优选的，所述更新模块采用梯度下降算法对喷嘴交叉激化权重系数、电极交叉激化权重系数以及跨阶段飞溅惩罚权重系数执行闭环迭代寻优的步骤包括：

36、提取标定存储的理论极限损耗常数并结合历史循环数据构建量化理论累积总损耗与真实报废极限物理状态偏差的全局误差目标函数；对喷嘴交叉激化权重系数、电极交叉激化权重系数以及跨阶段飞溅惩罚权重系数分别求解一阶偏导数，生成三维梯度方向向量，在执行梯度绝对值比对与上限限幅后迭代生成新一代喷嘴交叉激化权重系数、电极交叉激化权重系数以及跨阶段飞溅惩罚权重系数，并覆写至非易失性存储器中替换旧参数矩阵。

37、上述等离子切割易耗件寿命预测方法，通过同步离散化与出队指针滞后锁定操作实现电气参数与流体力学参数的时间轴同步；结合工作循环的时序边界识别，将时间轴划分为引弧段、稳态段与收弧段，并针对各段执行对应的微元积分计算生成总损耗量；随后结合预测模型输出剩余可执行切割循环次数，通过计算全局误差目标函数和偏导数对交叉耦合系数矩阵中的权重系数进行迭代更新，完成寿命预测计算。

38、本发明提供了一种等离子切割易耗件寿命预测系统及预测方法。具备以下有益效果：

39、1、本发明通过复用电气参数的高频采样时钟对流体力学相关的模拟信号进行转换，并结合计算出的离散数据点位偏移量对出队指针执行滞后锁定操作；该数据处理方式强制流体信号产生物理驻留时间，消除电信号与流体力学信号之间的数据获取时间偏差，实现不同物理场参数在同一时间轴上的坐标同步。

40、2、本发明基于等离子电弧与气流场的热力学平衡状态对单次切割循环执行动态时间切片，将时间轴划分为引弧段、稳态段与收弧段分别执行损耗微元积分，并提取电极与喷嘴的劣化特征计算交叉耦合系数矩阵；这种分段积分并引入交叉耦合系数的处理机制，量化不同工况阶段的具体物理损耗以及多个易耗部件之间的相互影响，提高总损耗数据计算的准确率。

41、3、本发明构建了针对预测算法参数的迭代寻优机制，通过结合历史循环数据与标定极限损耗常数构建全局误差目标函数，并对权重系数求解一阶偏导数生成梯度方向向量，进而迭代生成新的权重系数值并覆写至存储器；此设置使系统的交叉耦合系数能够依据真实的累积损耗偏差进行闭环校正，降低长期运行过程中的误差累积，维持寿命预测结果的有效性。