一种监测一体化直线伺服关节状态的方法、系统、设备及介质

本发明属于精密制造，具体涉及一种监测一体化直线伺服关节状态的方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、机电作动系统因其高功率密度与易控性，已广泛应用于航空航天及高端装备领域。随着结构设计的演进，无框电机与反向式行星滚柱丝杠（iprs）高度集成的“一体化直线伺服关节”成为主流趋势。该结构去除了传统的外部减速齿轮箱与长柔性传动轴，将电机转子、旋转螺母与定位齿轮集成为同体刚性旋转构件。

2、近年来，针对行星滚柱丝杠的耦合激励动力学建模已取得初步进展。例如，相关研究构建了融合齿轮啮合激励以及螺纹变形的动载荷分布模型，揭示了齿轮副啮合激励与滚柱公转惯性力对螺纹副动载荷的耦合影响机理；同时，现有公开专利cn120449352a公开了面向行星滚柱丝杠的齿轮-螺纹耦合激励动力学建模方法，其侧重于动载荷分布的建模精度，未延伸至面向状态监测的信号传递机制与微弱故障特征提取。

3、针对螺旋副这一类的深腔内部核心执行机构的早期隐蔽磨损诊断，现有技术仍面临以下三大技术瓶颈：

4、其一，全封闭结构导致低频冲击信号难以提取。一体化伺服关节结构紧凑且高防护密封，难以在深腔内部布置接触式传感器。现有监测多在外部壳体盲目搜索低频特征，未察觉到在同体刚性结构下，内部低频碰摩能量会动力学映射并调制于定位齿轮的高频特征信号上，低频搜索常因能量微弱且被宏观机械噪声掩蔽而失效。

5、其二，缺乏空间真实摩擦解耦与非对称演化机理支撑。传统的机电动力学模型多采用一维纯扭转近似假设，无法在三维空间尺度上将螺旋接触界面的总动态摩擦力解耦为轴向推力与周向切力。此外，现有模型多局限于轴对称均匀分布假设，导致各滚柱激发的低频振动向量在理论计算中发生“对称抵消”，无法真实还原内部故障特征基频的爆发机制。

6、其三，强非线性特征导致动力学仿真求解极易发散。真实的全寿命磨损退化分析必须引入包含时变间隙死区与摩擦软化效应的复杂接触模型。在常规隐式积分中，高频次显式调用多圈螺纹形变协调方程不仅引发雅可比矩阵奇异，易产生高频数值颤振与死锁，导致扫描仿真面临计算维数灾难。

7、因此，本技术预期一种基于一体化直线伺服关节动力学映射与频域特征解耦的状态监测方法。

技术实现思路

1、为了解决现有技术中存在一体化直线伺服关节有内部隐蔽磨损诊断困难、外部微弱信号特征难以提取的问题，本发明提供一种监测一体化直线伺服关节状态的方法、系统、设备及介质。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、在第一方面，本公开实施例提供一种监测一体化直线伺服关节状态的方法，包括以下步骤：

4、步骤s1：构建一体化直线伺服关节的全链路多体动力学拓扑架构，并基于全链路多体动力学拓扑架构建立一体化动力学映射模型；

5、步骤s2：基于所述一体化动力学映射模型提取螺旋界面的退化特征，设定表征不同服役阶段的磨损深度参数，结合随螺母旋转角度时变分布的非对称偏载分布模型构建接触界面的非线性有效变形函数，并基于非线性有效变形函数得到有效接触变形量；

6、步骤s3：预先遍历所述有效接触变形量与预设的摩擦系数范围，对每一组有效接触变形量和摩擦系数，基于多圈螺纹形变协调方程计算离散的等效接触刚度散点数据，并将离散的等效接触刚度散点数据投射封装为双变量正交网格插值曲面；

7、步骤s4：根据实时的切向滑动速度，通过预设的摩擦-速度映射关系确定瞬时摩擦系数；以当前时刻的有效接触变形量和所述瞬时摩擦系数为输入，在所述双变量正交网格插值曲面上进行插值，得到瞬时等效接触刚度；在动力学隐式积分的时间步内，由所述瞬时等效接触刚度与有效接触变形量按胡克定律计算接触弹性力，并将所述接触弹性力反馈至系统动力学方程中进行隐式迭代求解，得到当前时间步伺服关节的瞬时运动状态；

8、步骤s5：基于所述瞬时运动状态中的速度信息合成共轭接触面切向方向的相对滑动速度，提取所述一体化直线伺服关节中螺旋接触面的局部法向单位向量；将所述接触弹性力沿所述局部法向单位向量方向投影，得到法向总接触力矢量；基于所述法向总接触力矢量与所述相对滑动速度，采用正则化摩擦模型生成摩擦激振力矢量，并对摩擦激振力矢量进行以法向、周向和轴向为基准的三维空间正交解耦，分别获得周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量；

9、步骤s6：将所述周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量作为外部激励，代入所述一体化动力学映射模型所对应的系统微分方程组中进行数值求解，得到伺服关节的动力学响应；沿螺旋传动接触界面的螺旋线路径，对所述动力学响应中各离散接触点的物理量时间历程数据进行空间同步采样与重构，生成接触界面的状态时空分布结果；

10、步骤s7：在所述一体化直线伺服关节上预设监测靶点，根据监测靶点的空间坐标，从所述接触界面的状态时空分布结果中提取监测靶点处的振动响应信号；对所述响应信号进行高频载波包络解调分析，得到故障特征频率，并基于故障特征频率构建多源故障演化映射图谱，基于多源故障演化映射图谱得到一体化直线伺服关节的状态监测结果。

11、进一步的，所述全链路多体动力学拓扑架构包括：无框电机、集成定位齿轮和反向式行星滚柱丝杠机构的平动与扭转自由度坐标系；

12、将所述一体化直线伺服关节的无框电机的转子、旋转螺母和定位齿轮配置为同体刚性旋转构件，基于同体刚性旋转构件的平动与扭转自由度坐标系，以及旋转螺母的旋转角度时变分布的非对称偏载磨损参数构建一体化动力学映射模型。

13、进一步的，得到所述有效接触变形量时，包括：

14、计算初始接触变形量，包括：

15、；

16、式中，为任意一对共轭传动部件在法向的理论几何干涉量；为磨损流失深度参数；为偏载磨损非对称系数；为第个滚柱的初始周向安装相位；为旋转螺母的运转角速度；

17、对所述初始接触变形量进行判断，若＞0，则作为剔除磨损间隙后的有效接触变形量，表示共轭部件处于真实接触状态，能够传递法向弹性力与阻尼力，若≤0时，则判定接触副完全落入磨损间隙内，法向接触弹性力与阻尼力强制归零，此刻在系统动力学方程中表现为接触力的间断性消失与恢复，引入跨越间隙边界时的交变冲击非线性行为并转化为系统微分方程组中的时变冲击激励源。

18、进一步的，生成所述双变量正交网格插值曲面时，包括以下步骤：

19、基于带阻尼的信赖域非线性优化算法，对旋转螺母的螺纹载荷分布进行形变协调迭代，获取非均匀受力状态下离散散点形式的等效切向与法向啮合刚度，作为离散的等效接触刚度散点数据；

20、提取离散的等效接触刚度散点数据的一维变形量坐标与一维摩擦系数坐标，生成二维正交网格，基于二维正交网格通过张量积生成二维正交网格流形；

21、通过原始散点插值器评估所述二维正交网格流形的正交网格节点处的刚度矩阵，并将评估结果封装，生成基于内存地址寻址的双变量正交网格插值曲面。

22、进一步的，得到所述周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量时，包括以下步骤：

23、提取所述一体化直线伺服关节的螺旋接触面的局部法向单位向量，基于局部法向单位向量得到螺旋切向方向的几何投影系数，将所述接触弹性力沿所述局部法向单位向量方向投影时，将所述接触弹性力除以几何投影系数反演出瞬时法向总接触矢量；

24、提取所述一体化直线伺服关节的共轭接触面切向方向的相对滑动速度，将相对滑动速度代入stribeck模型得到实时的滑动摩擦系数；

25、基于所述瞬时法向总接触力、相对滑动速度和实时的滑动摩擦系数构建包含指数型启动缓坡与双曲正切方向函数的正则化的摩擦激振力矢量：

26、；

27、式中，为启动缓坡时间常数，为速度容差带常数；

28、将表征螺旋形貌的螺纹升角作为空间变换算子，基于空间变换算子将所述摩擦激振力矢量以法向、周向和轴向为基准的三维空间正交解耦，得到周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量。

29、进一步的，得到接触界面的状态时空分布结果时，包括以下步骤：

30、将所述周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量作为外部激励，结合载荷-刚度硬化效应，构建所述一体化动力学映射模型所对应的系统微分方程组，所述系统微分方程组中依据对所述有效接触变形量的判定结果，在每一时间步内对螺旋传动各接触副的弹性力与阻尼力进行接触与脱离状态切换，作为伺服关节的动力学响应；

31、采用隐式积分求解器对所述系统微分方程组进行自适应变步长数值求解，得到螺旋传动接触界面上各离散位置的物理量时间历程数据；

32、沿所述螺旋传动接触界面的螺旋线路径，对所有离散接触点的物理量时间历程数据进行空间同步采样与重构，生成所述接触界面的状态时空分布结果；所述状态时空分布结果包含接触力、滑动速度及接触状态标识的时空四维数据集。

33、进一步的，得到所述状态监测结果时，包括以下步骤：

34、在所述一体化直线伺服关节的壳体或定位端设置预设监测靶点，在根据监测靶点的空间坐标，从所述状态时空分布结果中插值提取该靶点位置处的宽频振动响应信号；

35、基于所述宽频振动相应信号锁定定位齿轮的高频特征频率，宽频振动响应信号进行以所述高频载波频带为中心的包络解调分析，提取因磨损间隙冲击产生的低频冲击特征；

36、基于所述低频冲击特征构建基于单一监测靶点的多源故障演化映射图谱，依据多源故障演化映射图谱中特征频率能量变化与趋势特征，得到一体化直线伺服关节的状态监测结果。

37、在第二方面，本公开实施例提供一种监测一体化直线伺服关节状态的系统，包括：

38、预处理单元，被配置为构建一体化直线伺服关节的全链路多体动力学拓扑架构，并基于全链路多体动力学拓扑架构建立一体化动力学映射模型；

39、初始化单元，被配置为基于所述一体化动力学映射模型提取螺旋界面的退化特征，设定表征不同服役阶段的磨损深度参数，结合随螺母旋转角度时变分布的非对称偏载分布模型构建接触界面的非线性有效变形函数，并基于非线性有效变形函数得到有效接触变形量；

40、离线单元，被配置为预先遍历所述有效接触变形量与预设的摩擦系数范围，对每一组有效接触变形量和摩擦系数，基于多圈螺纹形变协调方程计算离散的等效接触刚度散点数据，并将离散的等效接触刚度散点数据投射封装为双变量正交网格插值曲面；

41、运算单元，被配置为根据实时的切向滑动速度，通过预设的摩擦-速度映射关系确定瞬时摩擦系数；以当前时刻的有效接触变形量和所述瞬时摩擦系数为输入，在所述双变量正交网格插值曲面上进行插值，得到瞬时等效接触刚度；在动力学隐式积分的时间步内，由所述瞬时等效接触刚度与有效接触变形量按胡克定律计算接触弹性力，并将所述接触弹性力反馈至系统动力学方程中进行隐式迭代求解，得到当前时间步伺服关节的瞬时运动状态；

42、解耦单元，被配置为基于所述瞬时运动状态中的速度信息合成共轭接触面切向方向的相对滑动速度，提取所述一体化直线伺服关节中螺旋接触面的局部法向单位向量；将所述接触弹性力沿所述局部法向单位向量方向投影，得到法向总接触力矢量；基于所述法向总接触力矢量与所述相对滑动速度，采用正则化摩擦模型生成摩擦激振力矢量，并对摩擦激振力矢量进行以法向、周向和轴向为基准的三维空间正交解耦，分别获得周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量；

43、重构单元，将所述周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量作为外部激励，代入所述一体化动力学映射模型所对应的系统微分方程组中进行数值求解，得到伺服关节的动力学响应；沿螺旋传动接触界面的螺旋线路径，对所述动力学响应中各离散接触点的物理量时间历程数据进行空间同步采样与重构，生成接触界面的状态时空分布结果；

44、输出单元，被配置为在所述一体化直线伺服关节上预设监测靶点，根据监测靶点的空间坐标，从所述接触界面的状态时空分布结果中提取监测靶点处的振动响应信号；对所述响应信号进行高频载波包络解调分析，得到故障特征频率，并基于故障特征频率构建多源故障演化映射图谱，基于多源故障演化映射图谱得到一体化直线伺服关节的状态监测结果。

45、在第三方面，本公开实施例提供一种电子设备，其特征在于，该电子设备包括：

46、至少一个处理器；以及，

47、与该至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

48、该存储器存储有可被该至少一个处理器执行的指令，该指令被该至少一个处理器执行，以使该至少一个处理器能够执行所述的监测一体化直线伺服关节状态的方法。

49、在第四方面，本公开实施例提供一种非暂态计算机可读存储介质，其特征在于，该非暂态计算机可读存储介质存储计算机指令，该计算机指令用于使该计算机执行所述的监测一体化直线伺服关节状态的方法。

50、与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

51、本发明提供一种监测一体化直线伺服关节状态的方法、系统、设备及介质，本方法通过提取螺旋界面的退化特征并设定磨损深度参数，结合随螺母旋转角度时变分布的非对称偏载分布模型，构建非线性有效变形函数以获取有效接触变形量；进而预先遍历有效接触变形量与摩擦系范围，基于多圈螺纹形变协调方程计算离散等效接触刚度并封装为双变量正交网格插值曲面。运行时，根据实时切向滑动速度由预设摩擦-速度映射关系确定瞬时摩擦系数，以当前有效接触变形量和该瞬时摩擦系数为输入在插值曲面上获取等效接触刚度，并按胡克定律计算接触弹性力反馈至系统动力学方程进行隐式迭代求解。这一推导过程将磨损退化、非对称偏载与接触刚度的非线性时变特性耦合到统一的动力学求解框架中，使得磨损状态的微小变化能实时反映为接触弹性力的差异。同时，本方法将周向摩擦切力分量与轴向摩擦推力分量作为外部激励，代入一体化动力学映射模型的系统微分方程组进行数值求解得到伺服关节的动力学响应，并沿螺旋线路径对各离散接触点的物理量时间历程进行空间同步采样与重构，生成接触界面的状态时空分布结果；在预设监测靶点处直接从该时空分布中提取振动响应信号，进行高频载波包络解调分析提取故障特征频率，最终构建多源故障演化映射图谱获得状态监测结果。这一推导链条，实现了螺旋副内部非可测区域接触状态的时空可视化与故障预判，使得状态监测的全面性和早期预警能力得到大幅增强。