【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于磁悬浮分子泵运行监测，特别涉及一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统及方法。
技术介绍
1、磁悬浮分子泵是利用无摩擦磁悬浮原理实现长期安全、可靠、节能的稳定流量控制的分子泵技术。由于磁悬浮分子泵的采用无摩擦磁悬浮技术，相较于传统的机械轴承涡轮分子泵减少了振动和噪音，并能够长时间地稳定工作和实现更加精准的控制和调节。鉴于磁悬浮分子泵所具备的优异性能，磁悬浮分子泵被广泛应用在半导体工业等领域，例如用于蚀刻、离子注入以及光刻等环节的气体抽离以获取真空环境。
2、现有的磁悬浮分子泵监测，往往是对某个单一状态进行监测，且无法直观展示，技术人员不能实时获取分子泵的各部分运行状态，从而进行运行故障精准判断；同时，技术人员无法对磁悬浮分子泵整体周期性的运行过程进行分析，从而提前进行故障预警分析或寿命分析。现有的磁悬浮分子泵控制技术在国内尚未成熟，目前缺乏一种整体运行状态直观展示系统，从而进一步辅助研发。
技术实现思路
1、为了解决
技术介绍
中的问题，本专利技术基于数字孪生的概念，第一方面提出一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，包括分子泵物理系统、数字孪生模型映射系统及数字孪生信息处理系统；所述分子泵物理系统包括磁悬浮分子泵及温度传感器、电流传感器、位移传感器、分子泵转速传感器、振动传感器和真空规管，所述温度传感器、电流传感器、位移传感器集成于轴向磁力轴承和径向磁力轴承上；所述数字孪生模型映射系统包括通过三维建模软件建立的磁悬浮分子泵三维模型及人机交互界面，用于呈
2、优选的，所述通过三维建模软件建立的磁悬浮分子泵三维模型，是通过solidworks软件对磁悬浮分子泵进行建模；其中转子叶盘高速旋转，叶片根部会受到强大的离心力影响，且叶列由内圈向外圈所受离心力影响依次增大，为监测叶片在运转过程中是否会遭到破坏，对叶列结构进行仿真模拟分析；采用solidworks软件绘制转子圆盘三维模型并保存为x_t格式，使用ansys workbench软件中的static structural模块导入转子三维模型，设置转子材料属性以及额定转速，并在设计位置选取轴承支撑点，模拟分析叶片的应力、应变与位移，并可在数字孪生模型映射系统进行呈现。
3、优选的，所述数字孪生模型映射系统中集成有预警模块，温度设定范围为5℃到35℃，当温度传感器获取温度超过35℃时发出预警。
4、优选的，所述位移传感器设有9组；所述磁悬浮分子泵包括第一径向磁力轴承、第二径向磁力轴承和轴向磁力轴承，所述第一径向磁力轴承构建二维平面的xy轴坐标，其中4组位移传感器分别在xy轴坐标上相对设置；所述第二径向磁力轴承构建二维平面的ab轴坐标，其中4组位移传感器分别在ab轴坐标上相对设置；所述轴向磁力轴承沿轴向上为z轴，在其下方设置有1组位移传感器；9组位移传感器实时获取五轴坐标位置，并发送给数据处理模块，所述数据处理模块对获取的实时数据进行计算并生成状态结果，在磁悬浮分子泵三维模型上进行呈现，并将异常结果记录于数据存储模块以便于后期维护。
5、优选的，所述电流传感器用于获取径向磁力轴承以及轴向磁力轴承的线圈实时电流，并与所述存储模块内存储的出厂预设的转子悬浮控制电流比对，当出现异常时通过孪生模型映射系统的预警模块发出预警。
6、优选的，所述真空规管用于获取磁悬浮分子泵运行时的真空度，所述数据处理模块可将真空度的变化生成变化曲线图，记录于数据存储模块的同时可以通过人机交互界面进行呈现。
7、优选的，所述数据存储模块内存储有扰动分离扩张状态观测器模型，基于所述扰动分离扩张状态观测器，获取各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量，并在数字孪生模型映射系统中进行呈现；所述扰动分离扩张状态观测器模型的构建方法为：
8、获取质心位置处的转子动力学模型；基于所述转子动力学模型获取磁轴承位置处的不平衡振动模型；实时获取转子的位置信息，转换为磁轴承位置处的位移测量信号；基于所述不平衡振动模型和所述位移测量信号，建立系统模型；基于系统模型，建立系统模型信息辅助的扰动分离扩张状态观测器。
9、优选的，所述分子泵转速传感器用于获取获取磁悬浮分子泵运行时转子的实时转速，所述数据处理模块可将转速的变化生成变化曲线图，记录于数据存储模块的同时可以通过人机交互界面进行呈现。
10、优选的，所述振动传感器通过磁座固定于分子泵泵壳外，用于获取转子振动振幅的瞬态值，并通过数据处理模块用波形分析法生成某自由度方向磁悬浮转子的起浮波形图，记录于数据存储模块的同时可以通过人机交互界面进行呈现，使用者通过波形图对转子异常情况进行判断；
11、对于简谐振动来说，波形的数学方程式为：
12、x(t)＝a sin(wt+φ)＝a sin(2πft+φ)
13、式中，a为振动峰值，也称单振幅，发映振动的大小；w为角频率，表示振动的快慢，单位rad/s.w越大，说明振动越快；f为频率，单位赫兹，f＝w/2π；f的倒数称为周期t，单位为秒s；φ为初始相位角，φ反映波形的起始位置，φ＞0时，称相位超前；φ＜0时称相位滞后；x(t)为振动的瞬时幅值，单位与a相同；将转子上某一确定点作为相位参考点，则可知道振动波形上各瞬态值与转子各点的相对位置关系，而峰-峰值可用来表示振动的最大幅；转子振动波形有许多简谐振动分量合成；两个频率相同的简谐波的合成仍然是同一频率的简谐波形，但幅值和相位发生变化。
14、本专利技术第二方面提供了一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析方法，并包括以下过程：
15、通过建模软件建立磁悬浮分子泵三维模型，构建数字孪生模型映射系统；构建分子泵物理系统，包括磁悬浮分子泵及温度传感器、电流传感器、位移传感器、分子泵转速传感器、振动传感器和真空规管，所述温度传感器、电流传感器、位移传感器集成于轴向磁力轴承和径向磁力轴承上；构建数字孪生信息处理系统，包括数据存储模块、控制模块及数据处理模块；所述数据存储模块用于存储分子泵原始参数及实时变化参数；
16、运行时，通过分子泵控制器获取各传感器数据，并通过通信模块发送到数据处理模块，所述数据处理模块对获取的实时参数进行计算并生成状态结果，所述控制模块根据生成的状态结果对磁悬浮分子泵三维模型进行实时更新并呈现，当出现数据异常时，发出预警。
17、本专利技术公开了一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统及方法，与现有技术相比，具有如下有益效果：
18、本专利技术将数字孪生技术通过巧妙的设计应用于悬浮分子泵运行监测领域，通过各类传感器的合理设置(本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：包括分子泵物理系统、数字孪生模型映射系统及数字孪生信息处理系统；所述分子泵物理系统包括磁悬浮分子泵及温度传感器、电流传感器、位移传感器、分子泵转速传感器、振动传感器和真空规管，所述温度传感器、电流传感器、位移传感器集成于轴向磁力轴承和径向磁力轴承上；所述数字孪生模型映射系统包括通过三维建模软件建立的磁悬浮分子泵三维模型及人机交互界面，用于呈现实时的分子泵状态变化；所述数字孪生信息处理系统包括数据存储模块、控制模块及数据处理模块，所述数据存储模块用于存储分子泵原始参数及实时变化参数，所述控制模块通过分子泵控制器获取实时的传感器数据并发送到数据处理模块，所述数据处理模块对获取的实时参数进行计算并生成状态结果，所述控制模块根据生成的状态结果对磁悬浮分子泵三维模型进行实时更新并呈现。
2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述通过三维建模软件建立的磁悬浮分子泵三维模型，是通过solidworks软件对磁悬浮分子泵进行建模；其中转子叶盘高速旋转，叶片根部会受到强大的离心力影响，且
3.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述数字孪生模型映射系统中集成有预警模块，温度设定范围为5℃到35℃，当温度传感器获取温度超过35℃时发出预警。
4.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述位移传感器设有9组；所述磁悬浮分子泵包括第一径向磁力轴承、第二径向磁力轴承和轴向磁力轴承，所述第一径向磁力轴承构建二维平面的XY轴坐标，其中4组位移传感器分别在XY轴坐标上相对设置；所述第二径向磁力轴承构建二维平面的AB轴坐标，其中4组位移传感器分别在AB轴坐标上相对设置；所述轴向磁力轴承沿轴向上为Z轴，在其下方设置有1组位移传感器；9组位移传感器实时获取五轴坐标位置，并发送给数据处理模块，所述数据处理模块对获取的实时数据进行计算并生成状态结果，在磁悬浮分子泵三维模型上进行呈现，并将异常结果记录于数据存储模块以便于后期维护。
5.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述电流传感器用于获取径向磁力轴承以及轴向磁力轴承的线圈实时电流，并与所述存储模块内存储的出厂预设的转子悬浮控制电流比对，当出现异常时通过孪生模型映射系统的预警模块发出预警。
6.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述真空规管用于获取磁悬浮分子泵运行时的真空度，所述数据处理模块可将真空度的变化生成变化曲线图，记录于数据存储模块的同时可以通过人机交互界面进行呈现。
7.如权利要求4所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述数据存储模块内存储有扰动分离扩张状态观测器模型，基于所述扰动分离扩张状态观测器，获取各通道的位移、不平衡量及其他扰动参量，并在数字孪生模型映射系统中进行呈现；所述扰动分离扩张状态观测器模型的构建方法为：
8.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述分子泵转速传感器用于获取获取磁悬浮分子泵运行时转子的实时转速，所述数据处理模块可将转速的变化生成变化曲线图，记录于数据存储模块的同时可以通过人机交互界面进行呈现。
9.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述振动传感器通过磁座固定于分子泵泵壳外，用于获取转子振动振幅的瞬态值，并通过数据处理模块用波形分析法生成某自由度方向磁悬浮转子的起浮波形图，记录于数据存储模块的同时可以通过人机交互界面进行呈现，使用者通过波形图对转子异常情况进行判断；
10.一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析方法，其特征在于，并包括以下过程：
...【技术特征摘要】
1.一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：包括分子泵物理系统、数字孪生模型映射系统及数字孪生信息处理系统；所述分子泵物理系统包括磁悬浮分子泵及温度传感器、电流传感器、位移传感器、分子泵转速传感器、振动传感器和真空规管，所述温度传感器、电流传感器、位移传感器集成于轴向磁力轴承和径向磁力轴承上；所述数字孪生模型映射系统包括通过三维建模软件建立的磁悬浮分子泵三维模型及人机交互界面，用于呈现实时的分子泵状态变化；所述数字孪生信息处理系统包括数据存储模块、控制模块及数据处理模块，所述数据存储模块用于存储分子泵原始参数及实时变化参数，所述控制模块通过分子泵控制器获取实时的传感器数据并发送到数据处理模块，所述数据处理模块对获取的实时参数进行计算并生成状态结果，所述控制模块根据生成的状态结果对磁悬浮分子泵三维模型进行实时更新并呈现。
2.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述通过三维建模软件建立的磁悬浮分子泵三维模型，是通过solidworks软件对磁悬浮分子泵进行建模；其中转子叶盘高速旋转，叶片根部会受到强大的离心力影响，且叶列由内圈向外圈所受离心力影响依次增大，为监测叶片在运转过程中是否会遭到破坏，对叶列结构进行仿真模拟分析；采用solidworks软件绘制转子圆盘三维模型并保存为x_t格式，使用ansys workbench软件中的static structural模块导入转子三维模型，设置转子材料属性以及额定转速，并在设计位置选取轴承支撑点，模拟分析叶片的应力、应变与位移，并可在数字孪生模型映射系统进行呈现。
3.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述数字孪生模型映射系统中集成有预警模块，温度设定范围为5℃到35℃，当温度传感器获取温度超过35℃时发出预警。
4.如权利要求1所述的一种基于数字孪生的磁悬浮分子泵运行分析系统，其特征在于：所述位移传感器设有9组；所述磁悬浮分子泵包括第一径向磁力轴承、第二径向磁力轴承和轴向磁力轴承，所述第一径向磁力轴承构建二维平面的xy轴坐标，其中4组位移传感器分别在x...
【专利技术属性】
技术研发人员：崔汉宽，王占杰，
申请(专利权)人：上海富玖帕精密设备有限公司，
类型：发明
国别省市：
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