一种面向微纳定位平台的剩余使用寿命预测方法与流程
本发明涉及一种面向微纳定位平台的剩余使用寿命预测方法。
背景技术：
微纳定位技术在现代科学及工业中占据着越来越重要的地位，已成为半导体工程、微机电系统、生物医学以及超精密工程领域的关键技术。作为微纳定位技术中的关键使能部件，微纳定位平台能提供微米级的行程同时保持纳米级分辨率高的运动精度。而微纳定位平台其组成部件在长时间的使用中会出现疲劳损伤的现象，同时定位平台在工作中又受到湿度、温度、电磁干扰等环境因素的影响，这些因素会导致微纳定位平台的精度降低、性能退化。目前国内外对于微纳定位平台状态监测以及寿命方面的研究还属于空白领域。因此对微纳定位平台的剩余使用寿命实现实时在线的预测尤为重要。
技术实现要素：
为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种面向微纳定位平台的剩余使用寿命预测方法，该方法根据平台动力学模型和损伤力学理论建立系统刚度、运行时间、失效时间之间的寿命预测模型，并通过实时在线监测的微纳定位平台的刚度变化来实现平台剩余使用寿命的预测。
本发明公开的一种面向微纳定位平台的剩余使用寿命预测方法，包括：
微纳定位平台的动力学建模：建立微纳定位平台的动力学模型，确定能够实时反映微纳定位平台性能退化的监测参数系统刚度；
疲劳损伤累积模型的建立：根据微纳定位平台组成部件的机械特性和损伤力学理论建立疲劳损伤累积模型，定量描述所述的微纳定位平台疲劳损伤累积过程中，运行时间与损伤刚度的数学关系；
预测模型的建立：将实时监测平台性能退化的监测参数系统刚度与上述建立的疲劳损伤累积模型联立构建能够实时监测与预测微纳定位平台寿命的预测模型；
微纳定位平台的寿命监测与预测：根据预测模型的系统参数预测残差辨识模型中最佳的系统参数，并实现对微纳定位平台的最终寿命预测。
进一步的，所述微纳定位平台的动力学建模步骤，其具体过程包括：
根据压电陶瓷驱动的微纳定位平台的组成以及基尔霍夫定律和牛顿定律，建立压电陶瓷驱动的微纳定位平台的动力学模型，然后根据比例阻尼的特性，微纳定位平台在实际的工作中没有质量的变化，故等效质量不变看作为常数，因此等效阻尼可由系统的等效刚度表征，从而确定微纳定位平台的性能退化参数为系统刚度k。
进一步的，所述的压电陶瓷驱动的微纳定位平台主要是由机械部分和电路部分组合而成机电耦合系统，根据基尔霍夫定律和牛顿定律，压电陶瓷驱动的微纳定位平台的动力学模型可以建立如下：
其中：
上式中，a3、a2、a1、a0、b0均为动力学模型的参数，t表示时间变量，u为输入的电压，x为微纳定位平台的输出位移，m、k、b为微定位平台系统的等效质量、刚度、阻尼，c为压电陶瓷的电容，r、kamp分为压电驱动放大电路的等效电阻和增益，tpe为机电转化器的转化效率，h(q)为等效电路中的非线性磁滞效应。
同时，根据比例阻尼的特性：b＝αkk+βmm，微纳定位平台在实际的工作中没有质量的变化，故等效质量m不变可以看作为常数，因此等效阻尼b可以由系统的等效刚度k表征，从而可以确定微纳定位平台的性能退化参数为系统刚度k。
进一步的，所述疲劳损伤累积模型的建立，其具体过程包括：
建立微纳定位平台刚度公式；在损伤力学理论中参考体积单元的定义下，定义下损伤因子；将一个系统的损伤刚度看作由一系列参考体积单元组成；基于损伤曲线法，建立非线性疲劳损伤累积模型；联立系统的损伤刚度公式和非线性疲劳损伤累积模型公式，得到损伤刚度与运行时间和失效时间的关系。
进一步的，整个微纳定位平台的系统刚度k＝ku+kd，其中ku表示微纳定位平台中的不损伤部分；kd表示随着运行时增加损伤退化逐渐增大的部分；损伤部分的刚度kd在初始状态与最终损伤状态分别定义为kd0、kdf；微纳定位平台失效通常定义为损伤部分的刚度完全消耗完，也就是kdf＝0。
根据损伤理论：在损伤力学理论中参考体积单元的定义下，损伤因子通常定义为
其中k是参考体积单元在第n个运行循环下的系统刚度，k0是参考体积单元在初始状态下的系统刚度，kf是在最终状态下的系统刚度，比例因子c1定义为c1＝k0/(k0-kf)。
一个系统的损伤刚度可以看作由一系列参考体积单元组成，
对于微纳定位平台，平台系统的损伤刚度kd等于系统参考体积单元的刚度∑k，即∑k＝kd。同样的，在初始状态时，kd0＝∑k0。
疲劳损伤累积模型：基于损伤曲线法，建立非线性疲劳损伤累积模型：
其中，n为运行时间(循环)，nf失效时间(循环)，q是与平台材料结构相关的因子；联立公式(3)和公式(4)，得到损伤刚度与运行时间和失效时间的关系为：
进一步的，所述预测模型的建立，其具体过程包括：
基于实时监测刚度退化的寿命预测模型：因微纳定位平台监测的系统刚度k由不损伤的部分ku与损伤的部分kd组成，且损伤刚度与运行时间和失效时间的关系建立在上述公式(5)中，由此可得到
其中，
在实际应用中，系统的失效时间因其受环境的影响大且具有高的不确定性、偶然性，因此将系统的刚度完全失效时的时间定义为系统的理论寿命nfe。这样系统的刚度完全失效时的极限状态可以表示为k→0，则公式(6)的极限状态可以表示为：
其中，理论寿命可以被定义为：
寿命预测模型：基于刚度退化的寿命预测模型可以由公式(6)转化得到：
进一步的，所述微纳定位平台的寿命监测与预测，其具体过程包括：
简化性能退化参数的监测：由上述的寿命预测模型公式(9)可以看到，微纳定位平台的系统刚度比
微纳定位平台的剩余使用寿命预测：首先量化模型参数q(q∈[2，10])，使用监测的系统刚度比序列
本发明的有益效果如下：
本发明公开的一种面向微纳定位平台的剩余使用寿命预测方法可以实时在线的监测平台系统的刚度变化，并根据损伤理论退化模型建立性能退化寿命预测的模型，从而实现平台剩余使用预测，进而智能化、高效化的实施维修安排和采取维修措施，提高设备和产品的可靠性、安全性、质量以及生产率等。
本发明建立了微纳定位平台的平台动力学模型，研究并确定能反映平台失效形式的性能退化参数，依据损伤力学理论构建了疲劳损伤累积模型，并联立构建了微纳平台性能退化模型，可以实现实时在线剩余使用寿命预测。该方法在实际工程应用中具有很好的潜力，且目前对于微纳定位平台的剩余使用寿命监测还属于空白。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为研究的微纳定位平台的机电耦合模型：左边为的模型为电路等效模型，右边的模型为机械传动模型；
图2为微纳定位平台的系统刚度；
图3为基于损伤曲线法的非线性疲劳损伤累积模型；
图4(a)、图4(b)、图4(c)、图4(d)为微纳定位平台运行时间与系统刚度在寿命预测模型不同参数q下的关系：图4(a)q＝3，图4(b)q＝5，图4(c)q＝7，图4(d)q＝10；
图5(a)、图5(b)本发明应用于微纳定位平台实时监测的输入电压信号和输出位移信号：图5(a)输入电压信号，图5(b)输出位移信号；
图6本发明应用于微纳定位平台实时监测的输入电压信号与输出位移信号的关系；
图7(a)、图7(b)本发明应用于微纳定位平台实时监测的模型参数a0与相应的系统刚度比：图7(a)监测的模型参数a0，图7(b)监测的系统刚度比
图8(a)、图8(b)、图8(c)本发明应用于微纳定位平台辨识的模型参数q的累积残差的相关变化趋势：图8(a)累积残差eq，图8(b)累积残差增量eq+1-eq，图8(c)累积残差增量比
图9本发明应用于微纳定位平台实时监测的寿命预测模型实例。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种面向微纳定位平台的剩余使用寿命预测方法，包括：
微纳定位平台的动力学建模：建立微纳定位平台的动力学模型，确定能够实时反映平台系统性能退化的监测参数系统刚度。
损伤力学模型的建立：根据微纳定位平台组成部件的机械特性和损伤力学理论建立疲劳损伤累积模型，定量描述平台疲劳损伤累积过程中，运行时间与损伤刚度的数学关系。
基于实时的性能退化监测：将实时监测平台性能退化参数系统刚度与上述建立的疲劳损伤模型联立构建能够实时监测与预测微纳定位平台寿命的预测模型。
微纳定位平台的寿命监测与预测：根据预测模型系统参数的预测残差辨识模型中最佳的系统参数，并实现对微纳定位平台的最终寿命预测。
进一步的，所述微纳定位平台的动力学建模步骤，其具体过程包括：
压电陶瓷驱动的微纳定位平台主要是由机械部分和电路部分组合而成机电耦合系统，如图1所示。根据基尔霍夫定律和牛顿定律，压电陶瓷驱动的微纳定位平台的动力学模型可以建立如下：
其中：
t表示时间变量，u为输入的电压，x为微纳定位平台的输出位移，m、k、b为微定位平台系统的等效质量、刚度、阻尼，c为压电陶瓷的电容，r、kamp分为压电驱动放大电路的等效电阻和增益，tpe为机电转化器的转化效率。h(q)为等效电路中的非线性磁滞效应。
同时，根据比例阻尼的特性：b＝αkk+βmm，，微纳定位平台在实际的工作中没有质量的变化，故等效质量m不变可以看作为常数，因此等效阻尼可以由系统的等效刚度表征，从而可以确定压电陶瓷驱动微纳定位平台的性能退化参数为系统刚度k。
进一步的，所述损伤力学模型的建立，其具体过程包括：
系统刚度组成：微纳定位平台中的压电陶瓷与机械构件部分的系统刚度可以看作由两个不同的部分组成：一个是不损伤的部分ku，即在整个平台的生命周期内均不会产生损伤；另一个部分是随着运行时增加损伤退化逐渐增大的部分kd，如图2所示。这样整个微纳定位平台的系统刚度k＝ku+kd。这里损伤部分的刚度kd在初始状态与最终损伤状态分别定义为kd0、kdf。微纳定位平台失效通常定义为损伤部分的刚度完全消耗完，也就是kdf＝0。
损伤理论：在损伤力学理论中参考体积单元的定义下，损伤因子通常定义为
其中k是参考体积单元在第n个运行循环下的系统刚度，k0是参考体积单元在初始状态下的系统刚度，kf是在最终状态下的系统刚度，比例因子c1定义为c1＝k0/(k0-kf)。
一个系统的损伤刚度可以看作由一系列参考体积单元组成，
对于微纳定位平台，平台系统的损伤刚度kd等于系统参考体积单元的刚度∑k，即∑k＝kd。同样的，在初始状态时，kd0＝∑k0。
疲劳损伤累积模型：系统疲劳损伤累积模型主要为基于损伤曲线法的非线性疲劳损伤累积模型：
其中，n为运行时间(循环)，nf失效时间(循环)，q是与平台材料结构相关的因子，如图5(a)、图5(b)所示。联立公式(3)和公式(4)，可以得到损伤刚度与运行时间和失效时间的关系为：
进一步的，所述基于实时的性能退化监测，其具体过程包括：
基于实时监测刚度退化的寿命预测模型：因微纳定位平台监测的系统刚度k由不损伤的部分ku与损伤的部分kd组成，且损伤刚度与运行时间和失效时间的关系建立在上述公式(5)中，由此可得到
其中，
在实际应用中，系统的失效时间因其受环境的影响大且具有高的不确定性、偶然性，因此将系统的刚度完全失效时的时间定义为系统的理论寿命nfe。这样系统的刚度完全失效时的极限状态可以表示为k→0，则公式(6)的极限状态可以表示为：
其中，理论寿命可以被定义为：
寿命预测模型：基于刚度退化的寿命预测模型可以由公式(6)转化得到：
进一步的，所述微纳定位平台的寿命监测与预测，其具体过程包括：
简化性能退化参数的监测：由上述的寿命预测模型公式(9)可以看到，微纳定位平台的系统刚度比
微纳定位平台的剩余使用寿命预测：首先量化模型参数q(q∈[2，10])，使用监测的系统刚度比序列
方法效果验证：
下面展示一种面向微纳定位平台的剩余使用寿命预测的实例。
实时监测的微纳定位平台的输入电压和输出位移，其中图5(a)表示系统输入的电压，图5(b)表示系统输出的位移。一段时间下，系统输入电压与输出位移之间的关系如图6所示。再利用图6中a阶段的输入电压与输出位移的关系来实现对系统的参数a0的监测提取，监测的参数a0如图7(a)所示，相应的系统刚度
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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