清华大学研究团队提出基于数字孪生的旋转超声加工系统监测与控制新方法

清华大学研究团队提出基于数字孪生的旋转超声加工系统监测与控制新方法

旋转超声加工（RUM）是一种先进的加工技术，能够有效提高加工效率和表面质量。然而，由于缺乏可靠的状态监测和控制方法，该技术的广泛应用受到限制。近日，清华大学机械工程系的研究团队在《机械系统信号处理》期刊上发表了一篇重要研究论文，提出了一种基于数字孪生的无传感器切削力监测与振动稳定性控制方法，为RUM技术的智能化发展提供了新的解决方案。

研究背景与意义

旋转超声加工（RUM）因其能够提高加工效率和表面质量而成为加工难切削材料的优越技术。刀具振动幅度及其在加工过程中的稳定性对于保证RUM的性能至关重要。然而，由于缺乏可靠的状态监测和控制方法，操作人员无法及时识别和解决振动损失问题，极大地限制了RUM的广泛工业应用。

研究内容与方法

近期，清华大学机械工程系的王健健副教授、冯平法教授、张建富教授、张翔宇助理研究员、兰天博士（第一作者）等在机械领域期刊《机械系统信号处理》（Mechanical Systems and Signal Processing, MSSP）上共同发表《旋转超声加工系统的基于数字孪生的无传感器切削力监测与振动稳定性控制》的研究论文。

研究团队提出了一种数字孪生方法来监测和控制RUM系统的状态。首先建立了RUM系统的双模型，该模型描述了系统在共振状态下工作时驱动电变量、振幅和外部负载之间的关系。使用电信号的频率跟踪算法使RUM在谐振状态下工作，这确保了双模型始终与物理RUM系统对齐。并且可以实时推导出实际振动幅度和外部载荷。然后，提出了一种电压调节方法，使实际振动幅度接近其空闲值，并更新切削力。采用上述方法，无需额外的传感器即可实时监测切削力和振动幅度，从而提高振动稳定性。最后，进行了加载和钻孔实验，以验证所提出的数字孪生方法的有效性。

数字孪生系统结构

数字孪生驱动系统由三层组成：物理层、通信层和数字层，如图1所示。物理层是RUM机床，由电源、松耦合非接触式电力传输（LCCPT）、超声波换能器、超声波喇叭和工具组成。通信层由感知单元和控制单元构成。感知单元用于收集电源的电信号，包括电压、电流和相位。控制单元用于将包括驱动频率和电压在内的控制参数发送回电源。数字层包括两个数学模型。一个是共振状态下RUM系统的双模型，它描述了电源的电信号、输出振幅和切削力之间的关系。另一种是频率跟踪模型，它描述了电源的电信号与谐振频率之间的隐式关系。这些模型是数字孪生的核心部分，使RUM系统智能化。

图1 数字孪生系统结构

开发的数字孪生平台以及数字空间和物理空间的相互作用如图2所示。切削力监测和振动控制模块采用FPGA。FPGA的DDS模块是向DAC模块发送不同频率和电压值的数字信号的电源。DAC模块将数字信号转换为模拟信号，通过双通道放大器驱动超声换能器。使用采样电路实时收集超声换能器的电信号。然后，收集到的电信号通过ADC模块反馈给控制模块。控制模块通过使用第2节中提出的数字孪生方法来调节系统并监测RUM系统的切削力。

图2 数字孪生系统

实验验证与结果分析

为了验证所提出的数字孪生方法在振动稳定性控制中的性能，研究团队采用压电陶瓷片间接测量工具的振动幅度。图3a-b显示了刀具振动的测量原理。压电陶瓷片粘在喇叭的大端。压电片的输出电压与外部施加的位移呈近似正比关系。对换能器在不同驱动频率下的谐波响应进行了有限元分析，得到了变幅杆大端与刀具的振动幅度之间的关系。通过改变驱动频率，可以获得变幅杆和刀具大端的不同振幅。模拟中使用的驱动频率范围为20200 Hz至20400 Hz，频率步长为20 Hz。仿真结果如图3b所示。可以发现，刀具的振动幅度与变幅杆大端的振动幅度成正比。因此，压电片的输出电压由于其比例相关性而可用于测量工具的振动幅度。

图3 实际振幅测量方法

通过钻孔实验验证了所提出的数字孪生方法在加工过程中用于切削力监测和振动稳定性控制的有效性。图4对预测和测量的切削力进行了比较。在所有钻孔参数下，钻孔过程中切削力的移动平均值与测力计的测量值高度一致。在许多情况下，如图4b所示，切削力在整个钻孔过程中会因一些随机因素（包括润滑条件）而动态变化。在这些情况下，预测的切削力也可以捕捉到切削力的变化趋势。这些结果验证了所提出的数字孪生方法可以有效地监测复杂动态变化条件下的切削力。通过使用所提出的方法，可以在钻孔过程中可靠地保持RUM系统的振动稳定性。

图4 测力仪与数字孪生系统的切削力

图5比较了不同控制方法下RUM系统在钻孔过程中的振幅变化。可以发现，对于所有钻孔参数，本研究提出的方法显示出最佳的振幅控制性能。当使用所提出的方法时，RUM系统的实际超声振幅将在非常小的范围内减小，并保持稳定的输出水平。相比之下，当系统在不使用任何振幅控制方法的情况下被驱动时，RUM系统的振动振幅会显著衰减。即使RUM系统仅用频率跟踪方法驱动，实际振动幅度也会显著降低。

图5 钻孔实验实际振幅测量结果

同时所提出的数字孪生方法可以在大范围的外部负载下实现良好的力监测精度和稳定的振动幅度。图6显示了加载实验的结果，可以发现，随着施加负载的增加，RUM系统在不使用任何控制方法的情况下会迅速失去超声振动。当仅使用频率跟踪方法时，RUM系统可以保持超声振动，但其实际超声振幅随着施加负载的增加而显著衰减。相比之下，使用本研究提出的方法可以保持振动幅度稳定。这些结果验证了所提出的方法在大范围外部载荷的力监测和振动稳定性控制中的有效性。与之前仅关注RUM系统频率跟踪的研究相比，采用数字孪生方法的RUM系统的幅度稳定性也得到了显著提高。

图6 加载实验结果

研究结论与展望

1. 提出了一种数字孪生方法来监测和控制RUM系统的状态；
2. 切削力可以在不使用任何额外传感器的情况下进行监测；
3. 可以实现RUM系统的振动稳定性控制；
4. 建立了一种使用压电片测量实际振幅的方法；
5. 在搭建的实验平台上验证了所提出的方法。

旋转超声加工是一种可以有效对硬脆材料和难加工金属材料进行加工的技术，在航空航天，半导体等领域具有广阔的应用前景。但目前针对超声加工系统还有较多问题需要研究解决，例如在多维超声加工中实现精确的振幅稳定控制，在超声加工中对切向力与径向力进行无传感器监测，或搭建具有更高智能性的超声加工系统，实现对超声加工系统的智能化控制等。未来需要进一步开展研究，完善超声加工技术在相关领域的研究空白。

本文原文来自清华大学机械工程系的研究团队