CN115014678A - 数字孪生驱动的颤振抑制方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字孪生驱动的机械加工颤振抑制方法和系统，构建了面向颤振抑制的数字孪生系统，通过机械加工系统的物理实体和数字孪生体之间进行信息交互和处理，将颤振预测技术、在线监测技术，及主动抑制技术结合起来，发挥了各自方法的优点，可实现对颤振的预测、监控，及主动抑制。本发明实现对机械加工系统信息的集成与综合运用，能够有效避免或减轻颤振现象对机械加工过程的影响。此外，数字孪生体提供的可视化功能，便于机床操作者监控机械加工过程，及时发现问题并参与数字孪生系统的决策。

Description

数字孪生驱动的颤振抑制方法和系统

技术领域

本发明属于智能制造领域，更具体地，涉及到了一种机械加工过程中 的颤振抑制方法和系统。

背景技术

机械振动广泛的存在于各类机械加工过程中，其对工件的加工精度与 表面质量、刀具磨损等产生严重影响，因此，机械振动的防治一直是机械 加工领域的研究重点。其中，铣削加工由于其断续切削的特征，振动现象 对加工过程的影响更为显著。机械振动根据其发生的机理，主要有：自由 振动、受迫振动、自激振动(又称为颤振)等形式。其中，颤振现象对铣 削过程的影响最为显著，是制约切削加工效率与工件表面质量/加工精度的 主要因素之一。

目前已知的颤振形式有：再生型、摩擦型、振型耦合型，再生作用广 泛的存在于各类机械加工类型，因此，基于再生作用原理的再生型颤振影 响最为广泛，对再生型颤振的抑制一直是机械振动控制的主要方向之一。 目前，再生型颤振的抑制相关的技术有：理论预测法、在线监测法、主动 抑制法。理论预测法基本原理是通过解析建模获取稳定性叶瓣图，基于稳 定性叶瓣图优选切削参数，以避免颤振发生，其能对切削加工的稳定性进 行预测，但存在模型简化误差，及模型输入参数误差，预测结果会存在一 定的误差。在线监测技术基于切削过程产生的振动/噪声等信号，通过对信 号进行特征提取与阈值判定来识别颤振，其采集的信号反映了机械加工系 统的实时状态，但其只是一种监测手段，当识别颤振发生后，还需要借助 其他设备/调节方法去抑制颤振，此外，现有的在线监测技术不具备预测的 功能，只能在颤振发生后进行系统调节，不能完全避免颤振对机械加工过 程的影响。主动抑制技术基本原理是通过增加辅助设备，调整工艺系统的 刚性、阻尼、模态频率等参数，提高系统稳定性，从而避免颤振，通过改 变系统特性的方式抑制颤振，可靠性较高，但需要借助理论解析法评价调 整的效果，当需要实时调整时，需要借助在线监控法反馈实际的切削状态， 此外，现有的辅助装置设计复杂，不能适应结构/尺寸多变的机械加工系统，通用性受限。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背 景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的 信息。

发明内容

本发明的主要目的在于克服上述背景技术的缺陷，提供一种数字孪生 驱动的颤振抑制方法和系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种数字孪生驱动的颤振抑制方法，所述方法在机械加工系统的物理 实体和所述机械加工系统的数字孪生体之间进行信息交互和处理；所述方 法至少包括如下步骤：

S1、采集所述物理实体的初始信息，传递给所述数字孪生体，由所述 数字孪生体进行所述物理实体的稳定性预测结果计算，所述预测结果包含 稳定性叶瓣图和刀尖振动位移信号，所述数字孪生体基于预测结果，传递 初始切削参数给所述物理实体的控制模块，用于工序初始阶段的切削加工； 优选地，所述物理实体的初始信息包括加工主轴模态以及工件材料；

S2、在实际切削加工的过程中，所述数字孪生体基于所述物理实体中 的工件模态参数时变特性调整所述预测结果，并更新切削参数给所述物理 实体；

S3、在执行步骤S2的过程中，当根据对所述物理实体的实时监测信号 判断当前发生了颤振时，基于优化算法对所述预测结果进行修正，以使所 述数字孪生体的动态性能与所述物理实体相匹配，和/或者，通过辅助设备 调整所述物理实体，以使其动态性能与当前的所述数字孪生体相匹配。

进一步地：

所述方法还包括如下步骤：

S4、在执行步骤S1-S3的同时，通过传感器实时采集所述物理实体在 切削加工过程中产生的信号，并实时传递到所述数字孪生体，所述数字孪 生体根据所述信号及步骤S1中获取的所述预测结果，基于颤振识别算法 进行切削状态辨识；优选地，所述在切削加工过程中产生的信号包括振动、 力、噪声。

所述方法还包括如下步骤：

S5、在执行步骤S1-S4的同时，基于对所述物理实体的建模，所述数 字孪生体通过调用包括切削位置、工件实时切削信号中的一种或多种的数 据，通过可视化模块中实时展示机械加工过程，优选地，所述可视化模块 实时映射所述物理实体的切削状态及工件表面形貌的变化。

步骤S2中，基于物理实体中的工件模态参数时变特性，以设定的更新 频率调整数字孪生体的预测结果和更新切削参数，优选地，所述更新频率 在0.1Hz-100Hz。

步骤S2中，当处在正常切削状态时，基于物理实体传递的进给运动等 数据，在数字孪生空间内对工件做实时的布尔运算，实现切削加工过程的 实时映射；基于实时的工件模态参数，实时计算并输出叶瓣图及优化参数， 传送到所述物理实体，优化切削过程；其中，所述叶瓣图的横纵坐标表示 切削加工过程中的切削参数，所述叶瓣图的下方代表稳定切削区域，所述 叶瓣图的上方代表颤振发生区域，基于实时叶瓣图，并结合工艺系统的切削能力、切削效率及精度要求，结合优化算法，获取实时最优的切削参数。

步骤S3中，所述基于优化算法对所述预测结果进行修正，以使所述数 字孪生体的动态性能与所述物理实体相匹配，具体包括：基于反求法原理， 运用实时切削信号推导出预测模型输入参数存在的误差，修正预测模型及 实时叶瓣图输出结果，优化后的切削参数传递到所述物理实体的机械加工 系统，实现过程优化；当所述优化后的切削参数优化仍不能避免颤振的发 生时，对预测结果进行迭代优化，其中，基于所述叶瓣图，在更大的范围内调整切削参数，留出更大的安全裕量以弥补模型简化带来的预测误差。

步骤S3中，所述通过辅助设备调整所述物理实体，以使其动态性能与 当前的所述数字孪生体相匹配，具体包括：

通过包括抑振装备控制单元、驱动超声辅助系统、声子晶体减振系统 中的一种或多种辅助设备，改善所述物理实体的稳定性；

优选地，还通过如下方式中的一种或多种调整所述物理实体的稳定性： 调整刀具的悬伸长度，及被刀柄夹持的长度、刀具的直径、刀柄的结构， 及增加工艺系统阻尼。

所述信息交互通过传感器模块和所述物理实体的控制模块进行，所述 传感器模块采集机械加工过程中的数据到所述数字孪生体，实现单向信息 传输，所述数字孪生体与所述物理实体双向信息的传输基于所述控制模块 实现。

一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序由处 理器执行时，实现所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法。

一种数字孪生驱动的颤振抑制系统，包括所述的方法中的所述物理实 体和所述数字孪生体，以及所述物理实体和所述数字孪生体之间的信息交 互模块。

本发明具有如下有益效果：

本发明基于数字孪生的三维模型，提出一种数字孪生驱动下的颤振抑 制方法，其中构建了面向颤振抑制的数字孪生系统，通过机械加工系统的 物理实体和数字孪生体之间进行信息交互和处理，将颤振预测技术、在线 监测技术，及主动抑制技术结合起来，发挥了各自方法的优点，可实现对 颤振的预测、监控，及主动抑制。本发明实现对机械加工系统信息的集成 与综合运用，能够有效避免或减轻颤振现象对机械加工过程的影响。此外， 数字孪生体提供的可视化功能，便于机床操作者监控机械加工过程，及时 发现问题并参与数字孪生系统的决策。

附图说明

图1为本发明一种实施例的数字孪生系统典型的三维模型图；

图2为本发明一种实施例的机械加工系统及数据采集设备示意图；

图3为本发明一种实施例的面向颤振抑制的数字孪生系统示意图；

图4为本发明一种实施例的实时叶瓣图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅 是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件， 它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称 为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接 至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合 或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、 “右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关 系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和 简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以 特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或 暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第 一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本 发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具 体的限定。

数字孪生是一种集成多物理、多尺度、动态概率的仿真模型，通过精 确的模型及传感技术，其可实时映射物理实体的状态，并对物理实体进行 实时的优化。其主要有：物理实体、数字孪生体、信息交互模块三个组成 部分。通过数据驱动，虚实结合的方式，数字孪生体可实时映射物理实体 的状态，并可预测物理实体的未来状态。

参阅图1，本发明实施例的数字孪生系统包含机械加工系统的物理实 体、机械加工系统的数字孪生体和两者间的信息交互模块。

本发明实施例提供一种数字孪生驱动的颤振抑制方法，所述方法在机 械加工系统的物理实体和所述机械加工系统的数字孪生体之间进行信息交 互和处理。所述物理实体可包含主轴、刀具、被加工的工件、夹具、工作 台等零部件，工件安装在工作台上，主轴做旋转主运动，直线电机驱动主 轴、工作台做进给运动，从而实现连续切削。所述方法构建的数字孪生体 可包含算法模块、可视化模块、数据库等功能单元。所述算法模块综合运 用了颤振预测、在线监测、主动抑制等技术，集成了物理实体中的静态参 数(如：铣刀结构参数、工件材料参数、主轴模态参数等)，及动态参数(如： 加工过程中产生的振动、噪声、力信号等)。基于对物理实体信息的集成， 及上述三种技术的综合应用，可实现对颤振监测与主动抑制，减轻颤振对 机械加工过程的影响。

所述方法的信息交互模块包括所述物理实体的控制单元(如：数控系 统)、布置的传感器。传感器用于采集机械加工过程中的振动、力、噪声等 信号，并反馈给数字孪生体，这种连接方式可实现单向信息传递。控制单 元传递物理实体的切削状态信息给数字孪生体，同时，接受来自数字孪生 体的优化切削参数信息，相关参数用于优化物理实体的切削过程，这种连 接方式可实现双向信息传递。

在一些实施例中，所述方法包括如下步骤：

S1、通过RFID等技术在工业自动化场景下采集机械加工系统物理实体 (以下简称物理实体)的主轴模态、工件材料参数等初始信息，传递给机 械加工系统数字孪生体(以下简称数字孪生体)的数据库模块，用于数字 孪生体算法模块的稳定性预测结果计算，相关预测结果包含了稳定性叶瓣 图和刀尖振动位移信号两部分内容，并存储在数据库中；数字孪生体基于 预测结果，传递初始切削参数给物理实体的控制模块，用于工序初始阶段 的切削加工；

S2、在实际切削加工的过程中，数字孪生体为了能实时准确体现物理 实体的动态性能，会基于物理实体中的工件模态参数时变特性等，以一定 的更新频率调整数字孪生体的预测结果，并更新切削参数给物理实体；

S3、当在执行S2的过程中，数字孪生体通过实时监测信号判断当前状 态发生了颤振时，说明此时的数字孪生体反映的系统动态性能与其物理实 体的动态性能出现了重度不匹配，系统会进行预测结果的紧急调整(系统 响应时间：＜1ms)，紧急调整的方式有两种：①基于优化算法对数字孪生 体的预测结果进行修正，使数字孪生体的动态性能与物理实体相匹配；② 通过辅助设备调整物理实体，使其动态性能与当前数字孪生体相匹配；

S4、在执行S1-S3步骤的同时，数字孪生系统的传感器模块实时采集 物理实体在切削加工过程中的振动、力、噪声等信号，并实时传递到数字 孪生体的数据库模块中，算法模块从数据库模块调用实时信号数据，及S1 中获取的预测信号数据，并基于颤振识别算法进行切削状态辨识；

S5、在执行S1-S4步骤的同时，基于对物理实体的精确建模，数字孪 生体通过调用切削位置、工件实时切削信号等数据，可在其可视化模块中 实时给出机械加工过程的全貌，便于人工监控。

所述物理实体包含主轴、刀具、被加工的工件，夹具、工作台等零部 件，此物理实体可以是一般的数控机床、加工中心，也可以是工业机器人 切削平台、电主轴工作平台等。所述物理实体的运动控制的方法可以基于 特定的数控系统，也可基于可编程控制器等方式进行控制；通过其控制系 统，所述物理实体可接收来自其数字孪生体的优化切削参数，实现切削过 程的实时优化，也可向数字孪生体传递其实时切削位置等信息。

所述数字孪生体包括算法模块，其可包含颤振在线数据处理单元、实 时叶瓣图获取单元、抑振设备控制单元等部分，分别接收来自物理实体的 实时振动、力、噪声等信号，及其状态信息等，用于切削过程的实时监测， 及基于叶瓣图生成实时的优化切削参数。

所述数字孪生体包括可视化模块，其可基于精确的模型构建，实时映 射物理实体的切削状态，及工件表面形貌的变化；

所述信息交互模块包含传感器模块、物理实体的控制模块这两部分， 所述传感器模块采集机械加工过程中的振动、力、噪声等数据到数字孪生 体，实现单向信息传输，基于所述控制模块可实现数字孪生体与物理实体 双向信息的传输。

所述在线数据处理单元，基于通过传感器所采集的实时信号(包含但 不限于：振动、力、噪声等信号)，其可通过多传感融合算法消除冗余数据、 提取特征参数，并基于机器学习等手段进行切削加工状态的判断。

所述实时叶瓣图获取单元，基于其获取的实时叶瓣图，并结合工艺系 统的性能参数、当前工序下的切削加工对效率、精度的需求等条件，可提 取最优的切削参数，并传递给机械加工系统；

所述抑振装备控制单元，其可调用物理实体中的辅助抑振设备(设备 类型包括并不限于：声子晶体抑振装置、超声辅助加工抑振装置)。

本发明实施例提供的数字孪生驱动下的颤振抑制方法，在构建数字孪 生系统的过程中，集成了理论预测、在线监控、主动抑制等手段，并对机 械加工系统的信息进行集成与综合运用，所提出的方法能够减轻/避免颤振 对机械加工过程的影响，可提高机械加工过程中工件的加工精度、表面质 量、机械加工效率，及刀具的使用寿命等。

以下进一步描述本发明的具体实施例。

本发明提供一种数字孪生驱动下的机械加工颤振抑制方法，该方法的 技术方案中包含三个部分：机械加工系统的物理实体、机械加工系统的数 字孪生体和两者间的信息交互模块。机械加工系统的物理实体包含了主轴、 刀具、被加工的工件，夹具、工作台等零部件，是数字孪生体所要映射的 对象。在构建数字孪生体的过程中，集成了颤振理论预测、在线监控、主 动抑制等手段，并对机械加工系统的信息进行集成与综合运用，数字孪生 体可实时映射机械加工系统的工作状态，提供可视化的人机交互窗口，并 可对加工过程中的颤振进行预测、监控与实时调节。信息交互模块包含了 传感器及机械加工系统的控制模块两部分，可实现切削参数、切削状态等 信息的双向传输。本发明可提高机械加工过程中工件的加工精度、表面质 量、加工效率及刀具寿命等。

本发明实施例的物理实体如图2所示，夹具工件模块5安装在工作台6上，工作台6可由电机驱动做三向直线运动或倾斜转动，主轴系统4带 动刀具做旋转主运动，此外，主轴系统4亦可基于需要做直线运动或倾斜 转动。在主轴系统4与工作台6的配合运动下，可实现工件的连续切削。 图2表征的对象可以是普通的数控机床，也可以是电主轴工作平台，亦或 是工业机器人切削平台。相关的主/进给切削运动可由专业的数控系统控制， 亦可通过可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller；PLC)等方式 实现控制。此外图2还给出了测力仪7，麦克风8，振动传感器9的一般布 置形式，用于采集切削加工过程中的力、噪声、振动加速度信号。

基于图2的对象，图3构建了面向颤振抑制的数字孪生系统，分为物 理实体11、信息交互模块12、数字孪生体13，其中，数字孪生体13主要 分为了算法模块、可视化模块，及数据库，算法模块又分为在线信号处理 单元、实时叶瓣图获取单元、抑振装备控制单元。以下内容结合图3，详 细介绍数字孪生驱动下的颤振抑制方法实施方式。

1)初始切削状态下的数字孪生体运作

数字孪生系统需要输入初始参数，以便数字孪生体获取物理实体的初 始状态，确定物理实体的初始切削参数，主要内容如下：

S1初始化参数输入

算法模块需要初始的模型参数输入，以便后续的模型计算，这些参数 包括工件的材料参数、刀具的结构参数、主轴系统4静态下的模态参数等， 相关参数需要通过实验、测量的方式获取，并可将信息绑定在电子标签内， 电子标签贴附在相应的零部件上，基于RFID技术，通过阅读器即可获取相 关信息，并传输到数字孪生系统13的数据库模块，其他模块可直接调用数 据库的数据。这种信息的绑定与采集方式便于在工业应用场景下实现自动 化操作；

S2初始切削参数确定

经过S1步骤获取物理实体的初始状态信息后，数字孪生体可基于此 获取初始状态下的稳定性预测结果计算，相关预测结果包含了稳定性叶瓣 图和刀尖振动位移等信号两部分内容，并存储在数据库中；数字孪生体基 于预测结果，传递初始切削参数给物理实体的控制模块，用于工序初始阶 段的切削加工；

S3可视化功能实现

为了实现可视化的功能，及后续的物理仿真需要，需将物理实体11 的三维模型文件输入数字孪生体13，模型需要在结构尺寸、材料、结合面 类型/参数、初始位置等方面与物理实体一致。

在正式切削加工开始前，基于对模型的精确构建，及物理实体11的 预设切削路径，可在数字孪生体13内进行切削过程模拟，及刀具路径仿真 分析，避免路径不合理导致的机械碰撞等问题；

在初始切削加工过程中，数字孪生体通过调用物理实体的切削位置等 数据，对刀具与工件模型做实时布尔操作，即可在数字孪生体的可视化模 块中实时给出机械加工过程的实时状态。

2)正常切削状态下的数字孪生体运作

经过1)过程后，系统完成了初始化设置，并基于初始切削参数进行 切削加工，如下步骤介绍稳定切削状态下的数字孪生系统运作流程：

S1、稳定切削状态下的实时叶瓣图获取

在实际切削加工的过程中，数字孪生体为了能实时准确体现物理实体 的动态性能，会基于物理实体中的工件模态参数时变特性等，以一定的更 新频率调整数字孪生体的预测结果，并更新切削参数给物理实体，具体地： 当处在正常切削状态时，基于物理实体11传递的进给运动等数据，可在数 字孪生空间13内对工件做实时的布尔运算，实现切削加工过程的实时映射。 基于实时状态下的工件，可通过仿真等方式快速获取相应状态下的工件模 态。基于实时的工件模态及参数，实时叶瓣图获取单元可实时计算输出叶 瓣图及优化参数，传送到物理实体11中，优化切削过程，此数字孪生体可 实现的切削参数更新频率为0.1Hz-100Hz；

实时叶瓣图的示例如图4所示，叶瓣图的图形14的横纵坐标表述了 切削加工过程中的切削参数(转速、切深等)，叶瓣图的下方代表稳定切削 区域，在此区域选定切削参数均可实现稳定切削，叶瓣图的上方代表颤振 发生区域，在此区域选定的切削参数易导致颤振的发生。随着铣刀16在工 件15上的切削位置不同，叶瓣图亦随之变化，这种变化主要源于工件在不 同位置刚性的差异，及材料去除对工件模态的影响。如图4所示，从t₁到 t₃连续切削阶段，叶瓣图的位置亦随之变化。基于实时叶瓣图，并结合工 艺系统的切削能力、切削效率/精度的要求，结合相应的优化算法，即可获 取实时最优的切削参数。

S2、稳定切削状态下的信号监测

在执行S1环节的同时，数字孪生体的在线信号处理单元通过传感器 实时采集数据，输出当前的切削状态，监控加工过程。

S3、切削过程可视化

在执行S1-S2的过程中，基于对物理实体的精确建模，数字孪生体通 过调用物理实体的切削位置等数据，对刀具与工件模型做实时布尔操作， 即可在数字孪生体的可视化模块中实时给出机械加工过程的实时状态，便 于人工监控加工过程；

此外，基于S2所采集的实时信号，及实时信号与工件表面质量的解 析模型，可获取当前切削状态下的工件表面形态，便于人工去监控切削加 工过程中的工件表面质量。

3)发生颤振时的数字孪生体运作

当在执行2)的过程中，数字孪生体通过实时监测信号判断当前状态 发生了颤振时，说明此时的数字孪生体反映的系统动态性能与其物理实体 的动态性能不匹配，系统会进行预测结果的紧急调整(系统响应时间：＜ 1ms)，紧急调整的方式有两种：

①基于优化算法对数字孪生体的预测结果进行修正，使数字孪生体 的动态性能与物理实体相匹配；

相关的优化算法实施过程：基于反求法原理，运用实时切削信号推导 出预测模型输入参数存在的误差(如：主轴模态误差、工件切削力系数误 差等)，修正预测模型及实时叶瓣图输出结果，优化后的切削参数传递到机 械加工系统11，实现过程优化；

由于理论模型的预测误差不仅来源于模型输入参数，还来源于建模过 程中对模型的简化描述，因此，当上述的优化切削参数优化仍不能避免颤 振的发生时，需要对预测结果进行迭代优化，具体地，基于上述的叶瓣图， 在更大的范围内调整切削参数，留出更大的安全裕量以弥补模型简化带来 的预测误差；

②通过辅助设备调整物理实体，使其动态性能与当前数字孪生体相 匹配；

在①的调节过程中，往往会将切削参数往降低切削效率的方向调整， 为了提高切削效率，可通过抑振装备控制单元，驱动超声辅助系统，或声 子晶体减振系统等辅助设备，改善物理实体11的稳定性，从而在不调节切 削参数的情况下实现颤振的快速抑制，及时避免颤振对工件表面精度造成 的影响。

此外，本方法亦可用于优化初始状态下的物理实体切削参数，使得系 统的初始切削参数具有更高的切削效率。

除了上述提到的方法，调整物理实体稳定性的途径还有：调整刀具的 悬伸长度，及被刀柄夹持的长度、刀具的直径、刀柄的结构等，及增加工 艺系统阻尼(如：刀柄内嵌阻尼材料)等。

在图3的数字孪生体中，提供了丰富的人机交互模块，物理实体11 的操作者可全程参与到数字孪生体13的运行中，基于数字孪生体13提供 的信息，可参与做决策。人机交互的形式可基于人工智能等技术的应用不 断丰富，如：基于VR头盔与数据手套等方式，实现数字孪生三维模型的更 改，并可观察更多的模型细节。

如上面向了机械加工前准备、机械加工阶段这两个过程，给出了数字 孪生驱动下的颤振抑制策略。此外，本发明提出的面向颤振抑制的数字孪 生系统还具有较好的通用性与扩展性，可基于此改造其中的算法模块，解 决更多的物理问题(如：工件热变形、刀具磨损等)，亦可面向产品全生命 周期管理，包含更多的功能模块单元(如：工件加工后的尺寸检测与误差 分析模型)。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而 不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请 人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说 明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术 领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这 些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当 视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施 例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例” 等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点 包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的 示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、 结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结 合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的 不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已 经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请 的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。

Claims (10)

1.一种数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，所述方法在机械加工系统的物理实体和所述机械加工系统的数字孪生体之间进行信息交互和处理；所述方法至少包括如下步骤：

S1、采集所述物理实体的初始信息，传递给所述数字孪生体，由所述数字孪生体进行所述物理实体的稳定性预测结果计算，所述预测结果包含稳定性叶瓣图和刀尖振动位移信号，所述数字孪生体基于预测结果，传递初始切削参数给所述物理实体的控制模块，用于工序初始阶段的切削加工；优选地，所述物理实体的初始信息包括加工主轴模态以及工件材料；

S2、在实际切削加工的过程中，所述数字孪生体基于所述物理实体中的工件模态参数时变特性调整所述预测结果，并更新切削参数给所述物理实体；

S3、在执行步骤S2的过程中，当根据对所述物理实体的实时监测信号判断当前发生了颤振时，基于优化算法对所述预测结果进行修正，以使所述数字孪生体的动态性能与所述物理实体相匹配，和/或者，通过辅助设备调整所述物理实体，以使其动态性能与当前的所述数字孪生体相匹配。

2.如权利要求1所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

S4、在执行步骤S1-S3的同时，通过传感器实时采集所述物理实体在切削加工过程中产生的信号，并实时传递到所述数字孪生体，所述数字孪生体根据所述信号及步骤S1中获取的所述预测结果，基于颤振识别算法进行切削状态辨识；优选地，所述在切削加工过程中产生的信号包括振动、力、噪声。

3.如权利要求1或2所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

S5、在执行步骤S1-S4的同时，基于对所述物理实体的建模，所述数字孪生体通过调用包括切削位置、工件实时切削信号中的一种或多种的数据，通过可视化模块中实时展示机械加工过程，优选地，所述可视化模块实时映射所述物理实体的切削状态及工件表面形貌的变化。

4.如权利要求1至3任一项所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，步骤S2中，基于物理实体中的工件模态参数时变特性，以设定的更新频率调整数字孪生体的预测结果和更新切削参数，优选地，所述更新频率在0.1Hz-100Hz。

5.如权利要求1至4任一项所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，步骤S2中，当处在正常切削状态时，基于物理实体传递的进给运动等数据，在数字孪生空间内对工件做实时的布尔运算，实现切削加工过程的实时映射；基于实时的工件模态参数，实时计算并输出叶瓣图及优化参数，传送到所述物理实体，优化切削过程；其中，所述叶瓣图的横纵坐标表示切削加工过程中的切削参数，所述叶瓣图的下方代表稳定切削区域，所述叶瓣图的上方代表颤振发生区域，基于实时叶瓣图，并结合工艺系统的切削能力、切削效率及精度要求，结合优化算法，获取实时最优的切削参数。

6.如权利要求1至5任一项所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，步骤S3中，所述基于优化算法对所述预测结果进行修正，以使所述数字孪生体的动态性能与所述物理实体相匹配，具体包括：基于反求法原理，运用实时切削信号推导出预测模型输入参数存在的误差，修正预测模型及实时叶瓣图输出结果，优化后的切削参数传递到所述物理实体的机械加工系统，实现过程优化；当所述优化后的切削参数优化仍不能避免颤振的发生时，对预测结果进行迭代优化，其中，基于所述叶瓣图，在更大的范围内调整切削参数，留出更大的安全裕量以弥补模型简化带来的预测误差。

7.如权利要求1至6任一项所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，步骤S3中，所述通过辅助设备调整所述物理实体，以使其动态性能与当前的所述数字孪生体相匹配，具体包括：

通过包括抑振装备控制单元、驱动超声辅助系统、声子晶体减振系统中的一种或多种辅助设备，改善所述物理实体的稳定性；

优选地，还通过如下方式中的一种或多种调整所述物理实体的稳定性：调整刀具的悬伸长度，及被刀柄夹持的长度、刀具的直径、刀柄的结构，及增加工艺系统阻尼。

8.如权利要求1至7任一项所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法，其特征在于，所述信息交互通过传感器模块和所述物理实体的控制模块进行，所述传感器模块采集机械加工过程中的数据到所述数字孪生体，实现单向信息传输，所述数字孪生体与所述物理实体双向信息的传输基于所述控制模块实现。

9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序由处理器执行时，实现如权利要求1至8任一项所述的数字孪生驱动的颤振抑制方法。

10.一种数字孪生驱动的颤振抑制系统，其特征在于，包括如权利要求1所述的方法中的所述物理实体和所述数字孪生体，以及所述物理实体和所述数字孪生体之间的信息交互模块。

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