楊 悅，姚樹磊，劉長利，張顯程，張成成

（1.華東理工大學(xué)機(jī)械與動力工程學(xué)院, 上海 200237；2.中國航發(fā)商用航空發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司, 上海200241）

高壓水射流表面強(qiáng)化工藝基本原理是以水和顆?；旌系墓桃毫黧w為工作介質(zhì)[1]，經(jīng)過增壓系統(tǒng)后從噴嘴射出，攜帶巨大能量沖擊金屬零部件，改變表面完整性和微觀結(jié)構(gòu)，從而提高金屬零部件的疲勞壽命[2-3]。水射流強(qiáng)化工藝涉及強(qiáng)化方法、強(qiáng)化作用機(jī)理、軌跡控制、多參數(shù)優(yōu)化等多學(xué)科問題，給工藝控制帶來了極大的挑戰(zhàn)。

數(shù)字孿生技術(shù)是充分利用物理模型、傳感器更新、運(yùn)行歷史等數(shù)據(jù)，集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真，在模型層中完成映射，從而反映相對應(yīng)的實(shí)體裝備的全生命周期過程[4]。數(shù)字孿生技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[5-6]、產(chǎn)品設(shè)計[7]、智能制造[8-9]、智能運(yùn)維[10]等多個領(lǐng)域，從而降低了產(chǎn)品設(shè)計的缺陷率，提高了產(chǎn)品生產(chǎn)中的可控性和使用中的維護(hù)效率[11]。因此，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于水射流表面強(qiáng)化工藝，進(jìn)而管理、優(yōu)化強(qiáng)化工藝，有助于提高在指定強(qiáng)化目標(biāo)下的完成準(zhǔn)確率。然而，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用到水射流表面強(qiáng)化工藝的研究還處于起步階段，鮮見報道。

本文提出葉片水射流強(qiáng)化工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)，分析葉片強(qiáng)化的需求，構(gòu)建水射流強(qiáng)化工藝的數(shù)字孿生模型，完成系統(tǒng)各層之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測、強(qiáng)化后葉片表面完整性的檢測，預(yù)測特定強(qiáng)化工藝參數(shù)下的強(qiáng)化效果，為強(qiáng)化工藝的選擇和優(yōu)化提供決策支持。

1 總體設(shè)計

1.1 設(shè)計對象

圖1 所示為水射流表面強(qiáng)化工藝的工作原理。水流經(jīng)增壓泵達(dá)到所需的壓力，通過高壓水管路，從射流噴嘴噴出，形成高壓高速流束[12]，然后按照規(guī)劃的軌跡，沖擊葉片，改變?nèi)~片表面完整性與微觀結(jié)構(gòu)，從而提高葉片的疲勞壽命。

圖1 水射流工作原理Fig.1 Working principle of water jet

1.2 設(shè)計目標(biāo)

本文研究葉片水射流表面強(qiáng)化工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)，其功能性需求如圖2 所示，包括實(shí)時監(jiān)控需求、表面完整性研究需求和工藝優(yōu)化需求。

圖2 系統(tǒng)功能性需求Fig.2 System functional requirements

實(shí)時監(jiān)控需求是指實(shí)時監(jiān)控水射流強(qiáng)化設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)和強(qiáng)化工藝參數(shù)的需求。因此需要在水射流設(shè)備安裝傳感器，包括監(jiān)測高壓水的壓力傳感器、監(jiān)測噴頭與葉片距離的相對位置傳感器、監(jiān)測噴頭坐標(biāo)的絕對位置傳感器、監(jiān)測射流移動速度的速度傳感器、監(jiān)測射流噴射位姿的旋轉(zhuǎn)矩陣傳感器，以實(shí)時監(jiān)測水射流設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和強(qiáng)化工藝參數(shù)。這些實(shí)時參數(shù)將用于驅(qū)動水射流強(qiáng)化的數(shù)字孿生模型，以實(shí)現(xiàn)實(shí)體設(shè)備和工藝參數(shù)在模型層的映射。

表面完整性研究需求是指需要建立能夠映射葉片表面完整性的虛擬模型，以便實(shí)時反饋加工工藝對表面完整性的影響。葉片的表面完整性包括表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度和表面硬度，對葉片壽命提升有很大影響。本文的虛擬模型采用有限元模型，利用實(shí)時的強(qiáng)化工藝數(shù)據(jù)驅(qū)動有限元模型，仿真在不同強(qiáng)化工藝下的葉片表面完整性。

工藝優(yōu)化需求是指根據(jù)強(qiáng)化工藝與表面完整性之間的聯(lián)系，確定或調(diào)整工藝參數(shù)，得到更佳的強(qiáng)化效果。因此，需要建立強(qiáng)化工藝與表面完整性的數(shù)據(jù)庫，得出強(qiáng)化工藝與強(qiáng)化后表面完整性之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，可以根據(jù)表面完整性預(yù)測結(jié)果，在加工前確定強(qiáng)化工藝；或者在加工過程中動態(tài)調(diào)整強(qiáng)化工藝。

1.3 設(shè)計原則

為了使數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠全面、高效地用于水射流強(qiáng)化工藝，在設(shè)計中應(yīng)當(dāng)遵守完備性、可靠性、可擴(kuò)展性的原則[13]。

完備性原則是指研發(fā)系統(tǒng)所提供的功能是完整的、全面的，能夠滿足用戶的需求，系統(tǒng)需要具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析等功能。

可靠性原則是指軟件在使用過程中穩(wěn)定運(yùn)行，避免故障的能力。在實(shí)際運(yùn)用過程中，系統(tǒng)的可靠性直接關(guān)系到葉片強(qiáng)化工藝的穩(wěn)定性與表面強(qiáng)化的質(zhì)量。因此在開發(fā)階段就需要對軟件不斷調(diào)試，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

可擴(kuò)展性原則是指軟件拓展的能力。孿生系統(tǒng)需要適用于不同的強(qiáng)化設(shè)備，因此在給原有系統(tǒng)增加新功能時，優(yōu)良的可擴(kuò)展性可以大大節(jié)約開發(fā)成本，為進(jìn)一步完善系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

1.4 設(shè)計流程

根據(jù)上述分析的數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)，確定本文系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)流程，如圖3 所示，首先分析存在問題與功能需求，將水射流表面強(qiáng)化工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)框架分為實(shí)體層、模型層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層，并規(guī)劃各層的功能要求及其層級之間的兼容性；然后進(jìn)行算法設(shè)計、程序?qū)崿F(xiàn)與系統(tǒng)調(diào)試；最后核驗(yàn)孿生系統(tǒng)是否滿足要求，封裝運(yùn)行系統(tǒng)，完成系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計。

圖3 系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)流程Fig.3 Process of system design and development

1.5 設(shè)計模塊

根據(jù)前文的功能需求分析，本文在陶飛等[14]提出的數(shù)字孿生五維模型的基礎(chǔ)上，確定了葉片水射流表面強(qiáng)化工藝數(shù)字孿生架構(gòu)，分為實(shí)體層、模型層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層，如圖4 所示。

圖4 數(shù)字孿生系統(tǒng)架構(gòu)Fig.4 Architecture of the digital twin system

實(shí)體層是模型層描述的對象，本文研究的水射流強(qiáng)化系統(tǒng)包括增壓系統(tǒng)和軌跡控制系統(tǒng)以及強(qiáng)化對象葉片。

模型層是實(shí)體層的數(shù)字化映射，集成融合了幾何、物理、行為與規(guī)則4 層模型[15]，使用ANSYS、MATLAB 等在虛擬環(huán)境下進(jìn)行多尺度建模、仿真、分析，構(gòu)建出與物理空間具有時空一致性的三維場景，模擬葉片水射流表面強(qiáng)化工藝對葉片表面完整性的影響[13]。

數(shù)據(jù)層由強(qiáng)化設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)、有限元模型仿真運(yùn)行的數(shù)據(jù)以及強(qiáng)化工藝與表面完整性的關(guān)聯(lián)關(guān)系規(guī)則模型的數(shù)據(jù)融合形成[14]。

應(yīng)用層是對數(shù)字孿生系統(tǒng)運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)、模型、算法、仿真、結(jié)果的服務(wù)化封裝[14]，通過數(shù)據(jù)層產(chǎn)生的數(shù)據(jù)驅(qū)動模型層實(shí)時變化，在虛擬場景中描述水射流強(qiáng)化過程，以更加直觀的方式監(jiān)控強(qiáng)化系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，提供有效的數(shù)據(jù)管理與分析的功能，幫助用戶及時判斷，調(diào)整強(qiáng)化策略。

2 實(shí)體層

本文水射流表面強(qiáng)化系統(tǒng)由增壓系統(tǒng)、軌跡控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖5 所示。增壓系統(tǒng)包括增壓泵（三缸柱塞泵）、輸送管路以及射流噴頭；軌跡控制系統(tǒng)包括六軸機(jī)械臂、葉片。

圖5 水射流表面強(qiáng)化系統(tǒng)Fig.5 Water jet surface strengthening system

圖5 (a)所示為增壓系統(tǒng)的三缸柱塞泵箱體，對其設(shè)定運(yùn)轉(zhuǎn)扭矩，使水流達(dá)到所需壓力，經(jīng)過輸送管道，到達(dá)圖5 (b)中固定在機(jī)械臂末端的射流噴頭，通過機(jī)械臂控系統(tǒng)控制噴頭坐標(biāo)與位姿，使水流按照預(yù)設(shè)軌跡噴射葉片表面。

3 模型層

水射流表面強(qiáng)化系統(tǒng)模型層包括強(qiáng)化工藝的可視化模型和強(qiáng)化工藝的規(guī)則模型，其構(gòu)成如圖6 所示。其中，可視化模型包括葉片、機(jī)械臂、增壓泵、輸送管道以及射流噴頭，在虛擬場景中模擬仿真，以描述葉片的水射流表面強(qiáng)化過程；規(guī)則模型依據(jù)強(qiáng)化工藝參數(shù)和表面完整性參數(shù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練得到，以預(yù)測葉片強(qiáng)化后的表面完整性，并優(yōu)化強(qiáng)化工藝。

圖6 模型層構(gòu)成Fig.6 Composition of model level

3.1 建立可視化模型

建立水射流軌跡控制系統(tǒng)的可視化模型，用于直觀監(jiān)測強(qiáng)化設(shè)備的工作狀態(tài)與工藝參數(shù)。

3.1.1搭建模型 圖7 示出了使用的六軸機(jī)械臂，6 個自由度分別為本體回轉(zhuǎn)、大臂運(yùn)動、小臂運(yùn)動、手腕旋轉(zhuǎn)、手腕擺動、手腕回轉(zhuǎn)。建立該機(jī)械臂的幾何模型，并依據(jù)實(shí)體設(shè)備的運(yùn)動形態(tài)建立其DH 坐標(biāo)系，參數(shù)如表1 所示（其中：d表示關(guān)節(jié)的偏置距離；a表 示連桿L 的長度；α 表示連桿L 的扭角；θ表示關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角），Simscape 模型如圖8 所示。

圖7 機(jī)械臂示意圖Fig.7 Schematic diagram of the robotic arm

圖8 機(jī)械臂Simscape 模型Fig.8 Simscape model of robotic arm

表1 機(jī)械臂DH 參數(shù)Table 1 DH parameters of robotic arm

3.1.2編輯軌跡 水射流軌跡參數(shù)包括噴射姿態(tài)、射流移動速度和軌跡間隔。本文將依據(jù)MATLAB/Simulink 中建立的強(qiáng)化設(shè)備的模型，依據(jù)DH 參數(shù)，對機(jī)械臂進(jìn)行逆運(yùn)動學(xué)分析，以便將規(guī)劃的軌跡從笛卡爾坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到關(guān)節(jié)坐標(biāo)系，驅(qū)動機(jī)械臂按照預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動。

3.1.3 監(jiān)測工藝參數(shù)

(1) 噴射壓力。噴射壓力是由增壓泵穩(wěn)定提供，在強(qiáng)化工藝開始時，記錄設(shè)定的出口壓力。

(2) 噴射靶距。噴射靶距即射流出口到葉片表面的距離。需要在可視化模型上添加虛擬的相對位置傳感器，以獲取噴頭與強(qiáng)化件之間的相對距離。

(3) 移動速度。移動速度即射流運(yùn)動時的移動速度。虛擬模型層需要在可視化模型上添加速度傳感器，實(shí)時采集運(yùn)動速度。

(4) 噴射角度。噴射角度即射流作用于強(qiáng)化件時與其平面的相對角度。需要在虛擬模型上添加位姿傳感器，實(shí)時監(jiān)測射流運(yùn)動姿態(tài)并轉(zhuǎn)換為噴射角度。

3.2 建立規(guī)則模型

3.2.1訓(xùn)練模型 為了建立水射流表面強(qiáng)化工藝中強(qiáng)化工藝參數(shù)與表面完整性參數(shù)間的聯(lián)系，本文將建立兩者之間的回歸預(yù)測模型。

強(qiáng)化工藝參數(shù)包括噴射壓力、噴射距離、軌跡間隔、移動速度、噴射角度、顆粒類型，其中顆粒類型分為0.1 mm 石英顆粒和0.1 mm 不銹鋼顆粒，分別用數(shù)字1 和數(shù)字2 表示，如表2 所示。

表2 強(qiáng)化工藝參數(shù)Table 2 Strengthening process parameters

表面完整性表征參數(shù)包括表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度、表面硬度，其中表面粗糙度分別用基于線輪廓法的表面粗糙度評定參數(shù)（Ra）和基于面輪廓法的表面粗糙度評定參數(shù)（Sa）兩個指標(biāo)衡量。訓(xùn)練回歸預(yù)測模型的部分?jǐn)?shù)據(jù)如表3 所示。

表3 表面完整性參數(shù)Table 3 Surface integrity parameters

上述兩種參數(shù)之間存在不確定的關(guān)系，使用回歸學(xué)習(xí)，統(tǒng)計實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，構(gòu)造目標(biāo)函數(shù)并逼近該關(guān)系，從而建立變量（強(qiáng)化工藝參數(shù)）與響應(yīng)參數(shù)（表面完整性參數(shù)）之間的聯(lián)系。

圖9 示出了預(yù)測響應(yīng)（表面殘余應(yīng)力）圖，其中藍(lán)色點(diǎn)表示真實(shí)響應(yīng)值，黃色點(diǎn)表示預(yù)測響應(yīng)值，藍(lán)色、黃色之間的連線的距離表示預(yù)測誤差。圖10 示出了初始模型的預(yù)測表面殘余應(yīng)力與實(shí)際值之間的關(guān)系，任意點(diǎn)到對角線的垂直距離是該點(diǎn)的預(yù)測誤差，預(yù)測點(diǎn)均勻分散對角線兩側(cè)則表示該模型誤差較小。圖11 示出了超參數(shù)調(diào)優(yōu)過程中最小均方誤差（Mean Square Error，MSE）的變化，評估訓(xùn)練的初始模型后，對具有最小均方根誤差（Root Mean Squared Error，RMSE）的訓(xùn)練方法回歸樹模型進(jìn)行超參數(shù)調(diào)優(yōu)，MATLAB 的回歸學(xué)習(xí)可以自動嘗試不同的超參數(shù)組合以達(dá)到最小的均方誤差，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有數(shù)據(jù)訓(xùn)練模型的最佳性能。

圖9 預(yù)測響應(yīng)圖Fig.9 Predicted response plot

圖10 預(yù)測表面殘余應(yīng)力與實(shí)際值關(guān)系Fig.10 Relationship between predicted surface residual stress and actual value

圖11 最小MSE 圖Fig.11 Minimum MSE plot

3.2.2導(dǎo)出模型 根據(jù)上述模型訓(xùn)練結(jié)果，導(dǎo)出最終表面完整性參數(shù)預(yù)測模型，即表面殘余應(yīng)力預(yù)測模型trainedModelstress、兩個表面粗糙度預(yù)測模型trainedModelstressRa 與trainedModelstressSa 和表面硬度預(yù)測模型trainedModelHV，便于應(yīng)用層調(diào)用、預(yù)測表面完整性參數(shù)。

3.2.3模型更新 訓(xùn)練得出的模型可以預(yù)測強(qiáng)化工藝參數(shù)與表面完整性參數(shù)之間的關(guān)系，但回歸模型需要龐大的數(shù)據(jù)支撐，因此可以根據(jù)實(shí)際加工過程中采集的數(shù)據(jù)不斷增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)，從而更新訓(xùn)練模型，以提高模型預(yù)測的準(zhǔn)確率。

將多組新的工藝參數(shù)與對應(yīng)的表面完整性參數(shù)數(shù)據(jù)加入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中，對比訓(xùn)練模型的均方根誤差與預(yù)測響應(yīng)誤差，如表4 所示（其中Model one 的樣本量大于Model two 的樣本量）。根據(jù)表中數(shù)據(jù)可知，在后期仍需要不斷積累實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以改進(jìn)模型，降低模型的均方根誤差，建立更準(zhǔn)確的回歸預(yù)測模型。

表4 訓(xùn)練模型的均方根誤差對比Table 4 Comparison among RMSE of the trained models

4 數(shù)據(jù)層

4.1 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計

數(shù)據(jù)庫表是數(shù)據(jù)庫的基礎(chǔ)，根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求，共設(shè)計了3 張數(shù)據(jù)庫表，分別為用戶信息數(shù)據(jù)庫表、工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫表、表面完整性參數(shù)數(shù)據(jù)庫表。

表5 示出了系統(tǒng)用戶信息數(shù)據(jù)庫表，主要用來存儲用戶ID、用戶名、密碼等信息，當(dāng)用戶有注冊賬號、修改賬號信息的行為時，都會調(diào)用用戶信息表。

表5 用戶信息數(shù)據(jù)庫表Table 5 User information database table

表6 示出了葉片水射流強(qiáng)化工藝的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫表，主要包括工藝參數(shù)序號、噴射壓力、噴射距離、軌跡間隔、移動速度、噴射角度、粒子型號等數(shù)據(jù)，當(dāng)水射流強(qiáng)化設(shè)備模型或者實(shí)體設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生新的工藝參數(shù)數(shù)據(jù)時，更新該數(shù)據(jù)庫表。

表6 工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫表Table 6 Process parameter database table

表7 示出了葉片表面完整性參數(shù)數(shù)據(jù)庫表，主要包括表面完整性參數(shù)序號、表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度、硬度等數(shù)據(jù)，當(dāng)葉片獲得新的表面完整性參數(shù)時，更新該數(shù)據(jù)庫表。

表7 表面完整性參數(shù)數(shù)據(jù)庫表Table 7 Surface integrity parameter database table

4.2 數(shù)據(jù)庫的交互

數(shù)據(jù)庫的交互主要分為3 個部分，即數(shù)據(jù)庫與模型層間的交互、數(shù)據(jù)庫與實(shí)體層間的交互和數(shù)據(jù)庫與應(yīng)用層之間的交互。圖12 示出了數(shù)據(jù)庫的交互框架。

圖12 數(shù)據(jù)庫交互框架Fig.12 Framework of database interaction

如圖12 所示，孿生系統(tǒng)將模型層在MATLAB/Simulink 中產(chǎn)生的仿真數(shù)據(jù)和實(shí)體層中測試數(shù)據(jù)輸入到MySQL 數(shù)據(jù)庫中，并在基于App Designer 開發(fā)的服務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行調(diào)用，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)的傳輸。

5 應(yīng)用層

本系統(tǒng)應(yīng)用平臺基于MATLAB App Designer(R2020a)平臺進(jìn)行開發(fā)，包括狀態(tài)監(jiān)測、質(zhì)量檢測和參數(shù)預(yù)測模塊。

如圖13 所示，狀態(tài)監(jiān)測模塊主要啟動和結(jié)束強(qiáng)化工藝、加載模型與強(qiáng)化軌跡、顯示葉片強(qiáng)化進(jìn)程、監(jiān)測工藝參數(shù)和噴頭運(yùn)動狀態(tài)等；質(zhì)量檢測模塊根據(jù)狀態(tài)監(jiān)測模塊得到的工藝參數(shù)，通過部署的規(guī)則模型，預(yù)測強(qiáng)化后的葉片表面完整性參數(shù)，以評估強(qiáng)化效果；參數(shù)預(yù)測模塊根據(jù)手動輸入的工藝參數(shù)，選擇相應(yīng)的規(guī)則模型，預(yù)測指定工藝參數(shù)下的表面完整性參數(shù)，以便篩選工藝參數(shù)。

圖13 應(yīng)用平臺界面Fig.13 Interface of application platform

6 應(yīng)用實(shí)例

本節(jié)介紹葉片水射流強(qiáng)化工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)的工作流程，射流噴頭在葉片表面按照預(yù)設(shè)軌跡進(jìn)行噴射強(qiáng)化，通過狀態(tài)監(jiān)測模塊監(jiān)測強(qiáng)化過程，通過質(zhì)量檢測模塊預(yù)測強(qiáng)化質(zhì)量，通過參數(shù)預(yù)測模塊離線預(yù)測指定工藝參數(shù)下的表面完整性。

6.1 用戶登錄

用戶通過應(yīng)用平臺使用數(shù)字孿生系統(tǒng)所提供的功能，首先進(jìn)入用戶登錄界面，通過輸入用戶名和密碼獲取使用權(quán)限，如圖14 所示。

圖14 用戶登錄Fig.14 User login

6.2 狀態(tài)監(jiān)測

獲取系統(tǒng)使用權(quán)限后，進(jìn)入狀態(tài)監(jiān)測模塊，如圖15 所示。首先用戶加載Simulink 模型文件和強(qiáng)化軌跡方案，如果模型連接成功，模型狀態(tài)指示燈為綠色；否則為紅色。通過TCP/IP 協(xié)議與實(shí)體層的連接，如果連接成功，實(shí)體狀態(tài)指示燈為綠色，否則為紅色。然后通過“開始噴射”按鈕，啟動射流強(qiáng)化進(jìn)程，通過“結(jié)束噴射”按鈕，結(jié)束該過程。在圖15 所示的“強(qiáng)化進(jìn)程”區(qū)域中顯示射流噴頭的加工軌跡。同時，在“工藝參數(shù)監(jiān)測”區(qū)域?qū)崟r顯示強(qiáng)化工藝參數(shù)，即噴射靶距、噴射角度和移動速度，如表8 所示；在“模型運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)”區(qū)域?qū)崟r顯示噴頭的位置坐標(biāo)和歐拉角，通過Mechanics Explorer 工具實(shí)時顯示機(jī)械臂的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

圖15 強(qiáng)化過程的狀態(tài)監(jiān)測Fig.15 Strengthen condition monitoring in the process

表8 強(qiáng)化過程中監(jiān)測的工藝參數(shù)Table 8 Process parameters monitored during strengthening

在狀態(tài)監(jiān)測模塊中，用戶可以實(shí)時監(jiān)測實(shí)體層機(jī)械臂的運(yùn)動狀態(tài)、噴頭的強(qiáng)化軌跡和強(qiáng)化工藝參數(shù)，便于用戶監(jiān)測加工過程、評估強(qiáng)化方案，從而“孿生”了水射流強(qiáng)化工藝。

6.3 質(zhì)量檢測

質(zhì)量檢測模塊實(shí)時預(yù)測葉片強(qiáng)化區(qū)域的表面質(zhì)量，強(qiáng)化過程的質(zhì)量檢測如圖16 所示。強(qiáng)化加工開始后，以狀態(tài)監(jiān)測模塊中記錄的工藝參數(shù)為輸入數(shù)據(jù)，利用3.2.2 節(jié)建立的表面殘余應(yīng)力預(yù)測模型、表面粗糙度預(yù)測模型和表面硬度預(yù)測模型，輸出預(yù)測的表面殘余應(yīng)力、表面粗糙度、表面硬度等表面質(zhì)量表征參數(shù)，并顯示其變化趨勢。在表8 所示的強(qiáng)化工藝參數(shù)下，預(yù)測得到的表面完整性參數(shù)如表9 所示。

表9 強(qiáng)化過程中預(yù)測的表面完整性參數(shù)Table 9 Predicted surface integrity parameters during strengthening

圖16 強(qiáng)化過程的質(zhì)量檢測Fig.16 Strengthen quality inspection in the process

6.4 參數(shù)預(yù)測

在離線狀態(tài)下，參數(shù)預(yù)測模塊可以完成對表面完整性參數(shù)的預(yù)測，如圖17 所示，用戶可以手動輸入一組工藝參數(shù)，同樣利用3.2.2 節(jié)的表面殘余應(yīng)力預(yù)測模型、表面粗糙度預(yù)測模型和表面硬度預(yù)測模型，得到了這一組工藝參數(shù)下的表面完整性參數(shù)。當(dāng)用戶指定了明確的表面完整性參數(shù)時，通過參數(shù)預(yù)測模塊，可以初步篩選工藝參數(shù)，確定新的強(qiáng)化方案，從而減少新強(qiáng)化方案實(shí)驗(yàn)的盲目性和試錯的工作量。

圖17 表面完整性的離線預(yù)測Fig.17 Offline prediction of surface integrity

7 結(jié) 論

本文研究葉片水射流強(qiáng)化工藝的數(shù)字孿生系統(tǒng)，首先根據(jù)水射流強(qiáng)化工藝原理，明確了水射流表面強(qiáng)化的數(shù)字孿生系統(tǒng)的框架；其次在實(shí)體層、模型層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層以及數(shù)據(jù)傳輸5 個層面上，完成了數(shù)字孿生系統(tǒng)的設(shè)計，實(shí)現(xiàn)了物理系統(tǒng)的強(qiáng)化裝備和工藝的虛擬映射，以及各層級之間的連接和交互。應(yīng)用實(shí)例分析結(jié)果表明，所構(gòu)建的數(shù)字孿生系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測強(qiáng)化設(shè)備的工作狀態(tài)、檢測強(qiáng)化后葉片的表面完整性，預(yù)測特定強(qiáng)化工藝下的強(qiáng)化效果，為強(qiáng)化工藝的選擇和優(yōu)化提供決策支持。