引用論文

Guoda Chen, Shenghao Tang, Yuting Jiang, Dingxu Zhou, Dapeng Tan. Digital twin‐based error motion monitoring and prediction method for aerostatic spindle, Chinese Journal of Mechanical Engineering,Volume 39, 2026, 100016, https://doi.org/10.1016/j.cjme.2025.100016.

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01

研究背景及目的

氣體靜壓主軸作為超精密機(jī)床的關(guān)鍵部件，其誤差運(yùn)動(dòng)對(duì)加工精度和可靠性至關(guān)重要。主軸誤差運(yùn)動(dòng)不可避免，對(duì)其進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)及預(yù)測(cè)十分必要，目前針對(duì)氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)的在線監(jiān)測(cè)并不多且智能化水平不高。針對(duì)該問(wèn)題，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，建立了面向誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的氣體靜壓主軸數(shù)字孿生體，提出了基于機(jī)理與數(shù)據(jù)融合模型的氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，開(kāi)發(fā)了高可用性和高交互性的氣體靜壓主軸數(shù)字孿生體服務(wù)平臺(tái)，以提升主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)的智能化水平。

02

試驗(yàn)方法

本文結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，基于數(shù)字孿生五維模型，建立面向誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的氣體靜壓主軸數(shù)字孿生體，開(kāi)發(fā)氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中引入和現(xiàn)實(shí)主軸同步運(yùn)動(dòng)的虛擬主軸，以三維立體視角更直觀地展現(xiàn)主軸誤差運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)過(guò)程的交互性，提高監(jiān)測(cè)效率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)主軸誤差運(yùn)動(dòng)的仿真與預(yù)測(cè)。提出基于機(jī)理與數(shù)據(jù)融合模型的主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，借助數(shù)據(jù)模型對(duì)機(jī)理模型計(jì)算值進(jìn)行修正的同時(shí)，結(jié)合機(jī)理模型的透明度解決了數(shù)據(jù)模型缺乏可解釋性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)對(duì)主軸誤差運(yùn)動(dòng)的精確且具備可解釋性的預(yù)測(cè)。

03

結(jié)果

通過(guò)基于數(shù)字孿生的氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)仿真及實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性，此外，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)平臺(tái)的實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性。在研究中，將基于機(jī)理與數(shù)據(jù)融合模型的主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)值與機(jī)理模型預(yù)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)各工況下機(jī)理與數(shù)據(jù)融合模型的MSE、RMSE、MAE均遠(yuǎn)低于機(jī)理模型的MSE、RMSE、MAE，驗(yàn)證了所提出的融合模型在主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)中的準(zhǔn)確性和可靠性。

04

結(jié)論

本研究基于主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)的必要性及數(shù)字孿生技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，以氣體靜壓主軸為研究對(duì)象，提出了基于機(jī)理與數(shù)據(jù)融合模型的氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，結(jié)合數(shù)字孿生技術(shù)，建立了面向誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的氣體靜壓主軸數(shù)字孿生體，搭建了氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，開(kāi)展了主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)研究，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中引入和現(xiàn)實(shí)主軸同步運(yùn)動(dòng)的虛擬主軸，以三維立體視角更直觀地展現(xiàn)主軸誤差運(yùn)動(dòng)，增強(qiáng)監(jiān)測(cè)過(guò)程的交互性，提高監(jiān)測(cè)效率，并對(duì)主軸誤差運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真、預(yù)測(cè)。主要研究成果如下：（1）建立了面向誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的氣體靜壓主軸數(shù)字孿生體，為基于數(shù)字孿生的氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)奠定了基礎(chǔ)，提升了主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)的智能化水平。（2）提出了基于機(jī)理與數(shù)據(jù)融合模型的氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)方法，建立了基于機(jī)理與數(shù)據(jù)融合模型的氣體靜壓主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了精度高、可解釋性強(qiáng)的主軸誤差運(yùn)動(dòng)預(yù)測(cè)。（3）搭建了高可用性和高交互性的氣體靜壓主軸數(shù)字孿生體服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了主軸誤差運(yùn)動(dòng)的三維可視化監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)與仿真，具備較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

05

前景與應(yīng)用

所提出的方法可有效提升主軸誤差運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)與預(yù)測(cè)的智能化水平，相關(guān)軟件和硬件可以部署在超精密機(jī)床中，進(jìn)一步提高超精密機(jī)床的加工精度和可靠性，同時(shí)可為光學(xué)元件超精密加工等重要領(lǐng)域的工藝研究和裝備開(kāi)發(fā)提供必要的理論與技術(shù)支撐。

關(guān)于作者

01

作者介紹

陳國(guó)達(dá)，浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程研究所副所長(zhǎng)，博士生導(dǎo)師。2015年哈爾濱工業(yè)大學(xué)精密工程研究所博士畢業(yè)（美國(guó)西北大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)），曾在浙江大學(xué)、新加坡國(guó)立大學(xué)進(jìn)行博士后和訪問(wèn)研究，入選浙江省科協(xié)育才工程（培育期滿考核優(yōu)秀）以及浙江工業(yè)大學(xué)“十四五”高層次人才培育計(jì)劃。長(zhǎng)期從事超精密加工工藝與裝備、氣體軸承、激光金屬增材制造等方面的研究，近年來(lái)主持包括GF某重大項(xiàng)目課題、國(guó)家自然科學(xué)基金（面上、青年）、浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（重點(diǎn)、一般、青年）、重大橫向項(xiàng)目等在內(nèi)的科研項(xiàng)目10余項(xiàng)。

已發(fā)表學(xué)術(shù)論文85篇（含SCI期刊論文49篇），獲授權(quán)發(fā)明專利43件、軟件著作權(quán)3件。現(xiàn)任中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)生產(chǎn)工程分會(huì)（機(jī)床領(lǐng)域）委員，中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)先進(jìn)光學(xué)制造青年專家委員會(huì)委員，中國(guó)振動(dòng)工程學(xué)會(huì)機(jī)械動(dòng)力學(xué)專業(yè)委員會(huì)委員，國(guó)家自然科學(xué)基金、廣東省等多個(gè)地方科技計(jì)劃項(xiàng)目評(píng)審專家，中國(guó)科協(xié)青年科技人才培育工程博士生專項(xiàng)評(píng)審專家，全國(guó)博士后創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽決賽評(píng)審專家，浙江省青年高層次人才協(xié)會(huì)工業(yè)母機(jī)專題工作咨詢專家等，并任國(guó)際SCI期刊Shock and Vibration編委和國(guó)際期刊Additive Manufacturing Frontiers青年編委。曾獲《機(jī)械工程學(xué)報(bào)》第四屆高影響力論文獎(jiǎng)。

03

近年團(tuán)隊(duì)代表性文章

(1)Guoda Chen*, Zhaoshou Chen. A novel variable orifice restriction aerostatic bearing. Physics of Fluids, 2025, 37(3): 033627.

(2)Guoda Chen*, Zhaoshou Chen, Yifan Ge. Active control method for frequency domain error of aerostatic spindle based on acoustic levitation. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2025, 38: 20.

(3)Guoda Chen, Yifan Ge, Qi Lu, Wei Zhang, Nan Yu, Minghuan Wang. Structure optimization of aerostatic thrust bearing based on air film pressure field characteristics analysis. Tribology Transactions, 2024, 67(1): 112-122.

(4)Guoda Chen, Wei Zhang, Zhaoshou Chen, Shenghao Tang. Optimization of ultrasonic levitation bearing load characteristics based on rotor surface microstructure. Physics of Fluids, 2023, 35(12):126113.

(5)Guoda Chen, Yifan Ge, Qi Lu, Wei Zhang, Shen Wang. Air film pressure field characteristics of aerostatic thrust bearing with orifice blockage. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2023, 124(11-12): 4317-4328.

作 者：陳國(guó)達(dá)等

責(zé)任編輯：惲海艷

責(zé)任校對(duì)：向映姣

審 核：張 彤

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