浙工大陳國達等：基于數字孿生的氣體靜壓主軸誤差運動監測與預測方法| CJME論文推薦

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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關于文章

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研究背景及目的

氣體靜壓主軸作為超精密機床的關鍵部件，其誤差運動對加工精度和可靠性至關重要。主軸誤差運動不可避免，對其進行在線實時監測及預測十分必要，目前針對氣體靜壓主軸誤差運動的在線監測并不多且智能化水平不高。針對該問題，結合數字孿生技術，建立了面向誤差運動監測的氣體靜壓主軸數字孿生體，提出了基于機理與數據融合模型的氣體靜壓主軸誤差運動預測方法，開發了高可用性和高交互性的氣體靜壓主軸數字孿生體服務平臺，以提升主軸誤差運動監測與預測的智能化水平。

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試驗方法

本文結合數字孿生技術，基于數字孿生五維模型，建立面向誤差運動監測的氣體靜壓主軸數字孿生體，開發氣體靜壓主軸誤差運動監測平臺，在監測過程中引入和現實主軸同步運動的虛擬主軸，以三維立體視角更直觀地展現主軸誤差運動，增強監測過程的交互性，提高監測效率，同時實現主軸誤差運動的仿真與預測。提出基于機理與數據融合模型的主軸誤差運動預測方法，借助數據模型對機理模型計算值進行修正的同時，結合機理模型的透明度解決了數據模型缺乏可解釋性問題，實現對主軸誤差運動的精確且具備可解釋性的預測。

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結果

通過基于數字孿生的氣體靜壓主軸誤差運動監測仿真及實驗，驗證了本文所提出方法的有效性，此外，通過實驗驗證了監測平臺的實時性與準確性。在研究中，將基于機理與數據融合模型的主軸誤差運動預測值與機理模型預測值進行對比，發現各工況下機理與數據融合模型的MSE、RMSE、MAE均遠低于機理模型的MSE、RMSE、MAE，驗證了所提出的融合模型在主軸誤差運動預測中的準確性和可靠性。

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結論

本研究基于主軸誤差運動監測與預測的必要性及數字孿生技術的優勢，以氣體靜壓主軸為研究對象，提出了基于機理與數據融合模型的氣體靜壓主軸誤差運動預測方法，結合數字孿生技術，建立了面向誤差運動監測的氣體靜壓主軸數字孿生體，搭建了氣體靜壓主軸誤差運動監測平臺，開展了主軸誤差運動監測研究，在監測過程中引入和現實主軸同步運動的虛擬主軸，以三維立體視角更直觀地展現主軸誤差運動，增強監測過程的交互性，提高監測效率，并對主軸誤差運動進行了仿真、預測。主要研究成果如下：（1）建立了面向誤差運動監測的氣體靜壓主軸數字孿生體，為基于數字孿生的氣體靜壓主軸誤差運動監測奠定了基礎，提升了主軸誤差運動監測的智能化水平。（2）提出了基于機理與數據融合模型的氣體靜壓主軸誤差運動預測方法，建立了基于機理與數據融合模型的氣體靜壓主軸誤差運動預測模型，實現了精度高、可解釋性強的主軸誤差運動預測。（3）搭建了高可用性和高交互性的氣體靜壓主軸數字孿生體服務平臺，實現了主軸誤差運動的三維可視化監測、預測與仿真，具備較高的工程應用價值。

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前景與應用

所提出的方法可有效提升主軸誤差運動監測與預測的智能化水平，相關軟件和硬件可以部署在超精密機床中，進一步提高超精密機床的加工精度和可靠性，同時可為光學元件超精密加工等重要領域的工藝研究和裝備開發提供必要的理論與技術支撐。

關于作者

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作者介紹

陳國達，浙江工業大學機械電子工程研究所副所長，博士生導師。2015年哈爾濱工業大學精密工程研究所博士畢業（美國西北大學聯合培養），曾在浙江大學、新加坡國立大學進行博士后和訪問研究，入選浙江省科協育才工程（培育期滿考核優秀）以及浙江工業大學“十四五”高層次人才培育計劃。長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，近年來主持包括GF某重大項目課題、國家自然科學基金（面上、青年）、浙江省自然科學基金項目（重點、一般、青年）、重大橫向項目等在內的科研項目10余項。

已發表學術論文85篇（含SCI期刊論文49篇），獲授權發明專利43件、軟件著作權3件?，F任中國機械工程學會生產工程分會（機床領域）委員，中國光學工程學會先進光學制造青年專家委員會委員，中國振動工程學會機械動力學專業委員會委員，國家自然科學基金、廣東省等多個地方科技計劃項目評審專家，中國科協青年科技人才培育工程博士生專項評審專家，全國博士后創新創業大賽決賽評審專家，浙江省青年高層次人才協會工業母機專題工作咨詢專家等，并任國際SCI期刊Shock and Vibration編委和國際期刊Additive Manufacturing Frontiers青年編委。曾獲《機械工程學報》第四屆高影響力論文獎。

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近年團隊代表性文章

(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：陳國達等

責任編輯：惲海艷

責任校對：向映姣

審 核：張 彤

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