浙工大陳國達等：基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸頻域誤差主動控制方法 | CJME論文推薦

引用論文

Chen, G., Chen, Z. & Ge, Y. Active Control Method for Frequency Domain Error of Aerostatic Spindle Based on Acoustic Levitation. Chin. J. Mech. Eng.38, 20 (2025). https://doi.org/10.1186/s10033-024-01163-w

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關于文章

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研究背景及目的

超精密氣體靜壓主軸是納米精度加工裝備的關鍵部件，在國防軍工、航空航天和民用高科技領域的高性能光學加工中有著重要應用。目前研究表明，對于具有加工表面全頻段誤差要求的高性能光學元件，超精密氣體靜壓主軸頻域誤差的控制是實現其高質量加工的瓶頸問題之一，而氣體靜壓主軸在運行中由于受極為復雜的多場耦合作用影響，其頻域誤差的控制在國際學術界至今仍是難點問題。從國內外研究現狀看，目前對氣體靜壓主軸頻域誤差的控制表現為難以實現或相對被動，即可控性不足。針對超精密氣體靜壓主軸頻域誤差主動控制的目標，創新性地提出了基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸頻域誤差主動控制方法。

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試驗方法

提出了基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸頻域誤差主動控制方法，首先研究得到一種基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸創新結構，開展了聲-磁-流-固多場耦合建模研究，建立了聲-磁-流-固多場耦合仿真模型，該模型可用于研究主軸多源參數對于主軸誤差的影響規律。搭建基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸誤差控制實驗平臺用于實驗驗證。

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結果

通過數值仿真和實驗，獲得了聲懸浮作用對于氣體靜壓主軸頻域誤差的影響規律。結果表明，聲懸浮在一定范圍內實現超精密氣體靜壓主軸頻域誤差（包括幅值和頻率）的主動調控，從而證明了基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸頻域誤差主動控制方法的有效性。

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結論

針對主軸頻域誤差可控性需求和難點，本論文提出了基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸頻域誤差主動控制方法，實現了從“誤差被動控制”到“誤差主動控制”的飛躍，通過聲-磁-流-固多場耦合建模和數值仿真分析，獲得了聲懸浮作用對于氣體靜壓主軸頻域誤差的影響規律，通過初步實驗研究表明聲懸浮作用可在一定程度上實現對氣體靜壓主軸頻域誤差的主動控制，從而驗證了所提方法的有效性。下一步，將圍繞該方法進行更多的理論研究，并開展加工實驗進行深入研究。

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前景與應用

基于所提出的方法，有望在一定范圍內實現超精密氣體靜壓主軸頻域誤差（包括幅值和頻率）的主動調控。有關研究成果可為聲-磁-流-固多場耦合分析方面的理論研究提供有益參考，對于進一步提升高性能光學元件的加工質量和可靠性，提高超精密氣體靜壓主軸的研制水平，具有重要的理論指導和技術借鑒價值。

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。現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, 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.

(2)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.

(3)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.

(4)Guoda Chen, Qi Lu, Yifan Ge, Wei Zhang. Theoretical and experimental investigation on air film pressure field characteristics of aerostatic thrust bearing. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part J: Journal of Engineering Tribology, 2022, 236(8): 1603-1612.

(5) Guoda Chen, Yazhou Sun, Feihu Zhang, Lihua Lu, Wanqun Chen, Nan Yu.Dynamic accuracy design method of ultra-precision machine tool.Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2018, 31: 8.

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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