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(guān)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(guān)鍵部件，在國防軍工、航空航天和民用高科技領(lǐng)域的高性能光學(xué)加工中有著重要應(yīng)用。目前研究表明，對(duì)于具有加工表面全頻段誤差要求的高性能光學(xué)元件，超精密氣體靜壓主軸頻域誤差的控制是實(shí)現(xiàn)其高質(zhì)量加工的瓶頸問題之一，而氣體靜壓主軸在運(yùn)行中由于受極為復(fù)雜的多場(chǎng)耦合作用影響，其頻域誤差的控制在國際學(xué)術(shù)界至今仍是難點(diǎn)問題。從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀看，目前對(duì)氣體靜壓主軸頻域誤差的控制表現(xiàn)為難以實(shí)現(xiàn)或相對(duì)被動(dòng)，即可控性不足。針對(duì)超精密氣體靜壓主軸頻域誤差主動(dòng)控制的目標(biāo)，創(chuàng)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(dòng)控制方法。

02

試驗(yàn)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(dòng)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(chuàng)新結(jié)構(gòu)，開展了聲-磁-流-固多場(chǎng)耦合建模研究，建立了聲-磁-流-固多場(chǎng)耦合仿真模型，該模型可用于研究主軸多源參數(shù)對(duì)于主軸誤差的影響規(guī)律。搭建基于聲懸浮的超精密氣體靜壓主軸誤差控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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結(jié)果

通過數(shù)值仿真和實(shí)驗(yàn)，獲得了聲懸浮作用對(duì)于氣體靜壓主軸頻域誤差的影響規(guī)律。結(jié)果表明，聲懸浮在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超精密氣體靜壓主軸頻域誤差（包括幅值和頻率）的主動(dòng)調(diào)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(dòng)控制方法的有效性。

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結(jié)論

針對(duì)主軸頻域誤差可控性需求和難點(diǎn)，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(dòng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了從“誤差被動(dòng)控制”到“誤差主動(dòng)控制”的飛躍，通過聲-磁-流-固多場(chǎng)耦合建模和數(shù)值仿真分析，獲得了聲懸浮作用對(duì)于氣體靜壓主軸頻域誤差的影響規(guī)律，通過初步實(shí)驗(yàn)研究表明聲懸浮作用可在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體靜壓主軸頻域誤差的主動(dòng)控制，從而驗(yàn)證了所提方法的有效性。下一步，將圍繞該方法進(jìn)行更多的理論研究，并開展加工實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入研究。

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前景與應(yīng)用

基于所提出的方法，有望在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)超精密氣體靜壓主軸頻域誤差（包括幅值和頻率）的主動(dòng)調(diào)控。有關(guān)研究成果可為聲-磁-流-固多場(chǎng)耦合分析方面的理論研究提供有益參考，對(duì)于進(jìn)一步提升高性能光學(xué)元件的加工質(zhì)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(dǎo)和技術(shù)借鑒價(jià)值。

關(guān)于作者

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作者介紹

陳國達(dá)，浙江工業(yè)大學(xué)機(jī)械電子工程研究所副所長，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)（美國西北大學(xué)聯(lián)合培養(yǎng)），曾在浙江大學(xué)、新加坡國立大學(xué)進(jìn)行博士后和訪問研究，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(xiàng)目課題、國家自然科學(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，并任國際SCI期刊Shock and Vibration編委和國際期刊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)。

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近年團(tuán)隊(duì)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(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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