浙工大陈国达等：基于数字孪生的气体静压主轴误差运动监测与预测方法| CJME论文推荐

引用论文

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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关于文章

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研究背景及目的

气体静压主轴作为超精密机床的关键部件，其误差运动对加工精度和可靠性至关重要。主轴误差运动不可避免，对其进行在线实时监测及预测十分必要，目前针对气体静压主轴误差运动的在线监测并不多且智能化水平不高。针对该问题，结合数字孪生技术，建立了面向误差运动监测的气体静压主轴数字孪生体，提出了基于机理与数据融合模型的气体静压主轴误差运动预测方法，开发了高可用性和高交互性的气体静压主轴数字孪生体服务平台，以提升主轴误差运动监测与预测的智能化水平。

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试验方法

本文结合数字孪生技术，基于数字孪生五维模型，建立面向误差运动监测的气体静压主轴数字孪生体，开发气体静压主轴误差运动监测平台，在监测过程中引入和现实主轴同步运动的虚拟主轴，以三维立体视角更直观地展现主轴误差运动，增强监测过程的交互性，提高监测效率，同时实现主轴误差运动的仿真与预测。提出基于机理与数据融合模型的主轴误差运动预测方法，借助数据模型对机理模型计算值进行修正的同时，结合机理模型的透明度解决了数据模型缺乏可解释性问题，实现对主轴误差运动的精确且具备可解释性的预测。

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结果

通过基于数字孪生的气体静压主轴误差运动监测仿真及实验，验证了本文所提出方法的有效性，此外，通过实验验证了监测平台的实时性与准确性。在研究中，将基于机理与数据融合模型的主轴误差运动预测值与机理模型预测值进行对比，发现各工况下机理与数据融合模型的MSE、RMSE、MAE均远低于机理模型的MSE、RMSE、MAE，验证了所提出的融合模型在主轴误差运动预测中的准确性和可靠性。

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结论

本研究基于主轴误差运动监测与预测的必要性及数字孪生技术的优势，以气体静压主轴为研究对象，提出了基于机理与数据融合模型的气体静压主轴误差运动预测方法，结合数字孪生技术，建立了面向误差运动监测的气体静压主轴数字孪生体，搭建了气体静压主轴误差运动监测平台，开展了主轴误差运动监测研究，在监测过程中引入和现实主轴同步运动的虚拟主轴，以三维立体视角更直观地展现主轴误差运动，增强监测过程的交互性，提高监测效率，并对主轴误差运动进行了仿真、预测。主要研究成果如下：（1）建立了面向误差运动监测的气体静压主轴数字孪生体，为基于数字孪生的气体静压主轴误差运动监测奠定了基础，提升了主轴误差运动监测的智能化水平。（2）提出了基于机理与数据融合模型的气体静压主轴误差运动预测方法，建立了基于机理与数据融合模型的气体静压主轴误差运动预测模型，实现了精度高、可解释性强的主轴误差运动预测。（3）搭建了高可用性和高交互性的气体静压主轴数字孪生体服务平台，实现了主轴误差运动的三维可视化监测、预测与仿真，具备较高的工程应用价值。

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前景与应用

所提出的方法可有效提升主轴误差运动监测与预测的智能化水平，相关软件和硬件可以部署在超精密机床中，进一步提高超精密机床的加工精度和可靠性，同时可为光学元件超精密加工等重要领域的工艺研究和装备开发提供必要的理论与技术支撑。

关于作者

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作者介绍

陈国达，浙江工业大学机械电子工程研究所副所长，博士生导师。2015年哈尔滨工业大学精密工程研究所博士毕业（美国西北大学联合培养），曾在浙江大学、新加坡国立大学进行博士后和访问研究，入选浙江省科协育才工程（培育期满考核优秀）以及浙江工业大学“十四五”高层次人才培育计划。长期从事超精密加工工艺与装备、气体轴承、激光金属增材制造等方面的研究，近年来主持包括GF某重大项目课题、国家自然科学基金（面上、青年）、浙江省自然科学基金项目（重点、一般、青年）、重大横向项目等在内的科研项目10余项。

已发表学术论文85篇（含SCI期刊论文49篇），获授权发明专利43件、软件著作权3件。现任中国机械工程学会生产工程分会（机床领域）委员，中国光学工程学会先进光学制造青年专家委员会委员，中国振动工程学会机械动力学专业委员会委员，国家自然科学基金、广东省等多个地方科技计划项目评审专家，中国科协青年科技人才培育工程博士生专项评审专家，全国博士后创新创业大赛决赛评审专家，浙江省青年高层次人才协会工业母机专题工作咨询专家等，并任国际SCI期刊Shock and Vibration编委和国际期刊Additive Manufacturing Frontiers青年编委。曾获《机械工程学报》第四届高影响力论文奖。

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近年团队代表性文章

(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：陈国达等

责任编辑：恽海艳

责任校对：向映姣

审 核：张 彤

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