(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210641176.X (22)申请日 2022.06.08 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 史江海　曹宏瑞　 (74)专利代理 机构 西安通大专利代理有限责任 公司 6120 0 专利代理师 王艾华 (51)Int.Cl. G01M 1/16(2006.01) G01M 1/32(2006.01) G06F 30/23(2020.01) (54)发明名称 基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡 方法及系统 (57)摘要 本发明公开一种基于数字孪生模型的空气 静压主轴动平衡方法及系统， 方法具体为： 首先 基于空气静压主轴物理实体特征参数及工况参 数， 建立空气静压主轴数字孪生模型； 通过改变 空气静压主轴与机床本体之间的结合刚度和阻 尼参数， 对主轴不平衡振动响应机理及放大方法 进行研究； 然后创新设计变刚度连接结构， 将空 气静压主轴和机床本体 之间进行高精度耦合， 基 于同频共振原理， 对空气静压主轴不平 衡振动响 应幅值进行放大； 利用高精度喷液式平衡装置对 主轴进行不平衡补偿， 降低主轴的不平衡振动响 应； 最后将空气静压主轴和机床 本体之间进行高 精度解耦， 实现空气静压主轴 高精度动平衡； 突 破现有动平衡方法的瓶颈， 实现 空气静压主轴高 精度动平衡 。 权利要求书2页 说明书6页 附图1页 CN 115165215 A 2022.10.11 CN 115165215 A 1.一种基于数字 孪生模型的空气静压主轴动平衡方法， 其特 征在于， 包括以下步骤： S1， 获取空气静压主轴的实体特 征参数以及工况参数； S2， 基于S1空气静压主轴实体特 征参数及工况参数， 建立空气静压主轴数字 孪生模型； S3， 基于S2空气静压主轴数字孪生模型， 模拟不同主轴与机床本体之间结合刚度和阻 尼参数对主轴转子 /壳体不平衡振动响应的影响规 律； S4， 基于S3所得影响规律， 根据结构共振原理， 提出基于同频共振原理的主轴不平衡振 动响应幅值放大与能量增强方法， 将空气静压主轴和机床本体之间进行高精度耦合， 通过 改变空气静压主轴的支撑刚度， 对空气静压主轴的不平衡振动响应幅值进行放大， 检验放 大后的空气静压主轴的振动响应幅值是否满足动平衡计算要求， 如果不满足， 则继续通过 改变空气静压主轴的支撑刚度， 对空气静压主轴的不平衡振动响应幅值进行放大， 直至满 足动平衡 计算要求； S5， 基于S4中放大后的空气静压主轴不平衡振动响应， 采用影响系数法计算不平衡质 量大小及相位分布， 利用高精度喷液式平衡装置对主轴进行不平衡补偿， 降低主轴的不平 衡振动响应， 检验主轴的动平衡精度是否满足要求， 如果不满足， 则返回S4， 再一次对主轴 进行动平衡精度提升， 直至主轴的动平衡精度满足要求， 最后将空气静压主轴和机床本体 之间进行解耦， 实现空气静压主轴高精度动平衡。 2.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法， 其特征在于， S1中所述 实体特征参数包括主轴转子、 径向/止推空气静压轴承、 电机以及壳体的几何结构 参数及所用材料特性； 所述几何结构参数从空气静压主轴的设计图纸文件中获取， 所述工 况参数是指空气静压主轴物理实体的工作转速、 供气压强以及外 部载荷。 3.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法， 其特征在于， S2中所述建立空气静压主轴数字孪生模型是通过将主轴转子有限元模型与空气径向/止推 轴承支承刚度与阻尼系数进行耦合得到， 所述主轴转子有限元模 型是基于Timoshenko梁 单 元计算得到， 所述空气径向/止推轴承支承刚度与阻尼系 数是采用有限差分法对线性扰动 雷诺方程进行求解计算得到； 所述线性扰动雷诺方程是将气膜厚度以及气膜压强一阶泰勒 展开式， 带入稳态雷诺方程计算得到； 所述气膜厚度以及气膜压强一阶泰勒展开式为： 式中， p是气膜压强， h是气膜厚度， Δx和Δy是空气轴承的平移小扰动， 和 是空 气轴承的倾 斜小扰动； 所述稳态润滑雷诺方程 为： 式中， η是气体的运动粘性系数， R是轴颈的半径， ω是轴颈的角速度， θ是轴承的周向角 度。 4.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法， 其特征在于，权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115165215 A 2S3中所述模拟主轴与机床 本体之间结合刚度和阻尼参数对主轴转子/壳体不平衡振动响应 的影响规律， 是将主轴与机床之间的连接看作是弹簧阻尼系统， 通过设置不同的主轴与机 床本体之 间结合刚度和阻尼参数， 模拟得到空气静压主轴在不平衡激励下的涡动形式以及 振动响应信号的产生机理， 再建立 转子不平衡激励与转子 /壳体振动响应之间的映射关系。 5.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法， 其特征在于， S4中所述基于同频共振原理的主轴不平衡振动响应幅值放大与能量增强方法， 是根据结构 共振原理， 通过改变空气静压主轴的支撑刚度， 当主轴的旋转频率与结构某一阶模态固有 频率相等时会发生共 振， 振动响应幅值增大， 振动响应信号能量得到增强。 6.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法， 其特征在于， S4中， 基于磁流变弹性体， 通过调节控制电流的大小， 使磁流变弹性体的流变特性发生连 续、 迅速和可逆的变化， 实现空气静压主轴支撑连续变刚度特性； 所述空气静压主轴和机床 本体之间进行高精度耦合， 是指将空气静压主轴和机床本体之 间的刚性连接转变为柔性连 接， 建立空气静压主轴 ‑变刚度结构 ‑机床本体耦合动力学 方程： 式中， M， C和K分别是空气静压主轴系统的质量、 阻尼和刚度矩阵， Ks是主轴与机床本体 之间连接结构的刚度矩阵， Fu是不平衡激励力。 7.根据权利要求1所述的基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡方法， 其特征在于， S5中所述空气静压主轴和机床本体之 间进行高精度解耦， 是指对空气静压主轴进 行不平衡 补偿， 使主轴与机床本体之间的柔 性连接变成刚性连接 。 8.一种基于数字孪生模型的空气静压主轴动平衡系统， 其特征在于， 参数获取模块、 数 字孪生模 型建立模块、 不平衡振动响应分析模块、 连续变刚度结构设计模块、 动平衡计算模 块、 动平衡补偿模块； 参数获取模块用于获取空气静压主轴的物理特 征参数以及工况参数； 数字孪生模型建立模块用于根据空气静压主轴实体特征参数及工况参数， 首先建立空 气静压主轴转子有限元模型， 将空气轴承的刚度与阻尼系数施加到相应的主轴结构上得到 空气静压主轴的数字 孪生模型； 不平衡振动响应分析模块用于分析空气静压主轴在不平衡激励下的涡动形式以及振 动响应信号的产生机理， 建立 转子不平衡激励与转子 /壳体振动响应之间的映射关系； 连续变刚度结构设计模块用于基于磁流变弹性体， 通过调节控制电流的大小， 使磁流 变弹性体的流变特性发生连续、 迅速和可逆的变化， 实现空气静压主轴支撑的连续变刚度 特性； 动平衡计算模块用于采用影响系数法分析空气静压主轴的不平衡振动响应信号， 计算 出不平衡的大小和位置； 动平衡补偿模块用于采用高精度喷液式平衡装置， 为主轴施加毫克级的配重， 实现主 轴的高精度动平衡。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115165215 A 3