《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》：High-frequency inertial control approach for ultra-precision machine dynamic stiffness enhancement
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在超精密机床中，振动控制仍然具有挑战性，因为紧凑的结构与严格的运动精度要求限制了常规阻尼方案的应用。超越传统耗能阻尼方法，研究人员提出了一种高频惯性控制方法，该方法将受控谐波激励直接施加于工作台滑鞍。随着惯性效应占主导，由此产生的惯性相互作用提高了有效动态刚度
在超精密机床中，振动控制仍然具有挑战性，因为紧凑的结构与严格的运动精度要求限制了常规阻尼方案的应用。超越传统耗能阻尼方法，研究人员提出了一种高频惯性控制方法，该方法将受控谐波激励直接施加于工作台滑鞍。随着惯性效应占主导，由此产生的惯性相互作用提高了有效动态刚度，降低了结构受纳率（receptance），并抑制了振动。研究人员系统地建立了加压气膜界面处作动诱导扰动的耦合动力学模型，以捕捉耦合动力学同时保留运动精度。模型引导设计识别了最优作动源-动态传递路径，产生了近理想系统行为，并在近非耗散气膜条件下实现了振动加速度的一致降低。实验加工测试表明，在600 Hz处，所提方法显著抑制了颤振。具体而言，表面粗糙度Sa从0.298 μm降至0.224 μm，同时切削力波动从8.15 N降至5.53 N，且由晶粒冲击引起的亚表面裂纹扩展减少。更广泛地，本工作确立了高频惯性控制作为一种结构集成策略用于调节机床动力学，为面向抗振超精密机床提供了一条实用途径。
研究背景方面，超精密机床因纳米级公差对动态扰动高度敏感，振动直接影响工艺稳定性、尺寸精度与加工效率。现有振动控制分为工艺导向策略与动力学导向策略：前者通过变速车削或传感器检测调整加工条件抑制颤振；后者直接作用于结构响应，如主动力激励柔性工件。然而超精密机床高度集成紧凑的结构严重限制了附加减振装置的引入，被动阻尼调谐带宽窄且对模态变化敏感，主动阻尼依赖压电/电磁作动器带宽与布置，缺乏紧凑、宽带、结构集成的动态刚度增强方案。气浮（aerostatic）滑块的低刚度、间隙敏感性及高压缩性气膜在近高频下趋于弱耗散，使常规阻尼思路受限。为此，研究人员提出高频惯性控制方法，利用现有滑鞍质量作为惯性元件，在z向施加预设高频谐波激励，借助气膜界面的频率相关刚度与阻尼重塑系统受纳率，从而在不增加辅助质量、不依赖实时反馈抵消力的情况下提升有效动态刚度（Kd(iω)=1/H(iω)）。
作者为开展研究所用的主要关键技术方法包括：基于等效单自由度（SDOF）与多自由度（MDOF）集总质量模型描述滑鞍-轴承-作动器耦合动力学，其中作动器-滑鞍界面柔度以界面刚度k表征；采用复合沟槽节流器气浮轴承，基于雷诺方程与小扰动法求解挤压气膜压力分布以获得等效动态刚度kd与阻尼c；以音圈电机（VCM）经柔铰连接器向固定机身滚轮导轨参照、向滑鞍施力，在600–850 Hz范围（涵盖434–621 Hz固有频率带）开展近非耗散工况预测；通过动态响应测试与磨削实验验证Sa、切削力波动及亚表面裂纹扩展。
研究结果部分，第2节方法论阐明：以SDOF受体模型揭示低频静刚度ks主导、共振峰由阻尼控制、高频惯性项mcω2主导使受纳率H下降而Kd上升的机制；概念配置中滑鞍兼作精密导向与受控惯性体，双VCM固定端经滚轮导轨锚定机身、动端经柔铰耦接滑鞍，避免整体作动器上滑鞍。第3节动态建模与性能预测建立含作动-滑鞍界面柔度的MDOF模型，指出ω超临界后气膜趋弹性层、c→0，衰减源于受纳率降低而非耗能；基于雷诺方程控制体离散计算显示，膜厚增大与供气压力提高均使kd随激励频率上升，c逐渐趋零，系统由阻尼影响转入刚度主导。第4节扰动特性与参数选择分析界面刚度k的权衡：过大放大高频扰动传递，过小增变形与相位滞后，据此选定600–650 Hz考察上固有频带附近气膜阻尼影响惯性区，800–850 Hz捕捉近非耗散惯性主导转变。第5节实验评估显示600 Hz激励下振动加速度一致降低，磨削中Sa由0.298降至0.224 μm，切削力波动由8.15降至5.53 N，晶粒冲击诱发亚表面裂纹扩展减弱，颤振被显著抑制。
讨论与结论部分，研究人员指出高频惯性控制不以增加能量耗散为目标，而是通过强化惯性相关贡献至动态刚度、压制力-位移受纳率实现振动衰减，即便气膜阻尼计算近零仍可持续生效；该原理依赖滑鞍质量、作动能力、界面刚度与结构动力学匹配，须规避共振、拍频与过量扰动传递。论文确立高频惯性控制作为结构集成策略调节机床动力学，在气浮直线台上验证后可拓展至其他具导向动质量与高带宽作动的正运动系统，为抗振超精密机床提供实用路线。结论明确：现有滑鞍作惯性体、气膜供频率相关刚度阻尼、预设高频激励协同可重塑响应；模型揭示近非耗散下惯性主导动态刚度增强机制及作动-界面传递扰动机理；实验证认600 Hz处颤振抑制与表面完整性改善。论文发表于《INTERNATIONAL JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCES》。
