Digital twin-based lateral offset trajectory compensation and straightness measurement method for ultra-long guide rails
a:北京化工大学 高端压缩机及系统技术全国重点实验室
b:中国计量科学研究院 几何量计量科学研究所
本研究针对分段拼接法测量超长导轨直线度存在拼接误差和长距离漂移的问题，提出一种基于数字孪生的动态连续测量方法。通过光纤陀螺仪采集偏航角，干涉仪获取纵向位置，构建包含虚拟模型、数据校正、自适应滤波和轨迹补偿的多域数字孪生，在线更新参数并反馈至物理测量循环。实验表明，75 m导轨直线度达0.4052±0.0044 mm，优于三种传统方法，验证了框架的有效性和重复性。
超长导轨广泛应用于精密制造与大型装备，其全程直线度直接影响定位精度和运行稳定性。现有自准直仪、激光干涉仪、电子水平仪及拼接式测量方法虽已应用于长导轨检测，但普遍存在测段拼接误差、长距离漂移与重复性不足等问题，难以满足超长导轨单次连续高精度测量需求。为此，本文提出一种基于数字孪生的动态连续测量方案，以提升超长导轨直线度测量的整体精度与工程适用性。
本文首先从数字孪生建模原理出发，将物理实体、虚拟实体、孪生数据库与误差补偿模型耦合为统一的虚实融合测量系统，使多源传感信息与计算模型能够协同工作。
在动态偏航角测量方面，研究利用高精度光纤陀螺获取运动过程中的偏航角信号，并分析攻角、侧滑角及环境扰动对测量结果的影响。在此基础上，通过角度积分修正，将姿态角信息转换为导轨平面内横向偏移量，为后续直线度重构与误差补偿提供理论支撑。
3.1 导轨装置三维模型
研究首先构建了超长导轨测量系统的三维虚拟模型，将导轨本体、气浮运动平台、光纤陀螺、激光干涉仪及温度传感器等关键部件纳入统一描述框架，并通过初始标定建立虚实参数映射关系，从而保证虚拟模型能够高精度对应实际测量装置，为后续在线更新和闭环补偿提供基础。
3.2 数据校正模型
在数据校正阶段，研究综合考虑长距离动态测量中的位置误差与温度漂移，构建了统一的补偿机制。通过引入共路虚拟干涉仪思想对纵向位置信号进行修正，可有效抑制运动链误差和累计偏差；同时结合沿导轨方向的加权温度补偿模型，对不同测点的热漂移进行校正，从而降低环境温差对直线度重构结果的系统性影响。
3.3 数据滤波与去噪模型
为提升动态测量数据的稳定性与可靠性，本文采用改进扩展卡尔曼滤波方法，对位移、温度与姿态角等多源信号进行联合去噪与状态估计，并识别由激光遮挡、振动或瞬时扰动引起的异常值。该模型能够在在线更新过程中同步估计残余误差，并依据工况变化自适应调整滤波参数，从而增强不同速度条件下的测量鲁棒性和输出一致性。、
3.4 横向轨迹补偿模型
针对偏航角积分后形成的横向偏移轨迹易受多源误差影响的问题，研究提出基于OAEEMD与RRT的轨迹补偿方法。该方法首先对横向偏移曲线进行多尺度分解，以区分不同频段的误差成分与几何特征；随后筛选对直线度结果影响显著的关键模态，并据此完成轨迹重构与补偿。该策略可有效减小往返测量间的轨迹偏差，提高横向偏移估计的精度与稳定性。
3.5 基于数字孪生的直线度评估模型
在完成数据校正、滤波去噪和轨迹补偿后，本文进一步构建了基于数字孪生的直线度评估模型，将三维虚拟模型、误差补偿模型和测量数据统一集成为多源异构的虚实融合框架。该模型通过持续比对实测结果与仿真结果，在线更新孪生状态及关键补偿参数，形成“测量—仿真—校正—再测量”的闭环优化机制，从而提升超长导轨直线度评估的整体精度与一致性。
研究在75 m超长导轨平台上开展了0.1–0.9 m/s多速度重复实验（每个速度10次），结果表明，所提动态连续测量方法在不同工况下均表现出良好的稳定性。未经数字孪生补偿时，最佳水平直线度可达到0.527 mm；经孪生模型误差校正与轨迹补偿后，最优直线度进一步提升至0.4052 ± 0.0044 mm，在9种速度条件下平均误差降低22.64%。此外，与自准直仪、激光干涉法和PSD方法相比，本文方法在相同实验条件下均取得更优测量精度与重复性，显示出更强的累计误差抑制能力和工程适用性。研究还通过大温差环境实验和多速度扰动实验验证了方法在热漂移、振动和气流干扰下的鲁棒性。
本文提出了一种面向超长直线导轨的数字孪生横向偏移轨迹补偿与直线度测量方法。该方法以光纤陀螺连续采集偏航角，结合IEKF滤波、RRT-OAEEMD轨迹补偿以及多源异构模型融合，构建了面向计量场景的多域数字孪生闭环框架。实验结果表明，该方法能够显著降低长距离动态测量中的累计误差与环境扰动影响，在75 m导轨上实现更高精度、更好重复性和更强稳定性的直线度评估。未来研究将进一步在不同导轨安装条件、真实车间环境及曲线导轨场景中开展验证与扩展。
