智能测量再突破：新方法让接触式测头快26倍！

——长安大学团队提出基于测量运动学建模的高效坐标测量新技术

零件检测的速度与精度往往直接决定产品的质量与生产节拍。
近日，《航空制造技术》期刊刊发了长安大学李俊团队的最新研究成果——“一种基于测量运动学建模的接触式测头测量坐标的方法”。

这项研究针对数控机床在机测量过程中效率低、响应慢的问题，提出了一种全新的测量运动学建模与误差补偿算法。
验证结果显示：该方法可在保证同等精度的情况下，将测量时间从 9.31 秒缩短至仅 0.36 秒，效率提升 约26倍，为智能制造提供了高效检测新思路。

一、背景：检测慢，一直是智能制造的“隐痛”

在现代数控机床中，接触式测头是检测零件尺寸、位置精度和表面质量的关键装置。
它像“机床的眼睛”，能在加工完成后，自动触碰工件并记录坐标，实现所谓的“在机测量”。

但问题是——它太慢了。

传统方法每次测量一个点，都要经历“加速—匀速—触发—减速”一整套过程。
测量速度稍快，探针就可能因惯性触发提前信号；测得太慢，又影响节拍。

尤其是在工件坐标范围已知的情况下，这种保守的测量策略显得更加低效。
“慢检测”成了限制机内测量普及的主要瓶颈。

二、新思路：用运动学模型重新理解测量

李俊团队认为，要提升效率，首先要重新建模测头的运动过程。

他们基于测量运动学理论，将测头与机床的运动关系进行数学建模。
以机床 Z 轴为例，研究团队分析了其加速、匀速、减速阶段的速度变化规律，并结合Fanuc数控系统的加减速控制参数，建立了完整的时间—速度模型。

简单来说，就是让机床知道：

“我应该在什么速度下触碰工件、在什么时刻触发信号、如何控制加减速曲线才能既快又准。”

三、关键突破：效率优化 + 误差补偿

1️⃣ 高速下的误差补偿模型

测量速度一旦提高，就会带来触发延迟误差。
为此，研究团队提出了测量误差模型，用数学公式计算测头触发信号与机床响应之间的时间差。

通过分析触发信号传递路径（从探针压缩到伺服系统响应），团队定义了关键参数：

• Δtde ——测头触发到机床减速的延迟时间；

• Δtef ——机床记录触发位置的响应时间；

• Δteg ——机床减速停止的时间常数。

随后，他们利用雷尼绍（Renishaw）XL-80北京激光干涉仪标定这些时间参数，使误差补偿更加精准。

2️⃣ 测量效率优化策略

研究表明，测量时间主要取决于测头加速到目标速度并接触工件的时长。

团队通过控制测量速度与测量距离两组参数，提出了两种提速策略：

• 提高测量速度：加速阶段保持不变，减少匀速运行时间；

• 减小测量距离：让测头在刚达到目标速度时即刻触发。

这两种方式都能显著压缩“空跑”时间。理论推导表明，当加速末端即触发时，测量时间最短，仅由固定加减速时间决定。

四、实验验证：速度快26倍，误差仅4微米

在验证实验中，团队选择了英国Bridgeport VMC 1000 XP立式铣床（Fanuc 18i-M系统），
配备雷尼绍OMP40-2光学测头和Mitutoyo 60.012mm环规作为标准工件。

在实验中，他们对比了传统Renishaw测量程序与优化参数后的程序，结果令人惊讶：

两组数据精度一致，但时间缩短了26倍！

这意味着，在保证高精度的前提下，车间测量节拍可从每件十秒缩短至不到一秒。
对于批量生产的零件，这种提速堪称“革命性改进”。

五、核心技术支撑：激光标定与数学建模

该研究中最关键的环节是运动学参数标定实验。

研究团队利用激光干涉仪对机床Z轴运动进行实时采样（采样频率50kHz），
记录从测头加速到触发、减速、停止的全过程，并在软件中拟合出完整的加减速曲线。

随后，团队将数据导入数学模型中，
得到每个阶段的精确时间常数，从而推导出测头触发误差与速度之间的关系。

经过反复比对与实验修正，建立了一个可通用的测量运动学模型，可为不同机床提供参数化支持。

六、应用价值：让机床“更聪明”

这一研究的价值不仅在于提速，更在于让机床“学会思考”。

通过模型驱动，机床能够在测量前自动判断：

• 当前速度是否会引发触发延迟？

• 需要多少补偿量？

• 是否可以直接用更快速度完成测量？

未来，该方法可扩展到：

• 多轴机床的曲面测量（沿法矢方向实时检测）；

• 加工误差在线补偿；

• 复杂零件（如叶片、模具）的快速精检。

这将极大推动机床从“能加工”迈向“会检测、能自校正”的智能制造阶段。

七、专家点评

“该研究解决了长期困扰在机测量领域的效率瓶颈问题。”
——靳淇超 博士（论文通讯作者）

“它通过运动学建模将传统经验控制转化为数学控制，
让接触式测头真正具备‘高速与高精度兼得’的能力。”
——浙江高档数控机床技术创新中心 陈泽忠 工程师

八、结语

从“精度补偿”到“智能测量”，从“手动检测”到“机床自检”，
李俊团队的这项研究，为我国高端数控测量技术迈出了坚实一步。

在制造业加速迈向智能化、自动化的今天，
这样的技术突破不仅提升了测量效率，更为“国产高端机床的智能检测体系”
提供了理论与实验的双重支撑。

未来，测量不再是生产的“瓶颈”，
而将成为机床智能控制的“核心能力”。