[发明专利]基于三轴加速度传感器的高架横梁三维微小变形计算方法

说明书

技术领域

本发明涉及大型构件在高速移动过程中的三维变形计算领域，所述方法用于数控龙门机床高架横梁在高速加工过程中的三维微小变形的计算。

背景技术

数控机床广泛应用于国防、航空航天和国民经济各个部门，是自动化加工中最基本的设备，也关系到国家工业生产能否健康地发展。其性能的优劣是衡量一个国家工业技术(尤其是大型装备制造业)水平的主要指标。由于滑鞍(含滑枕)的重力、加工器材硬度、切削力的反作用等影响，横梁在加工过程中极易发生倾斜和扭曲(挠度)，这会严重影响加工精度。随着横梁运动速度的提高，这种变形量也随之增大，计算变形量的难度也在增加。因此研究高速移动横梁的三维微小变形的计算方法，从而可以为动态加工补偿预测提供依据，这对数控加工行业的发展具有重大意义。

横梁的三维变形主要是指它分别在X、Y、Z三个方向的变形量。在高速加工过程中，横梁会发生倾斜以及扭曲(挠度)，其实时姿态就是各种变形原因共同作用的结果。对横梁的实时姿态进行三维分解计算，再与初始姿态进行对比就可得出其在X、Y、Z三个方向的变形量，从而可以进行动态补偿值的计算。

目前，对横梁变形量的计算研究主要是采用Ansys软件进行仿真，根据仿真结果在制造横梁时改善其结构。此方法对于每类横梁都要进行分别仿真测试，不具有通用性，也只能在一定程度上减小横梁的变形量，并且仿真环境和现场工作环境不完全相同，未考虑一些实际因素。因此该方案并不能真正解决横梁在高速加工过程中的实时变形情况的精确测量。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点和不足，提供一种检测精度高、实时性好、数据处理能力强、可远程操作的加工中心高架横梁的三维微小变形的计算方法。主要通过在横梁上导轨(滑鞍运动的导轨)安装均匀分布的三轴加速度传感测量模块，各传感信号经信号预处理、数字化，再由Zigbee模块以无线通信方式传输给上位机的Zigbee协调器，信号处理模块的FPGA运算单元根据接收的数据，采用姿态算法计算出横梁的姿态参数，进而将所得参数经多传感数据耦合计算以及曲线拟合计算得到横梁的实时三维变形量。

本发明涉及基于三轴加速度传感器的高架横梁三维微小变形计算方法，其详细步骤包括：

(1)三轴加速度传感测量模块均匀分布的安装在横梁的上导轨(滑鞍运动的导轨)，用于测量重力加速度g在高架横梁X、Y、Z三个方向的分量：X方向的横摆加速度a_x、Y方向的侧倾加速度a_y、Z方向的俯仰加速度a_z；

(2)信号预处理单元对上一步中各测量模块输出的三轴加速度值进行滤波、调压处理；

(3)多路AD转换模块对上一步的输出信号进行数字化；

(4)Zigbee无线模块将采样所得数据无线传输给上位机的Zigbee协调器；

(5)信号处理模块的FPGA运算单元对Zigbee协调器接收到的数据进行温度补偿、姿态算法计算，获得各测量模块的安装点的实时姿态参数，最后通过多传感数据耦合算法计算以及曲线拟合计算得到横梁的三维变形量。

本发明公开的基于三轴加速度传感器的高架横梁三维微小变形计算方法，采用新型的微型加速度传感器，把通常用于飞机、导弹、航天飞船上的无陀螺惯性测量器件引入横梁姿态的测量，采用高性能逻辑可编程芯片FPGA作为核心运算单元，具有功耗小、可重构、精度高、反应快等优点，特别适合应用于大型构件在高速移动过程中的三维变形计算领域，该方法及相关系统在龙门加工中心高架横梁三维微小变形实时计算中的应用，对动态加工补偿的研究具有重大意义，具有非常广阔的应用前景。

本发明相对现有技术具有如下优点和有益效果：

(1)通过应用三轴加速度传感器捷联式微小变形的计算方法来计算高架横梁的实时姿态角，可以推广实现对各类动态梁的姿态角的计算；

(2)通过多传感数据耦合算法和曲线拟合算法可以计算出横量的三维变形量；

(3)在线计算横梁的变形情况，不需担心现场环境的干扰；

(4)无线传输测量数据，可以实现对机床的远距离集散控制。

附图说明

图1是本发明所述基于三轴加速度传感器的高架横梁三维微小变形计算方法的整体布局图；

图2是三轴加速度传感测量模块安装示意图；

图3是Zigbee无线模块安装示意图；

图4是本发明所述基于三轴加速度传感器的高架横梁三维微小变形计算方法相应系统的原理框图；