专利名称：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
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)安装均勻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勻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χ方向的横摆加速度\、Υ 方向的侧倾加速度 、Z方向的俯仰加速度\ ；(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；( 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。
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；图5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硬件结构示意图；图6、图7、图8和图9是三轴加速度传感测量模块测量横梁变形的相关曲线图；图10是Zigbee无线模块处理算法流程图；图11为多传感数据耦合算法计算流程具体实施例方式下面结合实例及附图，对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。参阅图1 高架横梁的三维变形计算方法相应系统的整体布局图，包括横梁1、横梁上导轨(滑鞍运动的导轨)2、横梁下导轨(滑鞍运动的导轨)3、横梁运动的导轨4、载物台5、滑鞍6、滑枕7、主轴8、三轴加速度传感测量模块9、多路AD转换模块10、Zigbee无线模块11、上位机12、Zigbee协调器13、信号处理模块14。
参阅图2 三轴加速度传感测量模块9均勻分布的安装在横梁1的上导轨(滑鞍运动的导轨)，各三轴加速度传感测量模块9的安装要求加速度传感器的三个敏感轴X轴、Y 轴、Z轴分别指向横梁运动轨道方向、横梁水平方向、重力加速度g的方向；坐标系Oxyz是正交的右手坐标系。参阅图3 每个三轴加速度传感测量模块9搭配一个Zigbee无线模块11，Zigbee 无线模块11的安装要求=Zigbee无线模块11安装在横梁外部，且进行防干扰保护。参阅图5 本发明涉及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的硬件系统示意图，包括多个下位机终端1、上位机2 ； (1)每个下位机终端1包含三轴加速度传感测量模块3、信号预处理单元4、多路AD转换模块5、Zigbee无线模块6、以及第一电源8 ；其中，Zigbee无线模块6自带无线单片机7及相应的收发电路；每个三轴加速度传感测量模块3测量安装点的三轴加速度值，它输出模拟电压信号，与信号预处理单元4电气连接；信号预处理单元4对三轴加速度传感测量模块3输出的各轴加速度值进行滤波和调压，该信号预处理单元4与多路AD转换模块5相互连接；多路AD转换模块5对信号预处理单元4的输出信号进行数字化，多路AD转换模块与无线单片机7相连；无线单片机7控制多路AD转换模块进行采样，并利用Zigbee无线模块6的收发电路和上位机2进行通信，将采样数据传送到上位机2的Zigbee协调器9 ；第一电源8是为三轴加速度传感测量模块3、 信号预处理单元4、多路AD转换模块5以及Zigbee无线模块6提供直流电源；其中，各三轴加速度传感器都采用MMA7361芯片，Zigbee无线模块6采用CCM30模块，其自带无线单片机和无线收发电路；(2)上位机2包含Zigbee协调器9、信号处理模块10、第二电源12 ； 其中，信号处理模块10包括FPGA运算单元11 ；Zigbee协调器9与各下位机的Zigbee无线模块6组成星形网络，按照CSMA/⑶协议进行通信，Zigbee协调器9接收各Zigbee无线模块6上传的数据，Zigbee协调器9与FPGA运算单元相连；FPGA运算单元对Zigbee协调器9接收的有效数据进行分析、温度补偿处理、耦合算法处理以及曲线拟合计算，最终得出横梁的三维变形量；第二电源13为Zigbee协调器9、信号处理模块10提供所需电源；其中 Zigbee协调器9采用CCM30模块，FPGA运算单元10采用Virtex2P_XC2VP30芯片。参阅图6、图7、图8和图9 图6表示挠度变形时，X轴和Z轴的波形图，其中，X轴的波形在上，Z轴的波形在下；图7横梁受重力变形时，Y轴和Z轴的波形图，其中，Y轴的波形在上，Z轴的波形在下；图8横梁受加工材料的反作用力向上弯曲变形时，Y轴和Z轴的波形图，其中，Y轴的波形在上，Z轴的波形在下；图9横梁受到Y方向的反作用力变形时，X 轴和Y轴的波形图，其中，X轴的波形在上，Y轴的波形在下。本发明涉及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的硬件系统，采用Verilog HDL语言编写FPGA运算单元11的程序，其工作流程包括(1)从Zigbee 协调器读入数据并进行保存，计算X、Y、Z三个轴与g(重力加速度)方向的夹角exg、0yg、 θ zg ； (2)依次计算变形后的Y、Z、X轴在原来的YOZ平面、XOZ平面、XOY平面的投影与初始的Y、ζ、X轴之间的夹角β、Y、α，即为三轴加速度传感测量模块安装点的姿态角；(3)利用每个三轴加速度传感测量模块安装点的姿态角以及各三轴加速度传感测量模块安装点之间的距离，经多传感耦合算法可以计算出每个三轴加速度传感测量模块安装点在X、Y方向的变形量以及初步得到每个三轴加速度传感测量模块安装点在Z轴的变形量，再对Z轴变形量进行误差补偿，最终得到每个三轴加速度传感测量模块安装点在X、Y、Z方向的变形量；(4)根据每个三轴加速度传感测量模块安装点在X、Y、Z方向的变形量进行曲线拟合计算，最后得到横梁的变形情况。
权利要求
1.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，其特征在于(1)三轴加速度传感测量模块用于测量重力加速度g在横梁X、Y、Z三个方向的分量 X方向的横摆加速度\、Y方向的侧倾加速度 、ζ方向的俯仰加速度\ ；(2)上述关于横梁姿态的三个加速度横摆加速度\、侧倾加速度 和俯仰加速度 \，利用其中至少两种参数，经计算得到横梁的实时姿态角横摆角α、侧倾角β、俯仰角Y (cos2 α +COS2 β +COS2 γ = 1)；(3)上述横摆角α、侧倾角β、俯仰角Y以及各三轴加速度传感测量模块之间的距离， 利用这些参数值，经数据耦合、曲线拟合计算可得到横梁的三维变形量；(4)由三轴加速度传感测量模块、信号预处理单元、多路AD转换模块、Zigbee无线模块组成下位机终端，其中Zigbee无线模块自带无线单片机，下位机终端完成三个加速度分量的测量与数字化，并将采样数据无线传输给上位机的Zigbee协调器。多个下位机终端的 Zigbee无线模块与上位机的Zigbee协调器组成星形网络，信道采用CSMA/⑶协议；采样数据一旦变化，下位机就会向上位机报告。上位机信号处理模块的FPGA运算单元对接收的数据进行数据耦合算法处理以及曲线拟合计算，从而得出横梁在X、Y、Z三个方向的变形量。
2.如权利要求1所述的方法，能计算出横梁在Χ、Υ、Ζ三个方向的变形量的多传感数据華禹合算法。
3.如权利要求1所述的方法，三轴加速度传感测量模块均勻分布的安装在横梁上导轨 (滑鞍运动的导轨)。
全文摘要
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在高架横梁上安装三轴加速度传感测量模块，各模块采集的数据经信号预处理，模数转换后通过无线通信传输到信号处理模块进行分析、重构、耦合计算后，得到横梁在X、Y、Z三个方向的变形量；本发明涉及的信号处理模块采用高性能逻辑可编程芯片FPGA作为核心运算单元，能够并行处理多路数据，利用多核协同计算方式完成多路传感信号的处理及数学计算，满足高速加工过程中实时计算要求；该发明提供了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，其计算结果可进一步用于加工补偿预测，从而可达到提高加工中心加工精度的目的。
文档编号G05B19/18GK102279584SQ20111012468
公开日2011年12月14日 申请日期2011年5月13日 优先权日2011年5月13日
发明者吴黎明, 唐露新, 廖庆富, 王桂棠, 邓耀华, 韩威 申请人:广东工业大学