一种监测重型机床地基基础变形的实验方法与流程

本发明属于重型机床地基基础实验技术领域，特别涉及一种重型机床地基基础变形监测实验方法。

背景技术：

重型机床在我国的国防、船舶制造、能源机械等领域应用广泛，是我国装备制造业代表性产品，是机械装备的工作母机。因重型机床大体积，大自重，大载荷特点，尤其是机床刚性不足引起基础的变形严重影响机床的工作精度。研究地基的变形以北一机床动梁龙门数控镗铣床为基础搭建实验平台。

目前的地基实验主要研究建筑物地基和拱坝地基的变形以及地震波对地基及基础的影响，而很少有针对重型机床地基变形监测的实验，由于重型机床质量和惯量大，精度要求高，对地基也有更高的要求，因此对重型机床地基变形的监测是非常有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种重型机床地基变形的监测实验方法，该方法克服现有的地基变形监测实验方法，考虑到现有的北一机床动梁龙门数控镗铣床，故采用此为平台完成实验。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为一种监测重型机床地基基础变形的实验方法，该方法包括选择实验设备的选择，传感器的选型，确定传感器布置方案，确定算法原理，数据采集与分析。

具体而言，各步骤实施过程如下。

S1选择实验设备

分布式光钎传感器线型应变温度测试系统采用扫描波长相干干涉技术，基于光纤的背向瑞利散射逆行温度和应变传感。ODiSi采用通信光钎作为传感器，可以监测任何位置的温度和应变信息，最小空间分辨率可达1mm，最大传感测试长度可大50mm。用户可以自由设置传感区间和精度，不仅可以将测量结果实时显示在电脑上，还可以寻出测量数据逆行分析研究。

机架型光钎传感分析仪用于开关柜在线测温，电缆、油罐、公路隧道、工业建筑等的感温火灾报警，也可用于土木工程结构安全监测、特种设备在线监测以及光钎光栅传感器的信号解调和数据在线采集。

S2传感器选型

S3传感器布置方案

传感器的布置原则为远离梁的中性面，采用沿整个部件等间距布置。

S3.1横梁传感器布置

X方向挠度分析：布置于横梁下表面，每一行布置十个应变传感器，在两端和中间位置布置温度传感器来实验热应变的补偿，共二十个应变传感器、六个温度传感器。

Z方向挠度分析：布置于横梁后表面共三行，每一行布置十九个应变传感器，每层的两端和中间位置布置温度传感器来实现热应变的补偿，共五十七个应变传感器、九个温度传感器。

S3.2立柱处传感器布置

X方向挠度分析：布置于立柱外侧面，共三行，每一行布置九个应变传感器，在两端和中间布置温度传感器来实现热应变的补偿，共二十七个应变传感器、六个温度传感器，两个立柱工需要五十四个应变传感器、十二个温度传感器，光钎光栅直接粘贴在立柱表面，然后外层安装保护装置。

Y方向挠度分析：布置于立柱后表面，每一行布置九个应变传感器，在两端和中间位置布置温度传感器来实验热应变的补偿，后立柱表面传感器应安装在外侧的筋上，需九个应变传感器、三个温度传感器，两根立柱共需十八个应变传感器、六个温度传感器。

S3.3滑座处传感器布置

滑座处布置单层，滑座长4200mm，布置五个应变传感器，三个温度传感器，双侧为十个应变传感器、六个温度传感器，外层安装保护装置。

S3.4床身处传感器布置

床身采用线型传感方式，长度为49米，单侧布置两层传感器，每根传感器长度为20m，需六根光纤传感器，双侧十二根。

S3.5混凝土基础处传感器布置

混凝土基础采用线型传感方式，长度为49320mm，单侧布置两层传感器，每根传感器长度为20m，将床身光纤传感器剩余部分补充到混凝土基础上，所以双侧工序十根光纤传感器。

S3.6传感器走线

将所有传感器的走线集中到立柱后方的台上，在台上安装一个立柜，用以保护所有传感器走线的线头，以方便测试取线。

S4算法原理

算法基本原理：当外界环境变化时，引起结构试件变形，从光栅中心波长变化可获取测点的应变值，最终获取被测点的曲率信息，采用最小二乘法拟合获取曲率曲线，通过对曲率曲线二次积分，推导出变形曲线的积分方程。

S5数据采集及分析

S5.1调整机床启动的加速度该变床身所受惯性力的大小，获得在该冲击载荷作用下重型机床—基础系统的变形情况，通过对变形曲线的分析，揭示在冲击载荷作用下，因基础变形而导致的机床刀尖点处的位移变化规律。在固定的某位置沿x方向每1000mm停机一次，然后再启动，第一次以0.04m/s²第二次以0.04m/s²第三次0.04m/s²，第四次0.04m/s²连续启停五次，记录每次启停时各部件的应变变化情况。应用算法原理拟合出机床各部件的变形曲线，然后进行叠加，最终获取整个系统的变形。

S5.2监测自身载荷作用下床身和基础的变形，对静梁龙门处下的床身和基础长时间静载监测，每15天记录一次应变值，连续监测一年，记录每次的应变值并转换为位移，最终获得在静载作用下，床身和基础随时间变化的变形量。

S5.3改变机床加工过程中的切削速度、进给量、转数来改变切削力的大小，测量在工况载荷作用下，重型机床-基础系统的变形情况，通过对变形曲线的分析，揭示在切削工况下，因基础变形而导致的机床刀尖点处的位移变化规律。

与现有技术相比，本发明有如下有益效果。

本实验方案以北一机床实例为基础，具有完善的实验设备，方案基于成熟的重型机床—地基基础相互作用系统的精度影响理论和工程应用环境，实验能够准确反映实际情况。

附图说明

图1为整个机床-基础系统布置图。

图2为横梁1下表面光钎光栅传感器6布置图。

图3为横梁1后表面光钎光栅传感器6布置图。

图4为立柱2侧面光钎光栅传感器6布置图。

图5为滑座3处光钎光栅传感器6布置图。

图6为床身4处线型光钎传感器7布置图。

图7为混凝土基础5处线型光钎传感器7布置图。

具体实施方式

1选择实验设备

SA-GXGS机架型光纤传感分析仪10集成有工业级液晶触摸显示屏，可直接进行参数设定、温度显示、报警显示。SA-GXGS机架型光纤传感分析仪10具有100M以太网、RS232、RS485、ZIGBEE、GPRS等多种数据通信接口，以及四路继电器输出控制接口。SA-GXGS机架型光纤传感分析仪10采用低功耗嵌入式处理器设计，性能稳定可靠，兼顾了工业测量领域长期在线监测和野外工程现场恶劣温湿度环境的需求。

2传感器布置

2.1横梁1传感器布置

布置于横梁1下表面，每一行布置10个应变传感器6，在两端和中间位置布置温度传感器来实验热应变的补偿，共20个应变传感器6、6个温度传感器11。每个应变传感器6间距500mm，距离横梁1下表面两端为522.5mm，距离横梁1下表面前后两边为40mm。

布置于横梁1后表面共3行，每一行布置19个应变传感器6，每层的两端和中间位置布置温度传感器11来实现热应变的补偿，共57个应变传感器6、9个温度传感器11。传感器6距离横梁1后表面两端为400mm，三行传感器6距离横梁1后表面的上边依次为50mm，660mm，1272mm。

2.2立柱2传感器布置

布置于立柱2外侧面，共3行，每一行布置9个应变传感器6，在两端和中间布置温度传感器11来实现热应变的补偿，共27个应变传感器6、6个温度传感器11(两个立柱共需要54个应变传感器6、12个温度传感器11)，传感器6间距500mm，三行传感器6距离立柱2外侧面右边依次为50mm，734mm，1475mm。

布置于立柱2后表面，每一行布置9个应变传感器6，在两端和中间位置布置温度传感器11来实验热应变的补偿，后立柱2表面传感器应安装在外侧的筋上，需9个应变传感器6、3个温度传感器(两根立柱共需18个应变传感器6、6个温度传感器11)。传感器6间距为500mm。

2.3滑座3传感器布置

滑座3处布置单层，滑座长4200mm，布置5个应变传感器6，3个温度传感器11(双侧为10个应变传感器6，6个温度传感器11)。

2.4床身4处传感器布置

床身4采用线型传感方式，长度为49米，单侧布置两层传感器7，每根传感器7长度为20m，需6根线型光纤传感器7，双侧12根。

2.5混凝土基础5处传感器布置

混凝土基础5采用线型传感方式，长度为49320mm，单侧布置两层传感器7，每根传感器7长度为20m，将床身4光纤传感器7剩余部分补充到混凝土基础5上，所以双侧工序10根线型光纤传感器7。

2.6安装位移传感器

分别在滑座3与床身4结合面位置和横梁1与立柱2结合面位置出安装位移传感器8，用预先制作好的小构件在不影响机床使用前提下打孔并安装位移传感器8。

2.7传感器走线

将一部分传感器的走线集中到立柱后方的台上，在台上安装一个立柜9，另一部分传感器走线集中在另一台立柜9中，用以保护所有传感器走线的线头，以方便测试取线。

所有安装应变传感器6位置需用砂轮打磨，并用砂纸磨平，用清洗剂清洗表面，用激光仪固定，并用环氧树脂胶水刮上一层薄薄的胶水，最后安装防护盖。温度传感器11采用胶水固定于测试表面

3算法原理

算法基本原理：当外界环境变化时，引起结构试件变形，从光栅中心波长变化可获取测点的应变值，最终获取被测点的曲率信息，采用最小二乘法拟合获取曲率曲线，通过对曲率曲线二次积分，推导出变形曲线的积分方程。

4数据采集及分析

4.1调整机床启动的加速度该变床身所受惯性力的大小，获得在该冲击载荷作用下重型机床—基础系统的变形情况，通过对变形曲线的分析，揭示在冲击载荷作用下，因基础变形而导致的机床刀尖点处的位移变化规律。在固定的某位置沿x方向每1000mm停机一次，然后再启动，第一次以0.04m/s²第二次以0.04m/s²第三次0.04m/s²，第四次0.04m/s²连续启停五次，记录每次启停时各部件的应变变化情况。应用算法原理拟合出机床各部件的变形曲线，然后进行叠加，最终获取整个系统的变形。

4.2监测自身载荷作用下床身和基础的变形，对静梁龙门处下的床身和基础长时间静载监测，每15天记录一次应变值，连续监测一年，记录每次的应变值并转换为位移，最终获得在静载作用下，床身和基础随时间变化的变形量。

4.3改变机床加工过程中的切削速度、进给量、转数来改变切削力的大小，测量在工况载荷作用下，重型机床-基础系统的变形情况，通过对变形曲线的分析，揭示在切削工况下，因基础变形而导致的机床刀尖点处的位移变化规律。