本發(fā)明屬于重型機(jī)床地基基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種重型機(jī)床地基基礎(chǔ)變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方法。

背景技術(shù)：

重型機(jī)床在我國(guó)的國(guó)防、船舶制造、能源機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，是我國(guó)裝備制造業(yè)代表性產(chǎn)品，是機(jī)械裝備的工作母機(jī)。因重型機(jī)床大體積，大自重，大載荷特點(diǎn)，尤其是機(jī)床剛性不足引起基礎(chǔ)的變形嚴(yán)重影響機(jī)床的工作精度。研究地基的變形以北一機(jī)床動(dòng)梁龍門數(shù)控鏜銑床為基礎(chǔ)搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

目前的地基實(shí)驗(yàn)主要研究建筑物地基和拱壩地基的變形以及地震波對(duì)地基及基礎(chǔ)的影響，而很少有針對(duì)重型機(jī)床地基變形監(jiān)測(cè)的實(shí)驗(yàn)，由于重型機(jī)床質(zhì)量和慣量大，精度要求高，對(duì)地基也有更高的要求，因此對(duì)重型機(jī)床地基變形的監(jiān)測(cè)是非常有必要的。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種重型機(jī)床地基變形的監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方法，該方法克服現(xiàn)有的地基變形監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)方法，考慮到現(xiàn)有的北一機(jī)床動(dòng)梁龍門數(shù)控鏜銑床，故采用此為平臺(tái)完成實(shí)驗(yàn)。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種監(jiān)測(cè)重型機(jī)床地基基礎(chǔ)變形的實(shí)驗(yàn)方法，該方法包括選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備的選擇，傳感器的選型，確定傳感器布置方案，確定算法原理，數(shù)據(jù)采集與分析。

具體而言，各步驟實(shí)施過(guò)程如下。

S1選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備

分布式光釬傳感器線型應(yīng)變溫度測(cè)試系統(tǒng)采用掃描波長(zhǎng)相干干涉技術(shù)，基于光纖的背向瑞利散射逆行溫度和應(yīng)變傳感。ODiSi采用通信光釬作為傳感器，可以監(jiān)測(cè)任何位置的溫度和應(yīng)變信息，最小空間分辨率可達(dá)1mm，最大傳感測(cè)試長(zhǎng)度可大50mm。用戶可以自由設(shè)置傳感區(qū)間和精度，不僅可以將測(cè)量結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在電腦上，還可以尋出測(cè)量數(shù)據(jù)逆行分析研究。

機(jī)架型光釬傳感分析儀用于開(kāi)關(guān)柜在線測(cè)溫，電纜、油罐、公路隧道、工業(yè)建筑等的感溫火災(zāi)報(bào)警，也可用于土木工程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)、特種設(shè)備在線監(jiān)測(cè)以及光釬光柵傳感器的信號(hào)解調(diào)和數(shù)據(jù)在線采集。

S2傳感器選型

S3傳感器布置方案

傳感器的布置原則為遠(yuǎn)離梁的中性面，采用沿整個(gè)部件等間距布置。

S3.1橫梁傳感器布置

X方向撓度分析：布置于橫梁下表面，每一行布置十個(gè)應(yīng)變傳感器，在兩端和中間位置布置溫度傳感器來(lái)實(shí)驗(yàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，共二十個(gè)應(yīng)變傳感器、六個(gè)溫度傳感器。

Z方向撓度分析：布置于橫梁后表面共三行，每一行布置十九個(gè)應(yīng)變傳感器，每層的兩端和中間位置布置溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，共五十七個(gè)應(yīng)變傳感器、九個(gè)溫度傳感器。

S3.2立柱處傳感器布置

X方向撓度分析：布置于立柱外側(cè)面，共三行，每一行布置九個(gè)應(yīng)變傳感器，在兩端和中間布置溫度傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，共二十七個(gè)應(yīng)變傳感器、六個(gè)溫度傳感器，兩個(gè)立柱工需要五十四個(gè)應(yīng)變傳感器、十二個(gè)溫度傳感器，光釬光柵直接粘貼在立柱表面，然后外層安裝保護(hù)裝置。

Y方向撓度分析：布置于立柱后表面，每一行布置九個(gè)應(yīng)變傳感器，在兩端和中間位置布置溫度傳感器來(lái)實(shí)驗(yàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，后立柱表面?zhèn)鞲衅鲬?yīng)安裝在外側(cè)的筋上，需九個(gè)應(yīng)變傳感器、三個(gè)溫度傳感器，兩根立柱共需十八個(gè)應(yīng)變傳感器、六個(gè)溫度傳感器。

S3.3滑座處傳感器布置

滑座處布置單層，滑座長(zhǎng)4200mm，布置五個(gè)應(yīng)變傳感器，三個(gè)溫度傳感器，雙側(cè)為十個(gè)應(yīng)變傳感器、六個(gè)溫度傳感器，外層安裝保護(hù)裝置。

S3.4床身處傳感器布置

床身采用線型傳感方式，長(zhǎng)度為49米，單側(cè)布置兩層傳感器，每根傳感器長(zhǎng)度為20m，需六根光纖傳感器，雙側(cè)十二根。

S3.5混凝土基礎(chǔ)處傳感器布置

混凝土基礎(chǔ)采用線型傳感方式，長(zhǎng)度為49320mm，單側(cè)布置兩層傳感器，每根傳感器長(zhǎng)度為20m，將床身光纖傳感器剩余部分補(bǔ)充到混凝土基礎(chǔ)上，所以雙側(cè)工序十根光纖傳感器。

S3.6傳感器走線

將所有傳感器的走線集中到立柱后方的臺(tái)上，在臺(tái)上安裝一個(gè)立柜，用以保護(hù)所有傳感器走線的線頭，以方便測(cè)試取線。

S4算法原理

算法基本原理：當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，引起結(jié)構(gòu)試件變形，從光柵中心波長(zhǎng)變化可獲取測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，最終獲取被測(cè)點(diǎn)的曲率信息，采用最小二乘法擬合獲取曲率曲線，通過(guò)對(duì)曲率曲線二次積分，推導(dǎo)出變形曲線的積分方程。

S5數(shù)據(jù)采集及分析

S5.1調(diào)整機(jī)床啟動(dòng)的加速度該變床身所受慣性力的大小，獲得在該沖擊載荷作用下重型機(jī)床—基礎(chǔ)系統(tǒng)的變形情況，通過(guò)對(duì)變形曲線的分析，揭示在沖擊載荷作用下，因基礎(chǔ)變形而導(dǎo)致的機(jī)床刀尖點(diǎn)處的位移變化規(guī)律。在固定的某位置沿x方向每1000mm停機(jī)一次，然后再啟動(dòng)，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連續(xù)啟停五次，記錄每次啟停時(shí)各部件的應(yīng)變變化情況。應(yīng)用算法原理擬合出機(jī)床各部件的變形曲線，然后進(jìn)行疊加，最終獲取整個(gè)系統(tǒng)的變形。

S5.2監(jiān)測(cè)自身載荷作用下床身和基礎(chǔ)的變形，對(duì)靜梁龍門處下的床身和基礎(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間靜載監(jiān)測(cè)，每15天記錄一次應(yīng)變值，連續(xù)監(jiān)測(cè)一年，記錄每次的應(yīng)變值并轉(zhuǎn)換為位移，最終獲得在靜載作用下，床身和基礎(chǔ)隨時(shí)間變化的變形量。

S5.3改變機(jī)床加工過(guò)程中的切削速度、進(jìn)給量、轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)改變切削力的大小，測(cè)量在工況載荷作用下，重型機(jī)床-基礎(chǔ)系統(tǒng)的變形情況，通過(guò)對(duì)變形曲線的分析，揭示在切削工況下，因基礎(chǔ)變形而導(dǎo)致的機(jī)床刀尖點(diǎn)處的位移變化規(guī)律。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有如下有益效果。

本實(shí)驗(yàn)方案以北一機(jī)床實(shí)例為基礎(chǔ)，具有完善的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，方案基于成熟的重型機(jī)床—地基基礎(chǔ)相互作用系統(tǒng)的精度影響理論和工程應(yīng)用環(huán)境，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驕?zhǔn)確反映實(shí)際情況。

附圖說(shuō)明

圖1為整個(gè)機(jī)床-基礎(chǔ)系統(tǒng)布置圖。

圖2為橫梁1下表面光釬光柵傳感器6布置圖。

圖3為橫梁1后表面光釬光柵傳感器6布置圖。

圖4為立柱2側(cè)面光釬光柵傳感器6布置圖。

圖5為滑座3處光釬光柵傳感器6布置圖。

圖6為床身4處線型光釬傳感器7布置圖。

圖7為混凝土基礎(chǔ)5處線型光釬傳感器7布置圖。

具體實(shí)施方式

1選擇實(shí)驗(yàn)設(shè)備

SA-GXGS機(jī)架型光纖傳感分析儀10集成有工業(yè)級(jí)液晶觸摸顯示屏，可直接進(jìn)行參數(shù)設(shè)定、溫度顯示、報(bào)警顯示。SA-GXGS機(jī)架型光纖傳感分析儀10具有100M以太網(wǎng)、RS232、RS485、ZIGBEE、GPRS等多種數(shù)據(jù)通信接口，以及四路繼電器輸出控制接口。SA-GXGS機(jī)架型光纖傳感分析儀10采用低功耗嵌入式處理器設(shè)計(jì)，性能穩(wěn)定可靠，兼顧了工業(yè)測(cè)量領(lǐng)域長(zhǎng)期在線監(jiān)測(cè)和野外工程現(xiàn)場(chǎng)惡劣溫濕度環(huán)境的需求。

2傳感器布置

2.1橫梁1傳感器布置

布置于橫梁1下表面，每一行布置10個(gè)應(yīng)變傳感器6，在兩端和中間位置布置溫度傳感器來(lái)實(shí)驗(yàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，共20個(gè)應(yīng)變傳感器6、6個(gè)溫度傳感器11。每個(gè)應(yīng)變傳感器6間距500mm，距離橫梁1下表面兩端為522.5mm，距離橫梁1下表面前后兩邊為40mm。

布置于橫梁1后表面共3行，每一行布置19個(gè)應(yīng)變傳感器6，每層的兩端和中間位置布置溫度傳感器11來(lái)實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，共57個(gè)應(yīng)變傳感器6、9個(gè)溫度傳感器11。傳感器6距離橫梁1后表面兩端為400mm，三行傳感器6距離橫梁1后表面的上邊依次為50mm，660mm，1272mm。

2.2立柱2傳感器布置

布置于立柱2外側(cè)面，共3行，每一行布置9個(gè)應(yīng)變傳感器6，在兩端和中間布置溫度傳感器11來(lái)實(shí)現(xiàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，共27個(gè)應(yīng)變傳感器6、6個(gè)溫度傳感器11(兩個(gè)立柱共需要54個(gè)應(yīng)變傳感器6、12個(gè)溫度傳感器11)，傳感器6間距500mm，三行傳感器6距離立柱2外側(cè)面右邊依次為50mm，734mm，1475mm。

布置于立柱2后表面，每一行布置9個(gè)應(yīng)變傳感器6，在兩端和中間位置布置溫度傳感器11來(lái)實(shí)驗(yàn)熱應(yīng)變的補(bǔ)償，后立柱2表面?zhèn)鞲衅鲬?yīng)安裝在外側(cè)的筋上，需9個(gè)應(yīng)變傳感器6、3個(gè)溫度傳感器(兩根立柱共需18個(gè)應(yīng)變傳感器6、6個(gè)溫度傳感器11)。傳感器6間距為500mm。

2.3滑座3傳感器布置

滑座3處布置單層，滑座長(zhǎng)4200mm，布置5個(gè)應(yīng)變傳感器6，3個(gè)溫度傳感器11(雙側(cè)為10個(gè)應(yīng)變傳感器6，6個(gè)溫度傳感器11)。

2.4床身4處傳感器布置

床身4采用線型傳感方式，長(zhǎng)度為49米，單側(cè)布置兩層傳感器7，每根傳感器7長(zhǎng)度為20m，需6根線型光纖傳感器7，雙側(cè)12根。

2.5混凝土基礎(chǔ)5處傳感器布置

混凝土基礎(chǔ)5采用線型傳感方式，長(zhǎng)度為49320mm，單側(cè)布置兩層傳感器7，每根傳感器7長(zhǎng)度為20m，將床身4光纖傳感器7剩余部分補(bǔ)充到混凝土基礎(chǔ)5上，所以雙側(cè)工序10根線型光纖傳感器7。

2.6安裝位移傳感器

分別在滑座3與床身4結(jié)合面位置和橫梁1與立柱2結(jié)合面位置出安裝位移傳感器8，用預(yù)先制作好的小構(gòu)件在不影響機(jī)床使用前提下打孔并安裝位移傳感器8。

2.7傳感器走線

將一部分傳感器的走線集中到立柱后方的臺(tái)上，在臺(tái)上安裝一個(gè)立柜9，另一部分傳感器走線集中在另一臺(tái)立柜9中，用以保護(hù)所有傳感器走線的線頭，以方便測(cè)試取線。

所有安裝應(yīng)變傳感器6位置需用砂輪打磨，并用砂紙磨平，用清洗劑清洗表面，用激光儀固定，并用環(huán)氧樹(shù)脂膠水刮上一層薄薄的膠水，最后安裝防護(hù)蓋。溫度傳感器11采用膠水固定于測(cè)試表面

3算法原理

算法基本原理：當(dāng)外界環(huán)境變化時(shí)，引起結(jié)構(gòu)試件變形，從光柵中心波長(zhǎng)變化可獲取測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值，最終獲取被測(cè)點(diǎn)的曲率信息，采用最小二乘法擬合獲取曲率曲線，通過(guò)對(duì)曲率曲線二次積分，推導(dǎo)出變形曲線的積分方程。

4數(shù)據(jù)采集及分析

4.1調(diào)整機(jī)床啟動(dòng)的加速度該變床身所受慣性力的大小，獲得在該沖擊載荷作用下重型機(jī)床—基礎(chǔ)系統(tǒng)的變形情況，通過(guò)對(duì)變形曲線的分析，揭示在沖擊載荷作用下，因基礎(chǔ)變形而導(dǎo)致的機(jī)床刀尖點(diǎn)處的位移變化規(guī)律。在固定的某位置沿x方向每1000mm停機(jī)一次，然后再啟動(dòng)，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連續(xù)啟停五次，記錄每次啟停時(shí)各部件的應(yīng)變變化情況。應(yīng)用算法原理擬合出機(jī)床各部件的變形曲線，然后進(jìn)行疊加，最終獲取整個(gè)系統(tǒng)的變形。

4.2監(jiān)測(cè)自身載荷作用下床身和基礎(chǔ)的變形，對(duì)靜梁龍門處下的床身和基礎(chǔ)長(zhǎng)時(shí)間靜載監(jiān)測(cè)，每15天記錄一次應(yīng)變值，連續(xù)監(jiān)測(cè)一年，記錄每次的應(yīng)變值并轉(zhuǎn)換為位移，最終獲得在靜載作用下，床身和基礎(chǔ)隨時(shí)間變化的變形量。

4.3改變機(jī)床加工過(guò)程中的切削速度、進(jìn)給量、轉(zhuǎn)數(shù)來(lái)改變切削力的大小，測(cè)量在工況載荷作用下，重型機(jī)床-基礎(chǔ)系統(tǒng)的變形情況，通過(guò)對(duì)變形曲線的分析，揭示在切削工況下，因基礎(chǔ)變形而導(dǎo)致的機(jī)床刀尖點(diǎn)處的位移變化規(guī)律。