重型数控机床的加工能力是一个国家工业水平和综合实力的重要体现,反映机床加工能力的关键因素是加工精度。龙门结构和机床底座等机床结构件在加工过程中的力、热变形是影响加工精度的主要因素。因此,研究结构件变形的实时监测与在线补偿对于提高重型数控机床的加工精度具有重要意义。重型数控机床结构件形状不规则,相互作用较多,受载信息获取困难,普通变形测量方法难以满足机床结构件的变形监测。本文基于逆有限元法(iFEM)对龙门结构和机床底座的位移场进行变形重构。逆有限元法通过应变矩阵建立单元节点自由度与分析应变之间的关系,构建分析应变与实验应变的误差最小二乘函数,利用求解误差函数的极小值获得节点自由度,采用形函数插值得出结构件的位移场。逆有限元法能够在受载信息未知的情况下,以被测结构表面较少的应变数据作为输入,输出结构的位移场,在形状复杂、受载未知的结构变形监测方面具有很大优势。本文的主要研究成果如下:(1)对龙门结构和机床底座进行了结构简化和受载情况分析。根据简化模型,利用梁单元和板单元对结构件进行网格划分和节点编号,编写了逆有限元算法。并且根据结构件的布点要求对逆有限元法进行了改进,实现了单元单侧布点。(2)论述了龙门结构和机床底座的布点要求,提出了结构件的布点规划。根据变形分析减少了龙门结构的布点数量,利用“虚拟布点法”解决了机床底座单元空缺布点和总体刚度矩阵奇异的问题。结合ANSYS仿真分析,验证了布点方案的正确性。(3)设计了龙门结构和机床底座的变形重构实验系统,讲述了布拉格光纤光栅(FBG)和应变花的测量原理。以实验测量应变数据作为输入,逆有限元法输出结构件的重构位移场。实验结果表明,机床结构件的逆有限元法重构位移场与ANSYS仿真位移场吻合,验证了逆有限元法对机床结构件变形监测的正确性。