高档数控机床研究是《中国制造2025》和中国第十三个五年规划纲要的重大工程项目之一。五轴联动数控机床的研制对国家的工业实力、国防建设和实体经济发展有着至关重要的意义。本课题在“国家科技重大专项”等项目和基金的资助下,对五轴联动数控机床几何误差的测量方法、数学建模方法和补偿实施技术进行研究,提出了误差高效检测辨识的新方法,建立了几何误差元素模型和体积误差综合数学模型,开发了误差补偿控制系统,通过实施误差补偿实验,有效地提高了五轴联动数控机床的空间定位精度。本文的主要研究内容包括:(1)建立了实用、准确的五轴数控机床体积误差综合数学模型。以双转台式五轴数控机床为例,对五轴数控机床平动轴、旋转轴和主轴的各项误差元素进行分析,运用齐次坐标变换法建立了五轴机床体积误差综合数学模型。在建模过程中,分析了误差矩阵与理想运动矩阵相乘的位置问题,加入了旋转轴相对定义的位置无关误差PIGE误差矩阵,使误差综合数学模型更加实用、简洁和精确。(2)提出了机床几何误差激光分步体对角线测量的优化方法。首先,在现有的几何误差激光分步体对角线检测技术的基础上,提出了一种简化的辨识方法,通过3条机床工作空间体对角线定位误差的测量数据,即可辨识获得与传统方法(测量4条体对角线)相同的结果,减少了测量时间。其次,对分步体对角线测量的安装误差进行研究,提出了一种优化的测量辨识方法,通过增加3个平动轴定位误差的测量,可以去除安装误差对测量的影响,提高了测量辨识精度,同时也不失高效性。最后,介绍了旋转轴转角定位误差的检测方法,通过测量实验获得平动轴、旋转轴的各项误差元素值。(3)提出了五轴数控机床误差元素的自适应三次样条插值模型。为了对五轴机床误差元素进行建模,提出了节点自适应选择的三次样条插值模型。该模型在三次样条插值的基础上,通过插值节点自适应选择算法,在保证拟合精度的前提下,选取部分代表性数据点作为插值节点。自适应三次样条插值模型的优点是拟合精度高、建模速度快,适合对变化波动大、数据量大的机床误差数据进行建模。(4)开发了五轴数控机床误差补偿系统并进行补偿实施应用。基于原点偏置策略开发了误差补偿系统,应用该补偿系统在双转台式五轴数控机床上进行补偿实验。通过定位误差单项检测、体对角线误差检测和标准球加工检验的方法对补偿效果进行验证。补偿实验结果显示,五轴机床的精度得到提高,最终证实了本文提出的检测、建模和补偿方法的有效性。