发展高端数控机床是《中国制造2025》的重点规划之一,也是提高我国装备制造业水平的重要前提。其中大行程、高精密的五轴龙门数控机床是加工大重型复杂零件的首选加工设备,在航空航天、发电设备、汽车工业等领域发挥着至关重要的作用。但更复杂的机床结构、运动关系和更大的机床行程导致五轴龙门机床的加工精度难以保证。空间误差是描述刀尖点在加工空间内的几何偏量,是数控机床各进给部件的几何误差作用于刀尖点的综合表现,因而非常适合描述数控机床最终加工精度。本文围绕五轴龙门数控机床空间误差建模、误差元素辨识以及误差补偿等问题进行了研究,主要内容如下:(1)建立了基于多体系统的理论以及坐标系齐次变换方法的双摆头结构五轴数控机床的空间误差模型。首先,根据多体理论绘制了机床的拓扑结构和低序体阵列,给出多体系统理论下构建任意体之间运动关系的通用方法。其次,考虑几何误差形式的多样性,采用齐次坐标变换的方式构建了误差运动矩阵。然后,构建了用于定义几何误差元素的坐标系统,按照不同几何误差类型的作用形式,分步计算相邻坐标系的实际运动变换矩阵。最后,将各自轴的误差运动沿运动链传递到刀尖点,建立空间误差模型。该模型引入了机床尺寸参数,使模型内的几何误差分量直接溯源对应轴导轨的几何缺陷,对机床调试具有一定的指导价值。(2)制定了平动轴和旋转轴的几何误差测量方案,并提出辨识方法。首先,在平动轴方面,系统分析了九线法的测量过程和辨识原理,针对测量坐标系、求解模型、测点位置组合等方面进行优化改进。其次,仿真分析验证了改进的辨识模型和优化的测点组合能够显著提升几何误差辨识的稳定性。然后,在旋转轴方面,对B、C两轴分别制定了不同的测量方案,并推导了几何误差的辨识模型。随后,针对刀轴偏移对测量结果的干扰提出了修正办法,使用MATLAB编程工具对修正后的数据进行解耦计算。最后,辨识结果显示B、C轴的径向偏移量显著高于轴向偏移,而除B轴角度定位误差较大外,其他角度误差数值很小。(3)提出了针对平动轴和旋转轴的几何误差补偿策略。首先,在平动轴方面,使用数控系统内置的螺距补偿模块对定位误差进行预补偿。其次,针对直线和圆周进给的两大基本进给方式,分别设计了直线插补和圆弧插补的补偿算法,实验表明两种算法都能一定程度上修正进给路径的偏移。然后,在旋转轴方面,基于旋转轴几何误差敏感度分析确定了误差补偿原则,提出了旋转路径逐点补偿的思路。随后。针对旋转轴的四种典型的路径形式分别进行了误差补偿实验。最后结果表明,无论是旋转轴单独转动,还是三轴、五轴联动,逐点补偿的方式都能显著降低线性几何偏差,验证了补偿方案的有效性。本研究对于创建完整工作域内的空间误差模型、快速测量并辨识平动轴及旋转轴的几何误差以及提升五轴龙门数控机床的加工精度具有一定的理论和实践意义。