在研究机床加工精度的过程中,人们注意到热误差的巨大影响,其在总误差源的占比最高可达80%。为提升机床性能,本文结合河南省科技厅重大专项“ADI系列数控车床智能化技术研发及产业化应用”,在理论分析、有限元仿真和实验基础上,展开对机床热误差的研究。首先,提出一种引入切削热、改进对流换热和位移约束条件的机床主轴系统有限元热仿真模型。主轴系统是了解机床整机热特性规律的重点,根据主轴、轴承结构和机械指标建立三维模型并合理简化,转换为有限元模型。然后,根据传热学理论和机床结构确定机床的主要传热方式与有限元热分析的类型,得出机床主轴系统的主要热源为主轴轴承的摩擦热和零部件加工时的切削热。按照有限元热分析的数学条件计算具体发热量,根据轴径改进系统的对流换热设置,建立温度场仿真环境。在改进位移约束条件的基础上进行热-结构耦合分析,得出机床主轴系统的温升变化规律和稳态温度场下机床轴向、径向的热位移,分别为5.402μm和9.137μm。其次,给出一种简洁有效的测量机床整机温度与热误差的试验方法。结合机床主轴系统有限元热分析的结果、前人对温度测点的布置研究和机床的零部件结构,确立热特性实验的16个温度测点和2个热位移测点的具体位置。接着,根据实验要求选取温度传感器和位移传感器的类型并科学布置,设置温度数据采集器和位移传感器控制器的参数,通过上位机软件观察并获取机床的温度与热位移数据。研究温度与热位移变化规律,机床从开机至到达热平衡状态的时间约为7400s,热平衡状态下机床的轴向和径向热变形分别为5.748μm和10.009μm。对比有限元热分析和实验结果,可知机床处于稳态温度场时主轴系统有限元热分析的温度误差控制在2.49%之内。改进热-结构耦合分析的条件设置后,仿真与实验所测的轴向和径向热变形之间的误差分别为6.019%和8.712%,轴向热变形的准确度提高了41.493%,证明有限元热分析结果的合理性,即根据机床传热机制得出改进后的主轴系统温度场热边界条件的合理性。最后,将随机森林算法应用至热误差建模。根据优化策略确定运用Pearson相关系数和模糊聚类的方法优化该机床的最佳测温点。对比分析现有的热误差建模方法,给出将随机森林算法用于机床热误差建模的依据。用随机森林算法建立机床热误差预测模型,并将多元线性回归法建模作为对照。结果表明:相比传统的多元线性回归,基于随机森林算法的训练模型在该机床轴向和径向热误差的预测中有更好的精度,拟合优度分别比前者提高15.18%和4.27%。研究为机床热误差的实时补偿提供支持,为其他机床最佳温度测点的确立和热误差建模提供方法参考。