本文在多个国家重大专项、国家自然科学基金及全国高等学校博士学科点专项科研基金项目的支持下,以14m大型龙门数控机床为研究对象,首先对影响其加工精度的多误差元素进行分析和测量,其次,建立多误差元素模型,并依据齐次坐标变换理论,建立包含各项误差元素的综合误差模型,最后研发误差实时补偿系统,并对各误差元素模型及综合误差模型进行实验验证。本文的主要研究内容如下:(1)对大型数控机床的几何误差及热误差进行分析,对其具体含义、产生原因、主要影响及应对策略作具体说明,并拟确定直线度误差、几何与热复合的定位误差为大型数控机床的敏感和主要误差源。对数控机床各项误差进行激光干涉仪测量,并对其测量原理、测量规范及已有测量方法之间的区别作了详细阐述。通过理论分析及误差实测的方法,确定大型数控机床的敏感和主要误差为直线度误差、几何与热复合的定位误差,并把其作为本文主要的误差补偿内容。(2)针对旋转编码器定位的丝杠螺母传动系统,在温升和冷却阶段,分别对丝杠轴进行热特性分析,建立丝杠轴瞬态温度和时间的指数关系表达式,根据温升或者冷却时间,可应用该表达式对丝杠实时瞬态温度进行计算。依据热膨胀理论,根据丝杠轴温度,建立热均匀丝杠的几何与热复合的定位误差数学模型。考虑到复杂的加工状况,丝杠并非处于热均匀状态,把丝杆轴细分成多个细小热均匀单元,对每个细小热均匀单元应用热均匀丝杠定位误差数学模型,可计算得到任意时刻每个细小单元的几何与热复合定位误差量,继而把这些细小单元的定位误差模型进行叠加,建立整个丝杠轴的几何与热复合的定位误差数学模型。(3)针对光栅尺定位的长距离运动轴,通过在光栅定尺上布置多个温度传感器,实时监测其温度数据,并通过插值方法,计算光栅定尺上每个位置点的温度值,依据热膨胀理论,根据光栅定尺上每个位置点的温升量,对位置信息进行积分,从而计算得到光栅定尺上每个位置点的热伸长量,结合光栅尺几何定位误差,建立光栅尺的几何与热复合的定位误差数学模型。(4)针对数据不规则变化的直线度误差,提出了应用B样条曲线对其拟合建模的方法。借助B样条曲线优越的数据拟合和局部可调整能力,对数控机床三个移动轴的六项直线度误差进行拟合,并对模型的拟合精度进行评估,通过增加控制节点的个数,可进一步提升B样条模型拟合精度。对六项直线度误差模型进行空间矢量叠加,建立空间直线度误差数学模型,并推导出空间误差数学模型在各移动轴方向上的分量。(5)针对有网络接口的机床数控系统,基于工业计算机,开发设计了基于网络接口的误差实时补偿系统,其包括数据通讯模块、误差数据读取模块、温度采集模块、误差建模模块及人机界面模块等;针对无网络接口的机床数控系统,基于台达PLC,设计开发了基于I/O模块的误差实时补偿系统,其通过数字量输入输出口,实现补偿数据和位置数据在补偿系统和数控系统之间的交互。(6)对误差测量的准确性、误差建模的精确性及误差实时补偿系统的有效性进行实验验证。首先,对空间直线度误差数学模型和几何与热复合的定位误差数学模型进行误差元素验证,应用误差实时补偿系统,对各误差元素进行实时补偿,并对其补偿效果进行评估。结果表明:通过该误差建模及补偿方法可以大幅减小直线度误差和定位误差。其次,对空间综合误差数学模型进行验证,应用误差实时补偿系统,对数控机床空间体对角线定位误差进行补偿,并通过对比补偿前后的误差值来评估补偿效果。结果表明:实施补偿后,机床空间体对角线的定位精度有大幅提高,机床空间性能明显改善。