随着机械制造业的快速发展,数控机床在模具制造、电子工程、汽车和航空航天等领域有着广泛的应用。由于具有通用性强、精度高、加工范围大等优点,数控机床已成为一种非常必要的设备。精度在数控机床中起着关键作用,目前也成为了加工自动化领域的一个热点问题。为了提高数控机床直行运动的精度,本文设计一种基于复合特征面阵列的测量系统,并基于该系统辨识机床直行运动过程中的几何误差,主要完成以下工作:1.分析了平面镜和旋转抛物面镜的测量性质,设计一种基于平面镜和旋转抛物面镜的靶标,并将其阵列化与角度传感器共同构成多自由度测量系统。2.完成了用于测量系统中的角度传感器光路设计和优化,使得角度传感器测量平面镜和旋转抛物面镜时读数分别在0.3角秒和0.2μm内跳动。提出了复合特征面阵列上各个靶标平面镜相对角度的标定方法,并基于靶标特征点的几何性质提出了旋转抛物面镜上特征点相对位置的标定方法。3.以三轴机床为例,提出通过将复合特征面阵列水平和垂直放置于机床工作台上,机床主轴带动角度传感器测量阵列上各个靶标以获取机床直行运动几何误差的测量方案。按照预设路径测量各个靶标间的相对角度和相对位置,结合标定辨识得到机床直行运动单项几何误差。4.以三轴机床为实验平台,设计了复合特征面阵列的标定实验、机床直行运动几何误差辨识实验。并将测量系统的辨识结果与激光干涉仪的测量结果比较,验证了辨识方法的可行性和精度,和激光干涉仪相比,在机床500mm的直行运动范围内,角度误差的辨识误差平均小于±1″,位置误差的辨识误差平均小于±1.5μm。并分析了影响系统测量精度的主要因素,对测量系统的标定重复性、高度稳定性和时间稳定性进行了实验验证。