数控机床的几何与热复合位置误差对其加工精度影响十分突出,如何对这些误差因素进行有效辨识与补偿受到了国内学者与机床生产厂家的广泛关注。本课题在“国家科技重大专项”、“国家自然科学基金”和“国家重大科研仪器研制项目”等项目的资助下,以沈阳机床集团生产的一台立式加工中心和浙江日发精机生产的一台大型龙门机床为研究对象,对数控机床关键误差的识别、建模与补偿实施方法展开了深入研究。通过对不同结构类型数控机床关键误差的辨识与分析,建立了数控机床几何与热复合位置误差的精确预测模型。然后在此基础上,基于NI虚拟仪器与嵌入式PC机开发了一套实时智能误差补偿系统,对机床的几何与热复合位置误差进行实时补偿,有效提高了数控机床的实际加工精度。本文的主要研究内容如下所示:(1)建立了适用于不同结构类型数控机床的通用空间误差模型。通过对数控机床的结构特点与误差表现形式的研究分析,基于多体运动学理论建立了适用于立式加工中心、卧式加工中心、大型龙门机床、卧式镗床等不同结构类型数控机床的通用空间误差模型。通过考虑平动轴角偏误差对机床空间定位精度的影响,使得所建综合误差模型通用性更强,同时适用于不同行程大小与结构类型的数控机床。(2)提出了不同结构类型数控机床关键误差的辨识方法。首先定性分析了定位误差、直线度误差、垂直度误差、角偏误差等各类误差元素对数控机床直线位置精度与平面圆轨迹精度的影响机理。并分析了其在不同行程大小、结构类型机床上的表现形式。然后在此基础上,基于敏感性分析判定法提取出了影响各类机床加工精度的关键误差元素,有效提高了误差检测与补偿的效率。(3)对立式加工中心的关键误差进行了有效检测与建模。首先对立式加工中心处于不同温度状态下的定位误差进行了测量。然后,对于其几何位置误差,提出了基于Chebyshev正交多项式的误差拟合建模方法,通过基函数的正交化设计,克服了高阶多项式的局部过拟合现象,有效提高了几何位置误差的建模精度。此外,Chebyshev正交多项式可以自适应地判定最佳拟合阶次,实现自动建模。针对机床丝杆的热误差,提出了基于自然指数热机理分析法的机床热误差建模方法,并确定了机床丝杆热误差的产生机理,以及其随温度场的变化规律。此外,其还可以克服在机床降温阶段由于温度测量滞后而导致的预测精度下降的问题,有效保持了热误差模型在升温、降温、环境温度变化等不同工况下的预测精度,提高了补偿模型的鲁棒性。(4)对大型龙门机床的关键误差进行了有效检测与建模。首先介绍了基于工件加工表面检测的龙门机床导轨直线度误差测量方法。然后针对龙门机床运动行程大、几何位置误差曲线复杂的特点,提出了基于移动最小二乘法的几何误差拟合建模方法。此建模方法结合了自适应分段拟合与加权最小二乘法的建模优点,通过引入紧支域的概念,有效提高了复杂误差曲线的建模精度,并降低了区间拟合函数的阶次。此外,通过对龙门机床平动轴角偏误差引起的Abbe误差进行分析与建模,有效地提高了龙门机床的三维空间定位精度。(5)开发了虚拟仪器实时误差补偿系统。基于NI虚拟仪器与嵌入式PC机开发了一套综合误差实时补偿系统,结合数控系统的外部机械原点偏移功能,其可以对机床的几何与热复合位置误差进行实时补偿。补偿软件平台嵌入了MATLAB功能模块,其能自动识别与提取激光干涉仪测量文件的误差数据、温度记录文件的温度数据,并完成几何与热复合位置误差的在线自动建模。此外,为了适应各类数控系统不同的补偿需求,本文分别基于快速以太网与机床外部I/O模块开发了两种补偿方案,其分别通过内部嵌入式以太网或机床外部I/O模块与数控系统的PMC窗口功能模块进行数据交互,有效提高了补偿器的适应性。(6)进行了数控机床多误差的动态实时补偿试验,以及工件的实际切削补偿验证。针对误差实时补偿系统,在立式加工中心与大型龙门机床上设计了一系列的多误差综合补偿试验,并使用激光干涉仪与球杆仪对机床在补偿前后的直线位置精度与圆轨迹精度进行检测。试验结果表明,经补偿后机床的精度得到了大幅度提升。此外,为了验证补偿技术的实际应用价值,也在立式加工中心与大型龙门机床上设计了一系列的标准件实际切削加工补偿试验。通过对补偿前后工件的加工精度进行对比表明:本文开发的误差补偿器能有效提高机床的实际加工精度,可以应用到机床的实际生产加工中。