随着中国制造业的不断升级,医疗器械和航空航天等高端制造行业对于数控机床加工精度的要求也越来越高。几何误差作为数控机床误差源的主要组成部分,对机床的加工精度有着很大影响,因此通过先精确测量机床几何误差再对其进行有效补偿的途径提高数控机床的加工精度对于我国制造业的升级和高端制造业的发展有着重要的意义。为有效提高补偿效率,本文提出了使用多自由度测量仪器配合几何误差补偿模型的方法对机床几何误差进行补偿。首先,本文基于多体系统理论推导出XYFZ型三轴数控机床适用的齐次坐标转换矩阵(Homogeneous Transformation Matrix,简称HTM)补偿模型,并分析了此补偿模型应用的前提条件以及其配合多自由度测量仪器补偿机床几何误差时存在的问题;其次,本文基于阿贝原则分析了XYFZ型三轴数控机床的几何误差传递机理,给出机床运动轴定位误差影响加工精度的计算公式;然后,推导出了符合阿贝原则和布莱恩原则的HTM误差补偿模型,解决了其与多自由度测量仪器的适配问题,同时给出了符合几何误差传递机理的误差补偿模型并基于C++编写了空间误差的计算软件;最后,通过实验在机床X轴上验证了基于阿贝原则对机床几何误差传递机理分析的正确性并通过将误差模型拟合所得机床体对角线定位误差与实测体对角线定位误差比较的方法验证了误差模型的补偿精度,比对结果表明:HTM补偿模型可将数控机床空间定位误差由41.15μm补偿至16.37μm,补偿率为60.22%,基于阿贝和布莱恩原则优化后的HTM补偿模型可将数控机床空间定位误差由41.15μm补偿至5.32μm,补偿率为87.07%,优化后补偿模型的补偿率有效提高了26.85%。在验证补偿模型有效的基础上,为进一步降低数控机床几何误差的补偿成本,本文开发出一款经济型更好的高精度线性轴五自由度几何误差测量系统,用于替代昂贵的商用多自由度测量仪器。首先,基于双准直光束的测量原理设计了测量系统的光路;然后,基于C++编写了测量系统的上下位机串口通讯模块和测量系统的测量软件,实现了数据采集和滤波、数据显示、图表绘制和数据存储等功能。最后,为了测试五自由度几何误差测量系统的各项性能指标,对测量系统进行了灵敏度标定实验、稳定性实验、静动态精度比对实验以及重复性实验。实验结果表明:测量系统60min内的线性漂移量在0.9μm之内,角度漂移量在0.73″之内;直线度比对误差在±1μm之内,偏摆角和俯仰角比对误差在±1.5″,滚动角比对误差在±2.1″;测量仪器五次测量所得的水平和竖直直线度误差、偏摆角、俯仰角和滚动角误差的标准差分别为0.71μm、0.62μm、1.92″、1.59″和2.31″。