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重型数控机床在加工制造业中扮演着相当重要的角色,提高其加工精度一直是备受关注的重要研究课题。研究表明,热误差占机床总误差的45%左右,同时精度要求越高,其所占比重越大。为了能减少或后期抵消热误差,目前对热误差的研究主要集中在机床温度场分析、温度变化与热变形建模等方面。由于机床是个复杂的物理结构,并且存在外界环境的不可控干扰,温度场难以重构,而所建模型的精确性、鲁棒性和运算效率也影响着热误差补偿装置的效果。机床热误差是机床各部件在热源影响下产生形变的共同作用效果,而热变形建模是热误差补偿技术的基础,通过所建模型可以根据实时温度变化预测并补偿形变量而实现热误差的减少。从物理结构上看,立柱的弯曲会引起横梁前倾,从而导致加工主轴发生热漂移。本文以机床的大型构件—立柱为研究对象,围绕其与机床热变形之间的关系开展了如下工作:(1)对机床的热源分布进行分析,运用光纤光栅温度传感器针对立柱的温度场进行了初步测量,同时运用CCD激光位移传感器同步采集主轴热漂移(机床Y方向热变形),并对立柱温度变化与热变形数据之间的相关性进行分析。(2)并非所有温度测点与热变形之间有明显关系,因此运用模糊聚类方法对温度测量点进行分组,然后以不同的侧重点,分别采用偏相关分析、最大灵敏度和灰关联分析方法从分组中筛选出关键温度测量点,并基于筛选结果存在交叉性,提出一种更为平衡的综合测点优化策略。(3)基于所得到的关键温度测量点分别运用多元线性回归模型、BP神经网络模型和基于遗传算法改进的BP网络模型建立其与机床热变形的关系模型,并对模型进行评估得到最佳的预测模型。同时根据评估结果也验证了不同测点优化策略的优劣,进而提出测点优化和建模方法改进的建议。(4)为了更方便和深入的研究立柱形变对机床热误差的影响机理,基于光纤光栅的应变量测量,推导了柱形结构应变量与自身形变状态之间的关系。同时设计了柱形结构二维形变实时监测模型和实现方案,运用该模型能够在线监测机床柱形结构的弯曲变化特点,对后续热误差补偿的研究甚至是柱形结构的设计都有重要参考意义。