数控机床直线进给系统精度设计与装配误差控制方法研究进展

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.017

中国机械工程 ›› 2026, Vol. 37 ›› Issue (10): 2540-2555.DOI: 10.3969/j.issn.1004-132X.2026.10.017

数控机床直线进给系统精度设计与装配误差控制方法研究进展

孙光明¹^,²(), 孙艺萌¹, 郭鑫²^,³, 张大卫², 阎兵¹, 杨悦²(), 何改云², 高卫国², 赵坚¹

^1.天津城建大学控制与机械工程学院, 天津, 300384
^2.天津大学机构理论与装备设计教育部重点实验室, 天津, 300072
^3.沈阳机床中捷友谊厂有限公司, 沈阳, 110142

收稿日期:2025-05-08 出版日期:2026-10-25 发布日期:2026-11-10
通讯作者: 杨悦
作者简介:孙光明，男，1987年生，副教授。研究方向为高档数控机床设计、数控机床误差测量分析与补偿技术。E-mail：gmsun@tju.edu.cn
杨悦^*（通信作者），男，1993年生，助理研究员。研究方向为数控机床正向设计方法、高精密机电系统设计与控制、混联机器人系统。E-mail：yue_yang@tju.edu.cn。
基金资助:
国家自然科学基金(52205535);国家自然科学基金(U23B20102);天津市自然科学基金(25JCYBJC00260);天津市自然科学基金(22JCQNJC01000);沈阳市科技重大专项(23-401-1-01)

Research Progresses on Precision Design and Assembly Error Control Methods for Linear Feed Systems of CNC Machine Tools

SUN Guangming¹^,²(), SUN Yimeng¹, GUO Xin²^,³, ZHANG Dawei², YAN Bing¹, YANG Yue²(), HE Gaiyun², GAO Weiguo², ZHAO Jian¹

^1.School of Control and Mechanical Engineering，Tianjin Chengjian University，Tianjin，300384
^2.Key Laboratory of Mechanism Theory and Equipment Design of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin，300072
^3.Shenyang Machine Tool Zhongjie Friendship Factory Co. ，Ltd. ，Shenyang，110142

Received:2025-05-08 Online:2026-10-25 Published:2026-11-10
Contact: YANG Yue

摘要/Abstract

摘要：

从误差传递机理研究、精度设计、装配误差控制等方面梳理了机床直线进给系统精度设计与装配误差控制方法技术体系。对机床直线进给系统装配误差与运动误差的建模方法进行归纳，并围绕误差权重分析、精度优化及仿真验证等方面梳理了直线进给系统的精度设计流程。梳理了直线进给系统装配流程，通过误差溯源将装配误差反馈到精度设计环节，优化设计参数并指导再次装配，从而控制机床直线进给系统装配误差。在现有研究基础上，展望了未来机床直线进给系统装配误差控制的研究方向。

关键词: 直线进给系统, 误差传递机理, 精度设计, 装配误差

Abstract:

The technical framework of precision design and assembly error control methods of machine tool linear feed systems was reviewed from three aspects： error transmission mechanism research， precision design and assembly error control. Modeling methods for the relationship between assembly errors and motion errors of machine tool linear feed systems were summarized. The research results of precision design for linear feed systems were summarized， mainly focusing on error weight analysis， precision optimization， and simulation verification. By establishing error traceability chains， the assembly-induced errors can be systematically fed back to the precision design phases for iterative optimization. Moreover， the design parameters were optimized to guide subsequent re-assembly processes， effectively mitigating assembly-induced errors in the machine tool linear feed systems. Finally， the future research directions of assembly error control methods were discussed.

Key words: linear feed system, error transfer mechanism, precision design, assembly error

中图分类号:

TG659

孙光明, 孙艺萌, 郭鑫, 张大卫, 阎兵, 杨悦, 何改云, 高卫国, 赵坚. 数控机床直线进给系统精度设计与装配误差控制方法研究进展[J]. 中国机械工程, 2026, 37(10): 2540-2555.

SUN Guangming, SUN Yimeng, GUO Xin, ZHANG Dawei, YAN Bing, YANG Yue, HE Gaiyun, GAO Weiguo, ZHAO Jian. Research Progresses on Precision Design and Assembly Error Control Methods for Linear Feed Systems of CNC Machine Tools[J]. China Mechanical Engineering, 2026, 37(10): 2540-2555.

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图/表 18

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方法	层次分析法	灵敏度分析法
理论基础	基于专家经验的主观权重排序，通过判断矩阵量化定性因素	基于数学模型或实验数据分析，量化参数变化对输出的影响
核心目标	解决多准则决策问题，确定误差源的相对重要性	识别关键敏感参数，评估参数对系统性能的贡献度
优缺点	优点：处理定性指标、快速决策缺点：主观性强	优点：客观量化、动态耦合分析缺点：依赖高精度模型、计算成本高
发展趋势	结合模糊矩阵处理不确定性，引入机器学习生成判断矩阵	使用神经网络代理模型加速计算

方法	层次分析法	灵敏度分析法
理论基础	基于专家经验的主观权重排序，通过判断矩阵量化定性因素	基于数学模型或实验数据分析，量化参数变化对输出的影响
核心目标	解决多准则决策问题，确定误差源的相对重要性	识别关键敏感参数，评估参数对系统性能的贡献度
优缺点	优点：处理定性指标、快速决策缺点：主观性强	优点：客观量化、动态耦合分析缺点：依赖高精度模型、计算成本高
发展趋势	结合模糊矩阵处理不确定性，引入机器学习生成判断矩阵	使用神经网络代理模型加速计算

测量方法	测量原理	优缺点
指示表法	以平尺或平板作为基准，通过指示表读取工件表面的形位误差	优点：操作简单、成本低等缺点：对接触面形状有要求，测量精度有限
水平仪法	通过观察水平仪中的水泡变化测量相邻跨距的角度变化，进而计算误差	优点：精度较高，适合大型工件缺点：适用于相对较短的测量距离
激光干涉仪法	利用两束不同频率的激光束由于光程差造成的频率差来测量直线度误差	优点：精度高，可同时测量水平和垂直方向缺点：受环境影响大，仪器价格昂贵
激光准直仪法	利用激光束的直线传播特性，通过反射分析激光束的位置变化来测量导轨直线度	优点：精度高，可以实时测量缺点：随着测量距离增加精度降低，成本较高

测量方法	测量原理	优缺点
指示表法	以平尺或平板作为基准，通过指示表读取工件表面的形位误差	优点：操作简单、成本低等缺点：对接触面形状有要求，测量精度有限
水平仪法	通过观察水平仪中的水泡变化测量相邻跨距的角度变化，进而计算误差	优点：精度较高，适合大型工件缺点：适用于相对较短的测量距离
激光干涉仪法	利用两束不同频率的激光束由于光程差造成的频率差来测量直线度误差	优点：精度高，可同时测量水平和垂直方向缺点：受环境影响大，仪器价格昂贵
激光准直仪法	利用激光束的直线传播特性，通过反射分析激光束的位置变化来测量导轨直线度	优点：精度高，可以实时测量缺点：随着测量距离增加精度降低，成本较高

测量方法	原理	测量误差
水平仪	将水平仪沿工件表面放置，观察气泡的位置偏移，通过偏移量来计算角度误差	角度误差
水平仪	通过角度读数与桥板跨距进行简单的计算，通过角度换算间接得到被测物的直线度	直线度误差
测微仪	通过调整测量嘴与待测物体之间的接触，并结合主尺和微动螺杆上的刻度，可以直接读取物体的尺寸及其微小变化，实现高精度的测量	角度误差
自准仪	利用激光产生的平行光束，结合光学准直原理，通过比对光束与基准水平或垂直线之间的偏差来测量角度误差	角度误差
激光干涉仪	利用激光的相干性和干涉现象，通过比较待测直线与理想直线之间的光程差来测量直线度误差	直线度误差
	通过观察和分析这些干涉条纹来测量微小的位移、角度和其他几何变化	角度误差
	线性反射镜发生位移时发生干涉，会出现明暗相间的变化，通过检测单元得到直线轴在这个方向上的距离变化，求得直线轴的定位误差	定位误差
激光光栅测量	通过栅格宽度和移动的栅格数来确定位移量，并通过光敏元件将周期性变化的光信号转换为正弦或方波信号，进而求出准确的线性位移	定位误差

数控机床直线进给系统精度设计与装配误差控制方法研究进展

Research Progresses on Precision Design and Assembly Error Control Methods for Linear Feed Systems of CNC Machine Tools

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图/表 18

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