本文围绕精密卧式加工中心设计制造关键技术的相关工程需求,研究数控机床几何精度设计及误差补偿的相关理论与方法,将研究成果用于一台典型箱中箱结构卧式加工中心的设计与制造,并实现其空间误差补偿。全文取得了如下创造性成果:在数控机床几何误差建模方法研究方面,以旋量理论与多体运动学理论为数学工具,全面考虑影响刀具与工件间位置和姿态误差的全部独立几何误差源,建立可将影响两者间可补偿与不可补偿位姿误差的几何误差源有效分离的通用误差模型,为采用精度设计与补偿手段改善机床几何精度提供了重要理论依据。在数控机床几何精度分析与设计方法研究方面,以区间分析理论为数学工具,定义了误差灵敏度指标,用于定量描述几何误差源对刀具与工件间精度影响;建立导轨制造安装误差与运动部件六维位姿误差间的误差映射模型,基于蒙特卡洛仿真形成两者间误差映射经验公式,为精度分配提供了重要的理论依据;建立基于区间优化理论的精密卧式加工中心几何精度优化分配模型,以导轨制造与安装精度为设计变量,刀具与工件间全域最大误差为约束条件,误差灵敏度指标为分配权重,实现了一台精密级卧式加工中心的重要大件的公差设计。在给定几何精度约束下,该方法具有可将误差源公差值松弛至最大可行区间的优点。在数控机床几何误差源辨识方法研究方面,提出一种基于球杆仪检测信息的几何误差源快速辨识方法。该方法首先利用多项式函数描述机床位置相关几何误差源,并构造出机床几何误差源与球杆仪杆长误差之间的误差映射模型;其次采用仅需单次安装即可实现空间大范围检测的球杆仪运行轨迹并通过误差参数可辨识性分析,构造出包含球杆仪安装位置误差的的误差辨识模型。在此基础上提出一种基于岭估计的几何误差参数辨识算法,可获得稳定可靠的误差参数辨识结果。计算机仿真与实验结果表明、本文提出的方法是是正确的和有效的。在数控机床的空间误差补偿方法研究方面,提出一种空间误差补偿策略。该策略采用激光干涉仪获取机床几何误差源信息,利用前述几何误差模型预估工作空间网格节点三维误差,并采用三维插值算法求解空间任意点处的空间误差补偿值以实现补偿。相关技术成功应用于一台精密卧式加工中心的空间误差补偿。实验结果表明,球杆仪测量轨迹圆度误差较补偿前平均降低34%,精加工标准样件轮廓特征误差较补偿前平均降低31%。本文研究成果对丰富和完善数控机床精度保障体系,夯实我国精密工作母机设计、制造技术基础,推进空间误差补偿技术在国内的工程应用具有重要的理论意义和实用价值。