重型数控机床是能源动力、航天航空、国防军工、汽车制造等行业的关键设备,机床的精度水平直接决定了大型关键零件加工的精度、效率及可靠性,其设计理论体系的建立对于提高我国重型机床制造水平具有重要的意义。重型机床静态精度设计是重型机床设计中的重要内容,对实现精度目标和成本控制有着非常重要的作用,但目前的机床精度设计方法没有考虑到重型机床大尺寸结构柔性的特殊性,尤其是重力作用引起的结构变形误差对静态精度的影响,其结果使得重型机床产品的静态精度依然需要依靠后期的装配调整环节加以保证,无法发挥精度设计在机床设计中应有的作用和优势。为解决上述问题,本文对重型机床的静态精度设计方法所涉及的静态误差建模、重力变形误差建模、大尺寸误差测量和静态误差分配技术进行了研究,旨在为构建具有重型机床特点的精度设计方法及理论体系提供一定的指导。针对重型机床结构大尺寸、大跨距的柔性特点,提出了一种基于多柔体系统理论的重型机床静态误差建模方法。将机床抽象为由弹性体和铰组成的多柔体系统,通过齐次坐标变换矩阵揭示了刚体运动中的几何误差和柔性体弹性变形误差间的耦合关系,建立了描述几何误差及弹性变形误差共同作用下的运动轴静态误差元素与机床刀尖点空间误差关系的数学模型,为静态精度设计方法提供了理论基础。通过重型立式加工中心的静态精度建模及其工作精度检验验证了所提出方法的正确性和准确性。为实现静态误差模型中重力变形误差的准确建模,定量分析了重力作用对重型机床结构变形误差的影响程度,基于空间梁-弹簧组合的超单元建立了重型立式加工中心的整机刚度模型,其中利用悬臂结构的等效柔度系数推导了能准确模拟具有箱式变截面结构的空间梁单元刚度矩阵,采用弹簧单元模拟了机床结合部的刚度特性,通过该刚度模型计算得到各静态误差元素中的重力变形误差分量,为后续基于重力变形误差建模的静态精度设计方法中非刚体误差约束条件的建立奠定了理论基础。准确的大尺寸误差测量是验证基于多柔体系统理论的静态误差模型正确性和准确性的关键。针对九线法机床误差辨识中的测量点布局,提出了一种基于蒙特卡罗方法的测量点最佳间距仿真计算方法,该方法在满足大尺寸误差测量的精度要求下兼顾了测量效率,指导并规范了大尺寸测量中的测量点分布。考虑到不同站位布局对激光跟踪仪顺次多边法的测量精度具有一定影响,提出了一种基于全局误差放大因子的仪器站位优化方法,构建了重型机床结构形式与靶球高精度接收范围对激光可视性约束的数学模型,使优化后的站位布局在满足测量精度要求的前提下更贴近重型机床的实际情况。站位布局验证实验表明优化站位具有较高的测量精度。结合上述研究工作的成果,提出了一种基于重力变形误差建模的重型机床静态精度设计方法,将重型机床的静态误差分配问题转化为最差条件下的多目标、非线性约束优化问题。通过在优化设计变量中引入机床部件的结构参数,在兼顾相对成本、鲁棒性目标的同时从结构柔顺性角度优化了重力变形误差,提高了几何误差分量的设计裕度。针对误差分配多目标优化问题可能存在的无最优解的情况,根据重型机床的结构特点提出了面向反变形工艺补偿的大跨距横梁重力变形计算方法,为优化问题中重力变形误差约束条件的修正提供了理论依据。最终以一台重型立式加工中心为例描述了本文所提出的重型机床静态精度设计方法的主要实施步骤,最优分配结果显示本文提出的精度设计方法能充分考虑重力变形误差的影响,有助于指导部件详细设计及减少不必要的装配调整环节。