热误差的研究是提升数控机床加工精度的重要领域,而对于机床温度场的动态监测以及对热误差的实时计算和补偿又是热误差研究过程中不可或缺的重要手段。为了提供一个实用的热误差研究硬件平台和软件解决方案,本论文在综述国内外对数控机床热误差研究历程和既有成果的基础上,对以下内容进行了深入研究。基于数控机床热模态分析理论,开发具备温度采样、热误差计算、热误差补偿等多种功能的数控机床热模态分析测试仪。该系统支持16个温度通道同时测量并实时显示数控机床的温度场,可根据基于广义时间常数和温升模型的热模态理论模型实时计算和输出机床热误差。作为人机交互设备,可编程式电容式触摸屏的引入既方便用户的参数设置和实时观察,还支持外部储存装置数据保存等功能,使整个系统的便携性和综合性能得到大幅提升。为了提升系统整体稳定性和可靠性,本文还分别就软件和硬件两个层面对提升系统可靠性对策开展了一系列分析和探讨。在所开发的热模态分析测试仪的基础上,配套开发数控机床热模态分析软件。利用时域构造算法计算系统热特征值,重构系统温升过程。实现了数控机床温升曲线的预测和热平衡时间的预测。利用数控机床热模态分析测试仪在数控机床上布点测量温度场,可以通过前数十分钟机床加工的温升数据预测出机床的温升趋势,拟合误差小于3%。此外,该套数控机床热模态分析系统在精密卧式加工中心综合误差补偿试验中得到充分利用。通过对大型精密卧式加工中心的实时综合误差预测和在线补偿,使加工轮廓误差降低幅度超过70%。