随着“中国制造2025”战略的逐步深化,自动化生产和智能化生产具有越来越重要的地位,作为工业基础的数控机床的重要性也在与日俱增,在航空航天领域中尤其如此。在航空制造业中,为了减轻飞机的重量,同时要保证飞机结构的高强度和较长的使用寿命,薄壁零件成为一种极好的选择,已经被广泛应用于航空制造业中。然而由于薄壁零件具有壁厚较小、体积较大、结构较为复杂等特点,数控机床对其进行加工具有较大的难度,难以保证其加工精度。为了满足数控机床对薄壁零件加工的高精度、高效率的要求,需用刀柄式在机超声测厚系统替代人工测厚手段,以减小由于重新定位与装夹而引入的误差,并且提高机床加工效率。然而对于数控机床的在机自动测厚,采用“峰-峰值检测法”无法实现对小壁厚零件的超声测厚,并且超声探头与待测工件之间的自动接触过程需要保证良好的耦合效果。本文的主要研究内容如下:（1）五轴数控机床对薄壁零件的在机测厚过程的研究。分析数控机床的加工环境特点,基于实际加工中在机测厚的性能需求,提出针对于刀柄式在机超声测厚系统的性能优化设计方案。（2）针对小壁厚零件在机超声测厚精度优化的研究与实现。针对小壁厚零件下的测厚精度问题,分析其测量精度的影响因素。通过比较不同超声测厚方法的原理,分析采用“峰-峰值检测法”进行超声测厚时测量精度较低的原因,提出针对小壁厚零件超声测厚的回波厚度特征提取方法。基于刀柄式在机超声测厚系统,实现小壁厚零件在机超声测厚的厚度特征提取。（3）刀柄式在机超声测厚系统的耦合保障问题的研究。基于数控机床在机测量,分析超声测厚中耦合层对其测厚性能的影响,结合在机超声测厚对大行程缓冲以及柔性接触的要求,通过比较得到适用于数控机床在机测量的耦合方式。基于刀柄式在机超声测厚系统,实现对其机械结构的优化。（4）基于对刀柄式在机超声测厚系统的性能优化研究,通过实验对小壁厚零件的测厚精度进行验证,最终得到精度优于±0.03mm的结论;设计实验对其柔性接触结构的耦合保障性能进行验证,最终得到柔性接触结构可实现10mm缓冲距离的结论;进行数控机床在机测厚实验,对刀柄式在机超声测厚系统的整机功能进行验证,最终确认整机可实现对薄壁零件的在机检测。