随着机床加工精度的逐步提高,超精密切削加工已经进入纳米切削加工领域,可以直接加工出表面粗糙度几纳米、面形精度数百纳米的平面以及各种曲面元件。但随着光学、电子等现代科学技术的发展,超精密切削加工表面的质量仍不能满足其使用性能需求,随之而来对超精密加工设备性能的要求越来越高。因此,如何进一步提高超精密切削加工设备的性能进而提高加工表面的质量成为超精密加工领域面临的重要课题。　　本文主要基于超精密飞切加工表面切向波纹度生成机理对机床立式静压主轴系统的静动态特性及测试系统展开研究。在超精密飞切加工机床主轴系统径向推力联合气体静压轴承静态特性分析的基础上,理论分析了主轴转子回转过程中陀螺力矩的影响规律,得到主轴转子偏摆运动规律;通过建立主轴系统质量刚度模型研究了加工过程中间断切削冲击力对主轴系统的影响及其产生的结果;对机床主轴转子系统进行了系统的模态分析与计算,证明了主轴系统刀盘部件在切削力作用下的模态振动是加工表面波纹度产生的主要原因,并提出了抑制措施。建立了飞切加工机床立式主轴回转运动在线测试系统,分别对主轴准静态、空转运行、切削加工状态下主轴回转运动状态进行了系统的测试与分析,得到了各个状态下主轴回转运动的数值表征与运动规律,掌握了主轴的回转运动状态。　　论文首先从机床主轴系统的静压轴承结构着手进行分析,建立了轴承压力气膜模型,分析了轴承结构参数对轴承主要的静态参数的影响规律;理论分析了主轴回转过程中的陀螺效应现象,推导出适合于飞刀切削加工机床主轴的主轴转子陀螺力矩数学模型,得到了主轴转子偏摆角度运动规律;分析了主轴系统由于质量不平衡引起主轴回转运动中同步与异步涡动产生的原因,得到了系统刚度、阻尼、转子质量等物理量对同步涡动的影响规律。　　建立了主轴系统质量-刚度等效模型及相应的运动微分方程,得到了主轴主要部件刚度与质量变化时主轴激振频率的变化规律;建立了主轴系统的动力学模型,计算分析了主轴系统的各阶固有频率及振型,在此基础上,利用有限元法及主轴系统模态实验验证了理论分析结果的正确性,证明了主轴系统刀盘部件在切削力作用下的模态振动是加工表面切向波纹度产生的根本原因,并提出了抑制措施。　　建立了超精密飞切加工机床立式主轴回转运动在线测试系统;理论分析了标准球安装误差与电容传感器探头安装误差对测试结果的影响规律,通过实际测试结果分析了传感器探头支撑结构对测试结果的影响;针对超精密飞切加工机床主轴测试环境的要求,对传感器噪声信号、液压系统、导轨系统、主轴系统等对测试结果的影响做了系统的分析,得到了这些影响因素的特征频率以及对测试结果的影响规律。　　最后,利用建立的主轴回转误差运动在线测试系统分别对主轴准静态、空转运行、切削加工状态下主轴回转运动状态进行了系统的测试与分析,得到了各个状态下主轴回转运动的数值表征与运动规律,全面掌握了主轴的回转运动状态。测试得到主轴准静态下轴向误差运动总误差83nm,异步误差41nm;径向误差运动总误差222nm,异步误差48nm。通过测试发现,在主轴空运行状态下主轴轴向误差与径向误差运动随主轴转速的升高而精度提高的运动规律。