数控机床作为最基础的制造装备,是现代制造业的关键设备。超精密机床代表最高水平的数控机床技术,对一个国家尖端制造的技术和能力有决定性影响。美国、英国、德国以及日本等发达国家的超精密机床以及超精加工技术起步早,具有极高的技术水平,我国目前的发展与发达国家还有较大的差距,随着我国制造业发展对超精密机床的需求,需要大力提高超精密机床的设计制造水平。本文依托国家科技重大专项课题,以面对微小型精密有色金属零件加工的超精密机床为研究对象,首先,分析高精度球面加工的原理方案,即插补法和展成法,得出了展成法加工能实现更高精度的结论。针对此加工原理方案,机床的整体结构采用了十字溜板的布局形式:转台安装在直线轴上,在两直线轴驱动下做进给运动,同时可带动刀具做回转切削运动;工件安装在主轴上做回转运动。这种布局结构下,精度实现的关键环节,一方面决定于直线运动系统,另一方面决定于回转运动系统。对于直线运动系统,为实现高精度进给运动,布局设计采用了重心驱动方式,降低驱动中偏转力矩的影响,对电机丝杠驱动单元,直线导轨副以及光栅反馈单元进行了合理结构设计,并进行相关设计计算;对回转运动系统,采用了气体静压轴承作为主轴及转台的支撑单元,节流方式采用了多孔质节流,实现高刚性和高运动平稳性,采用FLUENT软件对气体静压轴承进行数值模拟分析,得到轴承的承载能力和刚度值。搭建加工及测量环境,对所研制出的机床精度进行检测,对零件进行加工并检测精度,最终测得机床以及所加工的零件具有极高精度,验证了机床的高精度性能,为其它此类超精密机床的设计提供了一定的参考。