数控机床整机动刚度性能和主轴系统热误差严重制约着机床的加工精度,但是目前只限于单一动态特性的研究和优化,同时所建立模型不够精确,影响优化的结果。数控机床的数字孪生体应能够进行动态性能预测并提供优化方案,但是目前数字孪生概念在数控机床领域高保真度的建模仿真、高置信度仿真预测、提供有效的智能优化方案等方面的问题还亟待解决。本文以数控机床整机动态特性为研究对象,对其动态特性的数字孪生模型的构建、整机动刚度精确有限元模型的建立、整机热特性分析进行了研究。同时,本文针对数控机床动刚度和热变形进行结构优化,以减小机床的振动和热变形,满足加工精度的要求。本文的主要研究工作及成果如下:（1）为了反映机床整个生命周期中的真实状况,提出机理模型和数据模型混合驱动的数控机床数字孪生模型的自适应修正方法。以数控机床整机动刚度为结合对象实现初始数字孪生机理模型和初始数据模型的构建。（2）在数控机床生命周期的不同阶段,采用智能优化算法,可以根据机床动态性能的变化对数字孪生模型进行自适应修正。利用所建立的数字孪生模型对数控机床的动态性能进行预测,为数控机床的动态性能优化决策打下基础。（3）采用有限元方法对车床整机进行静力分析和模态分析,并进行机床模态试验验证有限元模型的有效性。综合静力分析和模态分析的结果,确定车床需要进行优化设计,以提高车床的静动态特性。（4）对数控车床床身进行拓扑优化设计,根据静力拓扑和模态拓扑优化的结果,对数控车床床身进行重新设计,然后对设计后的车床进行静动态特性分析。重新设计后的车床静态总柔度降低了2.55%,第一阶固有频率提高了2.1%,第一阶动刚度提高了4.8%,床身的质量下降了1.6%。（5）对主轴系统进行了热特性分析,温升试验结果表明稳态热分析具有可靠性。稳态热分析得到主轴系统的最高温度为68.9℃,最大热变形为220.2μm。通过改进主轴箱结构、布置热源两个方面来减小主轴系统的最高温度和最大热变形。改进后主轴系统的最高温度从68.9℃降到62.4℃,下降了9.4%;最大热变形从220.2μm下降到176.3μm,下降了19.9%,证明了优化方法的有效性。