A轴铣头作为五轴联动数控机床必备的关键功能部件，其结构复杂，部件众多，传动链结构紧凑，驱动及控制困难，刚度不易保证，相比机床本体设计、制造及装配难度更大，因而，A轴铣头的参数水平对机床的加工品质影响最大，成为机床加工能力显著提升的关键。A轴铣头的研究重点可以概括为提高传动和定位精度、增大驱动扭矩和提高铣头刚度。目前，各种性能指标均有所提高，但能成功兼顾各方面指标的案例还较少，因而，进行系统分析，同时提高A轴的精度和扭矩显得尤为重要，在设计中通常还需要考虑尽量增大摆角范围、提高响应速度、提高铣头在复杂环境中的可靠性等性能。由于整体叶盘高效强力复合数控铣削加工过程中存在载荷高、转速高、冲击大、切削力大、加工扭转变形严重等问题，为增强铣削加工过程的抗剪切效果，保证整体叶盘高效强力复合数控铣削加工顺利进行，必须设计制造大功率、大扭矩、高精度和高刚性的A轴功能部件。本文结合国家科技重大专项“高档数控机床与基础制造装备”课题：航空发动机整体叶盘高效强力复合数控铣床开发及应用(项目编号：2013ZX04001081)，针对用于钛合金、高温合金等难加工材料铣削的大功率、大扭矩、高精度和高刚性数控A轴的非线性动力学特性和高精度控制技术进行了深入研究，主要工作及成果如下：为满足A轴的大扭矩、大功率、高精度和高刚性，首先，从结构布局、驱动方式、锁紧系统和消隙方案等方面对A轴的机械结构进行了设计；其次，从总体架构、工控机单元、运动控制卡、伺服驱动系统、电主轴单元和位置检测单元等方面对A轴的控制系统进行了设计；最后，结合机械结构与控制系统，对A轴进行了总体详细设计。在A轴的柔体非线性动力学研究方面，首先，分别基于圆板理论和有限元理论对啮合齿的变形量进行了计算，通过将两者计算结果进行对比得到了齿变形的形状系数及其变化规律；其次，建立了A轴的柔体非线性动力学模型，对模型中的非线性摩擦和组合弹性系数进行了辨识与计算，并分析了系统参数变化对A轴动态性能的影响。最后，通过设计基于扩展状态观测器(ESO)的滑模控制(SMC)系统对A轴传动机构中存在的弹性变形及非线性摩擦进行了补偿控制。在参数摄动和负载干扰下A轴的动力学特性研究方面，首先，研究了启动扭矩、负载扭矩、运动方向和系统参数之间的相互关系，揭示了蜗轮蜗杆传动机构自锁的数学本质，并建立了含有非线性动力学参数和不确定性负载扭矩的A轴系统动力学方程。其次，基于双极性sigmoid函数和双曲线正切函数分别设计了两种自适应滑模控制器(ASMC)，并基于Lyapunov理论设计了两种ASMC中参数调节的自适应律，从而保证了闭环控制系统的稳定性。再次，设计了基于线性二次型最优控制(LQC)和SMC相结合的鲁棒控制算法(LQSMC)，该方法以A轴系统状态空间表达式及LQC为基础，通过引入基于卡尔曼滤波器和控制输入的状态估计，对系统状态空间模型进行改进并定义新的滑模面方程，使得改进后的控制算法在性能上接近LQC并能有效抑制SMC的抖振。最后，根据动静态摩擦的不同动力学特性，设计了两种不同的积分型滑模控制器(ISMC)。ISMC的引入较好地削弱了传统滑模控制(TSMC)的输入抖振。针对A轴动力学模型中的非线性函数项和不确定性负载扭矩，利用模糊系统的万能逼近特性，实现了对被控对象模型信息和外加干扰的逼近，设计了基于比例积分控制律的自适应模糊滑模控制器(AFSMC)。最终，基于所设计的6种SMC，构建了A轴的集成控制系统，进一步提高了A轴系统的控制精度和鲁棒性。