数控机床体现了一个国家先进制造技术的综合水平,是国防军工、航空航天、模具及制造业精密零件加工的重要保证。主轴单元作为数控机床的核心功能部件,其回转精度直接影响数控机床的加工精度。随着机床主轴转速的不断提高,主轴动态回转误差表现得尤为重要,传统静态测试法已不能满足数控机床主轴高速、高精度的需求。针对主轴动态回转误差测试,我国还没有一套完整的测试标准和规范,对基础理论的研究还不够,未形成完整的理论体系,也缺乏主轴动态回转误差测试的实验装置。本文主要针对主轴动态回转误差的理论建模、测试评定方法及测试系统开发等问题展开研究,主要研究工作如下:（1）基于轴承运动学、接触力学及转子动力学理论,综合考虑轴承滚动体离心力效应、陀螺力矩效应、轴承滚道波纹度以及外载荷作用时的轴承时变刚度特性,建立了主轴转子-轴承系统的动力学模型;通过仿真分析,揭示了轴承内、外圈滚道波纹度、主轴动不平衡力及外界扰动力对主轴动态回转误差的影响规律;通过实验和文献对比,验证了轴承内、外圈波纹度阶次与滚动体数目、主轴动不平衡力及外界扰动力的阶次和幅值对主轴转子-轴承系统回转误差的影响规律。（2）基于ISO和ASME主轴回转误差测试标准,建立了主轴回转误差测试及评定的数学模型,提出了主轴回转误差测试算法,为主轴回转误差测试分析软件的开发奠定理论基础;根据对测试球的运动分析,建立径向回转误差的理论模型,通过麦克劳林级数展开,得到针对固定敏感方向和旋转敏感方向时测试球安装偏心误差对回转误差测试结果的影响规律,并给出了测试球安装偏心的选取原则;基于测试球的安装偏心,提出了一种自适应算法提取主轴基频,为回转误差的计算提供了角度信息,采用该算法可自动修正滤波参数以适应转速变化,无需手动调整滤波参数,提高了主轴回转误差测试的自动化程度;基于Lab VIEW虚拟仪器平台开发了主轴回转误差测试分析软件,并与国外商品化的主轴误差分析仪进行了对比,验证了主轴回转误差测试及评定模型,以及所开发测试软件的准确性。（3）针对传统三点法误差分离算法中存在的谐波抑制及受位移传感器安装角度误差影响较大等问题,提出了一种改进的三点法误差分离算法;将位移数据进行离散处理,建立包含圆度误差和回转误差的解线性方程组,对解线性方程组进行求解实现主轴回转误差和测试球圆度误差的在线分离;建立了误差分离的理论模型,利用位移传感器不同安装角度进行了仿真分析;基于系数矩阵条件数和秩建立了安装角度的优化模型,采用遗传算法对安装角度进行优化求解,得到多组可行的安装角度,给出了安装角度的选取原则;将实验分离得到的主轴回转误差和检验棒圆度误差分别与使用主轴误差分析仪和圆度仪测得的结果进行对比,验证了所提算法的重复性和有效性。（4）为研究角接触球轴承回转误差随轴向预紧力及运行转速变化的规律,设计了一种基于二自由度柔性铰链机构的轴承回转误差测试装置;该装置可以调节所施加轴向预紧力,模拟轴承实际工况;采用ANSYS软件对二自由度柔性铰链机构进行仿真分析,通过仿真可知角接触球轴承的摩擦力矩对径向误差运动测试的影响可以忽略不计,同时,所设计的二自由度柔性铰链机构具有很好的动态特性;通过待测轴承径向刚度与铰链的等效刚度求得修正系数,对回转误差进行修正,提高了装置的测试精度。通过对角接触球轴承回转误差的研究,可以预测主轴转子-轴承系统的回转误差,并指导主轴单元的精度设计。本文的研究工作为高速、高精密主轴单元动态回转误差建模、测试及各个误差因素影响规律的研究提供了重要的理论方法和实现途径,从而为高速、高精密主轴单元的开发提供了技术支持。