在机械零件加工生产中，轴类零件是一种重要零件，而在航空航天、船舶、通信、汽车等领域，对于高精度轴类零件的需求更是在不断提高。为了满足高精度轴类精度加工的需要，误差补偿是一项具有显著经济价值并十分有效的提高机床精度的手段。本文针对大尺寸高精度轴类零件，确定了在位检测与实时补偿相配合的方案，其中误差补偿采用微动刀架实现。本文以肖步林180CCN数控车床为基础，设计了一套直径专用量具及一套微动刀架补偿系统。首先通过激光干涉仪对车床的导轨几何及定位精度进行了标定，分析了加工精度的主要误差来源。然后通过对现有直径测量方法的比较分析，设计了将测量精度较高且成本较低的相对测量法及机械式接触测量法相结合的测量方案，且在此基础上完成了结构设计和仿真，并对夹紧力、测量力、加工及安装精度进行了误差分析。根据车床尺寸及加工精度误差，确定了微动刀架的设计参数，为了满足补偿要求，其结构采用了压电陶瓷驱动器及双平行柔性铰链导向机构，根据直圆形柔性铰链的转角刚度公式，对双平行柔性铰链机构的简化模型的刚度进行了修正，再通过尺寸优化及模态仿真，完成了微动刀架的机械结构设计。其控制系统则是通过对压电陶瓷的迟滞及蠕变模型的研究，采用多项式拟合的放法建立了控制模型，并进行了验证，还通过VB对上位机程序进行了编写，实现了对微动刀架的实时控制。最后经过实验，对在位检测装置的检测精度和微动刀架的刚度、固有频率、行程、定位精度及动态响应进行了测定，并将实验结果与计算值及仿真值进行了对比，验证了计算及仿真的准确性，最终确定了在位检测装置与微动刀架满足实际加工精度需求。