目前,世界各国都十分重视先进制造技术的发展,尤其是发达国家先后制定了各种工业发展计划,我国也制定了“中国制造2025”的国家行动纲领。虽然我国在一些技术领域逐渐缩小与发达国家之间的差距甚至实现反超,但由于国外长期的技术封锁,在众多关键技术领域如超精密加工技术差距还加大。超精密加工技术是高端制造领域的一项关键技术,而超精密加工机床装备则是超精密加工技术的重要载体。当前,超精密微细加工已进入纳米尺度,如何控制加工误差,保障并提高数控机床的加工精度,已经成为提高加工制造水平的研究热点。为提高机床加工精度,提升我国高端数控机床的国际竞争力,本文以一台五轴联动超精密加工机床为研究对象,针对其关键部件旋转轴-刀具系统的几何与切削力误差,开展了几何与力误差建模、辨识与分离、微细加工动力学分析、机床刚度链测量、综合误差补偿、不确定度分析等一系列研究,为提高多轴数控机床的精度提供理论基础与实验依据。本文的主要研究内容如下:（1）以一台RPPPR型单摆头-单转台结构五轴联动超精密加工机床为研究对象,对影响超精密加工的主要误差源——几何误差（Geometric Errors,GEs）、切削力诱导误差（Force Induced Errors,FIEs）展开深入分析。基于仿射变换原理,提出绕任意直线旋转的空间位姿变换分析方法,在小角度、小位移的假设前提下,对移动过程中机床旋转轴的位姿变化状况进行分析,建立了机床旋转轴-刀具系统的几何与力误差综合误差模型,分析得出包括C旋转轴工作台、主轴安装支架、铣削主轴以及微细刀具的误差元素共计40项。所建立模型为误差补偿方案的具体实施提供了理论基础和方向。（2）提出了使用经验模态分解（Empirical Mode Decomposition,EMD）识别与分离所有GEs的方法,以此解决位置无关几何误差（Position Independent Geometric Errors,PIGEs）和位置相关几何误差（Position Dependent Geometric Errors,PDGEs）在分离过程中的非线性耦合问题,并大幅提高误差补偿效率。（3）建立了以剪切变形为主的切削区微铣削力预测模型,分析了微细铣削加工过程中所存在的微细铣削力系数非线性变化的问题,使用二次回归的方法建立铣削力系数与加工参数之间的关系,为加工参数的选取提供了理论依据。（4）建立了超精密加工机床旋转轴-刀具系统FIEs误差模型,并设计出一套针对机床旋转轴-刀具系统的部件刚度测量方案。根据具体加载环境,开发出专用工装夹具,对机床各零部件的负载-位移变化进行机上在位测量,进而求得C旋转轴、主轴安装支架、铣削主轴以及直径0.5mm微细刀具的刚度测量值共计19个,从而为机床结构薄弱环节的优化以及FIEs误差补偿的实施奠定基础。（5）进行了微小自由曲面铣削加工误差补偿实验,并根据ISO 230-9中所规定的不确定度基本测量方法,对机床旋转轴-刀具系统测量和实验数据进行不确定度分析,以确保实验数据合理、有效。针对超精密加工机床旋转轴-刀具系统,使用接触式在线测量仪器（On-Machine Measurement,OMM）测量机床旋转轴在运动过程中产生的几何与力诱导误差,并在AL6061和AISI1018两种材料工件上进行了微小自由曲面PIGEs+FIEs、PIGEs+PDGEs误差补偿铣削加工对比实验,通过分析误差补偿前后微小自由曲面表面轮廓的铣削加工精度评价了误差补偿的效果。