随着现代机械、半导体、电子、测量技术以及航天技术的发展，超精密加工在制造领域占有越来越重要的地位。超精密加工工艺技术依托于超精密装备，近些年来，超精密加工装备成为各国重点发展的技术，逐渐成为衡量一个国家制造业水平高低的重要标志。目前，对超精密机床相关研究主要集中在车床与磨床，而对在非球面自由曲面以及微结构光学元件的制造领域应用广泛的超精密铣床相关理论研究较少。本文主要对三轴超精密铣床的几何与热误差的建模与补偿进行研究。对龙门式和悬臂式两种常见的三轴机床结构进行有限元静力分析，模态分析以及谐波响应分析，比较二者在静态与动态性能方面的优越性，选择性能较优的结构作为超精密机床的主体框架。使用锤击法对机床实物进行激振实验，测量出机床的固有频率，作为伺服系统参数优选，过滤共振点的依据。基于多体运动学原理对机床的空间几何误差进行建模分析，并对刀尖点XYZ方向的误差进行分类，分为具有线性特性的十二项空间误差，分别为刀尖点在空间中沿XYZ三个方向的定位误差，直线度误差，以及垂直度误差。测量运动空间的边缘几何误差，通过线性关系计算出空间任一点的几何误差。在PLC中输入模型的线性系数，可以实现机床运动空间内任一点误差补偿，补偿效果显著。使用激光位移传感器对机床高速电主轴轴向热误差进行辨识，分别建立其关于热关键点温度的的多元回归模型和BP人工神经网络模型，比较两者的预测精度，选择较优的BP人工神经网络模型嵌入PLC系统中，实现实时热误差补偿。