高速主轴的热、动特性对机床加工精度与效率具有重要影响。定位、定压预紧主轴由于预紧力不能灵活调整,无法满足不同工艺对热、动特性的综合要求。另外,普遍使用的循环冷却方式,虽然能够很好的控制轴承外圈和主轴壳体的温升,但对转子温升抑制较弱。针对上述问题,本文主要研究了高速主轴热-结构耦合建模和仿真方法、以及基于预紧力的热特性控制装置和方法。基于Jones轴承模型,综合考虑了主轴热效应和离心力效应引起的轴承内外圈的变形和位移、滚动体的热膨胀、陀螺力矩,建立了角接触球轴承非线性模型。以此为基础,以定位预紧串联背靠背轴承配组形式的主轴为例,进行热-结构耦合建模。分析了热效应和离心力效应对轴承生热功率的影响、以及温度和转速改变对主轴传热模型的影响。据此,提出一种耦合仿真方法,并进行了实例仿真和实验验证,结果表明该耦合仿真方法相对传统瞬态温度场仿真准确性更高,揭示了热-结构耦合规律。该方法同样适用于其他形式主轴,能够为主轴的热特性设计和控制,主轴运行状态性能监测提供指导。针对典型的压电驱动器可控预紧力主轴结构,建立了静、动力学模型,并结合压电驱动器的输出特性,建立了可控预紧力主轴的预紧模型。据此,分析了压电驱动器刚度、初始预紧力对预紧力控制区间和一阶固有频率的影响,进而提出了预紧机构的设计选型原则。最后,设计了集成温度检测功能的可控预紧力主轴系统,验证了上述原则的正确性,并为热特性控制提供硬件基础。为抑制轴向热误差,提出了温度场在加工参数改变前后保持不变的目标。基于预紧力对主轴温升影响机理,从热源角度出发,提出了一种轴承生热-散热功率改变等效的控制策略,能够计算本文目标下的预紧力调整值。同时理论计算了预紧力改变引起的主轴前端位置突变,通过数控系统补偿后,即可实现理论轴向热误差为零。通过实验,对比了加工参数改变前后,基于预紧力的热特性控制状态下与定位预紧状态下主轴的温升、前端位移和回转精度,表明了该方法的有效性。