基于机械切削方法加工微结构和微零件,由于其加工效率高、成本低及加工材料范围广泛等特点,越来越引起人们重视。具备超精密垂直运动系统的超精密机床在加工复杂面形光学曲面、自由曲面模具及大型超精密光学零件等方面,具有广泛应用价值和前景。然而由于超精密垂直运动系统运动方向平行于重力方向,其受载工况较水平直线轴更为严苛,对超精密垂直运动系统结构形式、关键部件设计、动态特性、误差运动及控制等提出了挑战。目前,超精密垂直运动系统已成为制约国内超精密机床发展研制的瓶颈,因此有必要对超精密垂直运动系统进行深入研究。针对超精密多轴联动机床的应用需求,首先基于对称性准则,进行超精密垂直运动系统总体设计。在综合对比分析传统构型液体静压导轨优缺点基础上,设计了一种新型内滑块式定导轨供油闭合框架式液体静压导轨。然后建立了垂直运动系统刚度链数学模型,定量分析垂直运动系统驱动偏心、卸荷位置、液体静压导轨油膜刚度及静压导轨几何结构参数对超精密垂直运动系统准静态误差影响规律。在上述研究基础上,针对超精密垂直运动系统关键部件——小孔节流液体静压导轨,建立变油膜厚度液体静压润滑一般Reynolds方程,给出了变油膜厚度Reynolds方程有限差分数值求解模型。利用该模型,定量分析了重力场、静压导轨设计参数、结构弹性变形及润滑油膜工作温度对超精密垂直运动系统矩形油垫液体静压导轨静态特性影响规律。进而提出了液体静压导轨双迭代修正鲁棒性设计法,并运用该方法对超精密垂直运动系统液体静压导轨进行优化。建立超精密垂直运动系统整体动力学模型,从超精密垂直运动系统阻尼特性角度,建立了超精密垂直运动系统矩形油垫静压导轨切向及法向阻尼理论模型。通过对比分析法,研究了超精密垂直运动系统整体结构刚度、负载质量、静压油膜接合面等因素对超精密垂直运动系统整体动态特性影响规律。利用有限元谐响应分析法,对比分析了不同润滑油对超精密垂直运动系统动态响应特性影响规律。建立基于三维轮廓误差的超精密垂直运动系统液体静压导轨几何误差运动模型,利用该模型研究了超精密垂直运动系统液体静压导轨宽度方向及长度方向面形误差对其几何误差运动影响规律。针对静压导轨结构的不同,揭示开式结构静压导轨与闭式结构静压导轨误差运动的本质区别。给出了超精密垂直运动系统液体静压导轨设计补充指导准则,并对提出的静压导轨几何误差运动模型进行了有效性实验验证。在此基础上,以超精密多轴联动机床为应用背景,建立考虑油膜误差均化作用的超精密垂直运动系统几何误差传递链模型。利用该模型,分析研究零部件装配误差对超精密垂直运动系统空间位姿误差影响规律,为超精密垂直运动系统的研制提供了理论指导。