随着国防以及高端民品的不断发展,人们对如直线/曲线槽、自由曲面、晶圆级透镜阵列等高精度复杂面形零件的需求越来越大。多轴联动超精密金刚石车削,具有高精度和高效率的特点,可以直接加工出高质量复杂面形零件。其中,垂直轴作为机床多轴联动加工关键组成部件,因其运动方向与重力同向,受载工况复杂,已成为制约国内发展高档超精密数控机床技术的短板之一。为满足复杂面形零件加工的需求,以及实现超精密机床自主可控、长期稳定可靠的要求,本文围绕垂直轴整机和关键部件结构设计、静压导轨静态特性、垂直轴动态特性三个方面进行了研究,论文主要研究工作及成果概括如下:（1）针对复杂面形零件车削加工设备关键件的设计和制造需求,根据机床设计准则,对垂直轴进行整体方案设计。从实际结构布局需求出发,设计了内滑块式液体静压导轨,完成了静压油膜参数计算。为实现无摩擦重力平衡,设计了一种基于空气轴承的双关节球铰无摩擦气缸。无摩擦气缸空气轴承与气缸工作腔独立供气,实现全工况稳定运行。（2）在垂直轴模型的基础上,分别对静压油膜的支撑特性和垂直轴整机结构静力学仿真分析。对油膜参数相关性分析,量化了结构参数对油膜支撑特性的影响程度,探讨了主要结构参数对支撑特性的影响。通过考虑螺栓预紧力作用的静压导轨弹性变形分析,研究了不同预紧力效率对导轨变形的影响。建立垂直轴静态特性实验装置,测试了静态性能指标,均满足设计要求。（3）建立了垂直轴溜板的动力学模型,对超精密垂直轴的模态进行了仿真分析和锤击实验。结果表明:液体静压导轨油膜属于过阻尼系统,锤击实验所激发的频率均为垂直轴结构频率,和油膜无关。利用有限元分析,研究了驱动偏心、质量偏心、重力平衡偏心对溜板运动姿态的影响。质量偏心和重力平衡偏心对溜板摆动角度影响最大。在设计过程中采用对称性原则、合理布局,可降低二者对溜板运行稳定性的影响。