近年来,随着科学技术的日益发展和生活水平的提高,电子工业、信息产业、国防及航空航天等尖端领域对表面质量提出了更高要求。由于超精密加工表面包含了丰富的形貌特征,现代制造业越来越关注表面微观形貌的成因及其影响规律。本文旨在建立动态切削过程和表面形貌之间的关系,通过微纳米切削系统仿真模型对切削表面进行预测,并可以反向由实际表面测量数据或仿真实验结果的二维谱分析,对该表面加工过程中的振动情况进行有效辨识,从而为深入理解表面微观形貌的成型过程及其优化提供有效依据。微纳米切削的表面质量主要由工件材料、刀具、工艺参数、伺服精度、机械结构变形以及其他在切削过程中的动态因素所决定。因此,在传统切削力研究的基础上,对整个切削系统中包含的线性、非线性动态因素进行了分析,在切削过程中综合考虑了主轴跳动、地基振动、气源压力波动、电机伺服振动、材料不均匀性、积屑瘤、再生振动等因素,形成真正意义上的动态切削系统。同时,由于本课题的切削实验机床中采用了直线电机驱动、空气静压导轨支撑的直驱进给形式,运动方向上的刀具位置精度完全由直线电机的伺服精度进行保证,因此对该微纳米车床的控制系统进行了设计与实验研究。采用了积分分离、微分先行、低通滤波和前馈补偿的先进PID控制策略,并在轨迹跟踪实验中基于实测误差的相关性分析来对前馈环节进行有针对性的设计,通过实验验证取得良好效果。从而建立了包括动态切削过程、控制驱动系统、表面预测与分析等的微纳米动态切削集成仿真系统,来构建加工条件和表面质量之间的关系。切削表面是刀具刃形沿着各种扰动作用下的真实走刀轨迹对表面进行刻划复映而成。在微纳米切削表面预测的模块中,具体考虑了刀具干涉对表面成型的影响,给出了三维形貌的仿真算法。并通过对典型振动下的三维表面形貌仿真与分析得出了刀具与工件之间相对振动(以下简称相对振动)对表面成型的影响:通过频率比方法及采样理论分别解释了表面形貌的成形过程;并分别从相对振动的幅值、频率与刀具干涉现象对表面粗糙度的影响进行了详细分析。最后,对多动态因素影响下的微纳米端面车削表面进行了仿真,得出了复杂的三维表面形貌。鉴于微纳米车削表面纹理的复杂性,传统表面粗糙度参数难以对其成因做解释,本文采用了表面谱分析和小波分析相结合的方法,对切削表面的频谱特征进行了分析。由刀具-工件间的相对位移和切削表面剖面轮廓的功率谱密度(PSD)对比分析,得出了时间域与空间域频率信息的对应关系;由面域功率谱密度(APSD)对表面形貌的分析结果,得出表面上不同微观纹理在频域中的对应规律,并应用其对应关系总结了通过表面测量结果来辨识动态切削过程中刀具-工件之间相对振动的系统方法。为了表征不同尺度下的表面纹理,采用了小波多尺度分析方法,对切削表面进行了分解和重构。通过实践发现,基于二进小波理论的离散小波多尺度分析方法对表面特征的频域分辨不足,在某尺度分解的表面上会出现多频率混叠现象,另外,个别频率特征会同时出现在多个尺度分解的表面上。而二维连续小波变换对特定尺度的表面提取更为有效,可以清晰地分离各个尺度的表面形貌。基于相对面域功率谱分析、小波多尺度分解和系统仿真模型三种方法,可以计算切削过程各动态因素对表面误差的贡献程度,即表面粗糙度的重要度分析。通过各因素对表面粗糙度的影响比重,可以得出改进切削表面质量所需要采取的控制措施,为加工优化提供了指导。最后,在线测量了微纳米车削机床的各动态信号,并据此进行了微纳米端面车削的三维形貌预测,与实际检测结果有较好的一致性,验证了动态系统建模及表面仿真算法的正确性。同时,对快速刀架伺服主动振动激励下的表面测量数据进行APSD分析,能够有效辨识出加工过程中的振动信息,验证了APSD在振动辨识方面的有效性。