主轴是数控机床的核心部件,是机床产生热误差的重要来源。目前,对主轴热态特性的研究多只考虑主轴本体热源。然而,主轴末端热误差是在主轴和机床结构件的耦合热场下产生的,同时机床结构件的热变形对主轴末端的影响也不可忽略。因此,考虑机床结构件的热变形对主轴热误差的影响,对研究主轴热特性、提高数控机床加工精度显得尤为重要。本文从仿真分析、热误差建模和实验测试等方面对主轴系统及机床结构件的热特性进行研究。本文首先介绍了机床热源的分布,并建立了主轴系统和进给系统的生热理论模型,以及机床散热理论模型,为机床热特性仿真分析提供理论依据。分析了主轴热源在主轴系统与机床结构件之间的热量传递过程,研究了主轴与机床结构件热变形的产生机理及其耦合关系。阐述了考虑机床结构件的热变形对主轴热误差研究的重要性。以某卧式加工中心为研究对象,分别用主轴单一系统和考虑机床结构件的主轴热误差两种有限元建模方法进行热-固耦合仿真。证明了考虑机床结构件的主轴热误差建模方法可以更加准确地反映主轴系统的热态特性。基于上述仿真分析的变形场结果,利用机床结构件热误差模型,将机床结构件的热变形转化为导轨-滑块的热误差。基于多体理论建立了结构件自身热变形到主轴末端热误差的映射模型,得到了各结构件的热变形与主轴末端热误差的关系。基于五点法,提出了一种新的主轴热误差测量方法。搭建了主轴热误差分离实验系统,并完成了某卧式加工中心的主轴热误差分离实验以及不同转速下的温度场和变形场分布规律的研究。最后,将实验结果与仿真计算和理论建模的结果进行对比分析,结果表明了仿真模型和热误差映射模型的合理性和准确性,以及考虑结构热变形的主轴热误差分离实验的可行性。本文的研究成果为精密卧式加工中心主轴热误差的仿真建模和实验检测提供了新的方法。为机床热平衡设计阶段提供了更加准确的理论依据和更加全面的评价方法。对提高我国精密机床精度具有重要实际意义和工程价值。