主轴作为超精密机床的核心部件,国内外许多学者都对其进行了广泛而深入的研究。而气体静压主轴由于发热小、精度高,在超精密加工领域得到了得到了越来越广泛的应用。但是气体静压主轴的刚度低、承载能力弱,并且在高速工作时,其发热产生的热变形不可忽略。基于此,本文对气体静压主轴系统的热态特性和动态特性进行了研究。首先,本文对超精密磨床气体静压主轴系统的稳态温度场分布与热变形进行了研究。利用经验公式对主轴系统的内部热源及其产热量进行了分析与计算,确定了主轴系统温度模型的边界条件。考虑了主轴温度场对主轴电机产热的影响,并将稳态温度与热变形之间建立联系,建立了主轴系统稳态热-结构双向耦合模型。进行迭代计算,得到了主轴系统的稳态温度场分布。对主轴系统稳态温度分布和热变形随主轴转速、冷却水流量、供气温度以及主轴气流量的变化规律进行了研究,并针对这些规律对如何减小主轴温度、减小热变形进行了分析。对气体静压主轴系统的热变形的研究为后续主轴动态特性的分析奠定了基础。然后,对气体静压主轴系统的动态特性进行了研究。建立了径向轴承和止推轴承的气膜模型,基于CFD技术对径向轴承和止推轴承的气压分布,并在此基础上得到了主轴径向轴承和止推轴承的静态性能。研究了径向轴承和止推轴承承载力和刚度随初始气膜厚度、偏心率和供气压力的变化规律。针对气体静压主轴发热引起轴承气膜厚度的变化,研究了转速对径向轴承和止推轴承的承载力和刚度的影响规律。利用计算得到的径向轴承和止推轴承的刚度,对主轴转子在自由状态下和约束状态下的模态进行了仿真分析,得到了主轴转子的固有频率和临界转速。并考虑了主轴温度对模态的影响,得到了转速对主轴转子约束状态下固有频率的影响规律。最后,对主轴系统进行了温升实验和模态实验。搭建了主轴系统温升实验平台,研究了主轴系统外表面温度随时间的变化曲线,得到了主轴外表面温度随转速的变化规律,验证了稳态热仿真模型的准确性。搭建了主轴系统模态实验平台,得到了主轴系统约束状态下的固有频率,验证了模态仿真分析的准确性。