采用微机床的微细切削磨削加工技术，可以实现多种材料复杂形状三维微小零件的加工，且设备体积小、能耗少、成本低，是绿色制造的发展方向之一。微主轴作为微机床的关键部件，直接决定了微机床的性能及微细切削磨削加工技术的发展和应用。但是目前国内外研制的微主轴其刀具要么回转速度高但回转精度低，要么回转精度高但回转速度低，且无法实现高回转精度下刀具的自由更换。针对这一国内外研究人员亟待解决的难题，本文提出一种新型的动力轴与刀具的柔性连接式结构和刀柄—转子一体式结构的设计思路和方法，以研制出超高转速、高回转精度的微主轴为目标，深入研究相关设计理论及其关键技术，主要研究内容如下：（1）在分析微主轴研究现状的基础上，提出微主轴的新型设计思路和方法，分析其可行性；根据国内外研究人员进行的微细切削试验，分析微主轴在回转速度、回转精度、切削力和转矩等方面的具体性能要求，确定微主轴的设计目标；基于气体动力学相关理论，设计计算径向冲击式气动微涡轮的结构尺寸，并对其气动性能及涡轮内的气流流线、压力分布等进行仿真研究；分析计算微主轴的摩擦损耗功率和涡轮产生的总功率，设计微主轴用气体静压轴承的基本结构参数；推导建立微主轴用气体静压径向轴承、气体静压推力轴承承载力的计算模型，并对所设计的气体静压轴承的承载性能进行理论分析；仿真研究小孔节流式气体静压径向轴承、小孔节流式气体静压推力轴承的承载性能随供气压力、转速、设计参数等的变化规律，不仅为微主轴轴承的设计优化提供依据，也可为同类型的微小型气体静压轴承设计提供借鉴参考。（2）分析比较现有弹性联轴器的结构及其性能，创新性地提出一体式微弹性联轴节的结构设计方案，研究其误差补偿原理；根据材料力学相关知识，建立微弹性联轴节的理论设计模型；以本文所提出的微主轴为应用对象，详细设计微弹性联轴节的结构参数，并进行仿真优化；理论研究微弹性联轴节的抗疲劳性能；试制微弹性联轴节样机，测试其扭转刚度性能。该一体式微弹性联轴节结构简单对称，动平衡性能好，不仅避免了采用传统联轴器所带来的安装误差，而且可有效补偿微主轴的制造误差、安装误差和跳动误差，提高与超高速超精密微主轴连接的微型刀具或其它执行件的回转精度。（3）提出一种基于形状记忆合金（Shape memory alloy, SMA）的一体式微夹头的结构设计方案，建立其设计理论；以本文所提出的微主轴为应用对象，详细设计微夹头的结构参数，仿真研究离心力对其夹持性能的影响；试验研究低温加载变形量、热处理温度、低温训练温度和训练次数等对SMA环双程形状记忆效应的影响，得出采用TiNi（Ti49.6%，Ni50.4%）合金制造的SMA环最大双程形状记忆量所对应的热——机械训练工艺；试制微夹头样机，测试其安装操作及夹持力等性能。该微夹头不仅结构简单，动平衡性能好，而且未引入新的安装误差，操作方便，同时还可根据应用部件的大小调整，非常适合于超高速超精密微主轴及其它高速精密微小型传动机构。（4）根据转子动力学相关理论，计算微主轴各阶临界转速，并与最高设计转速进行对比分析；仿真研究高转速下涡轮轴的应力、整体转子的模态及固有频率等特性；设计微主轴所需其它各零件结构，研究微主轴制造工艺，试制其原理样机；采用所构建的测试系统对微主轴原理样机的转速、径向跳动误差、转矩等性能进行测试，结果表明一体式柔性连接机构较好地补偿了动力轴的误差。因此所提出的动力轴与刀具柔性连接式结构和刀柄—转子一体式结构的微主轴设计思路和方法是可行的。（5）分析微主轴原理样机存在的微转子动平衡、微节流孔加工、气膜间隙一致性和微弹性联轴节加工变形等主要问题；根据所存在的问题对微主轴进行改进设计，在改进设计中采用双列喷嘴式冲击涡轮、等直径式涡轮轴、圆柱形外部结构等，从而使微主轴的性能更好、结构更小，更加符合设备仪器微小型化的市场要求；根据高速精密微轴系回转精度的测试需满足高频响、大曲率小面、非接触式和误差分离等要求，研究三点法轴系回转精度测试方法，开发相应的信号分析软件系统，并进行仿真研究；试制改进后的微主轴样机，对其转速、径向跳动误差、转矩等性能进行测试研究。