Para mejorar de manera integral las características térmicas, estáticas y dinámicas y lograr la reducción de peso en las máquinas herramienta CNC, este documento propone un método de optimización conjunta multiobjetivo basado en un análisis colaborativo acoplado térmico-mecánico-vibracional. Se toma el componente de doble husillo de una máquina herramienta CNC como el modelo parametrizado. De acuerdo con las teorías de características térmicas, estáticas y dinámicas, se realizan repetidamente la solución de la deformación acoplada térmico-mecánica y la solución de las características de vibración bajo preestrés, que trabajan de manera colaborativa con cada proceso de cálculo de sensibilidad de parámetros, selección de variables de diseño, diseño compuesto central y optimización conjunta multiobjetivo. Se establecen las superficies de respuesta de las funciones objetivo. Se obtiene de manera efectiva la combinación óptima de parámetros para mejorar el rendimiento de la máquina herramienta CNC. Y se logran los múltiples objetivos de mejorar las características térmicas, estáticas y dinámicas, así como la reducción de peso. Los resultados muestran que la masa del componente optimizado se reduce en un 10.1%; la frecuencia natural de primer orden aumenta en un 3.9%; la deformación acoplada de la cara final del soporte del husillo izquierdo se reduce en un 5.3%; y la deformación acoplada de la cara final del soporte del husillo derecho se reduce en un 9.0%, mientras que la temperatura del componente apenas aumenta. Esto indica que este método puede mejorar de manera integral el rendimiento de los componentes de la máquina herramienta CNC y proporcionar una referencia para el diseño de optimización conjunta multiobjetivo de máquinas herramienta CNC.