复杂曲面光学元件具有简化系统结构尺寸,提高光学系统成像性能,实现其特殊光学特性等方面的优势。使得复杂光学曲面的应用范围广,需求量大。但是,复杂光学曲面的超精密加工制造困难的问题一直存在。随着超精密车削技术的快速发展,快轴伺服加工技术成为一种高效和高精度的复杂曲面加工手段。在复杂曲面光学元件加工方面具有重要的研究价值和研究意义。目前,市场上普遍使用的快轴伺服装置是以直线电机驱动气浮导轨的形式,气浮导轨式快轴伺服装置的结构设计、制造和装配复杂且要求高。此外,由于气浮导轨径向刚度低的缺点,使得伺服装置在切削过程中会产生横向振动,对快轴加工精度产生较大影响。相比较而言,直线滚动导轨式快轴伺服装置则同时具备高直线运动精度和高径向刚度的优点,并且其结构设计、制造和装配的相对简单且周期较短,大大降低了成本。本文基于对直线滚动导轨式快轴伺服系统的研究,以实现其在大行程,高频响下对复杂曲面的高精度、高效加工为研究目标。主要研究内容如下:1、快轴伺服系统动态特性分析。对直线滚动导轨式快轴试验样机进行理论分析并建立快轴系统理论模型。在该理论模型的基础上,建立了快轴伺服动刚度数学模型,找出影响快轴伺服动刚度的系统参数。通过理论分析和实验测试的方法,研究系统参数对快轴动刚度的影响规律,并通过对系统参数的调整,使快轴系统伺服动刚度得到明显提高。最后,对伺服动刚度提高后的快轴伺服系统性能进行测试,测试结果满足设计指标要求。2、快轴伺服加工刀具轨迹规划与实验。基于快轴伺服加工创成原理,研究了快轴加工复杂面形的刀具路径规划和刀具圆弧半径补偿算法,并将其运用到快轴伺服加工实验中。通过快轴模拟切削实验和实际切削实验来进一步验证快轴伺服加工性能。3、快轴系统整体性能优化及分析。对快轴系统的机械结构和控制系统组件优化。对快轴系统性能进行测试,包括伺服噪声测量、跟踪精度和重复定位精度的测量。测量结果证明快轴系统的整体性能有明显提高,能够达到设计性能指标要求。4、快轴伺服系统加工精度分析与实验。研究了直线滚动导轨自身振动情况和快轴反作用力引起超精密车床振动情况。通过系统闭环、开环测试实验分析快轴伺服系统自身因素对加工面形精度的影响。使用快轴进行平面、斜面、正弦放射线和二维正弦阵列切削实验,获得了较高的表面质量和面形精度,证明了直线滚动导轨式快轴伺服装置具备较强的光学复杂曲面的加工能力。