近年来,自由曲面元件和具有复杂形面的微结构元件被广泛应用于民用、军事及空间探索等领域,极大提升了装备性能。压电陶瓷驱动的快刀伺服加工技术能够实现极高的频率响应和运动精度,是实现此类复杂形面元件精密加工的有效手段,能够完成自由曲面和复杂形面微结构的高效率、高表面质量加工。为了解决压电陶瓷驱动的快刀伺服系统工作行程小的限制,课题完成了一种压电陶瓷驱动的长行程快刀伺服系统的设计,并进行了理论分析、参数设计、有限元仿真和样机验证、控制算法设计等工作:(1)鉴于目前快刀伺服系统行程小的限制,设计了对称式的双级杠杆放大机构及运动导向机构实现系统的位移放大和运动传递,结构紧凑并能抑制工作时寄生位移的产生。另外,为了满足不同加工工况对快刀伺服系统的性能需求,完成了输入端的刚度可调机构设计,能够使机构具备长行程和高频响两种可切换的工作状态以协调系统的行程和频响性能。(2)完成了快刀伺服系统机械结构的静力学及动力学理论建模。考虑柔性铰链的变形,基于伪刚体模型进行了双级杠杆放大机构的静力学建模,提出了更加准确的杠杆放大机构的理论模型。进一步考虑导向机构对放大机构运动的耦合影响,进行了整体机构的静力学建模。最后分别建立了机构在长行程状态和高频响状态下的动力学模型,为系统的参数优化及运动跟踪提供理论分析依据。(3)针对快刀伺服系统机构设计中的主要约束条件进行了理论分析,给出了快刀伺服系统机构参数设计及优化的理论指导。另外,采用有限元方法分别对快刀伺服系统的长行程状态及高频响状态进行了静力学分析和机构各阶模态分析,并根据仿真结果完成了系统机构的行程输出、寄生误差抑制等性能的评价,证明了系统的机构设计性能及理论分析的精确性。(4)最后进行了长行程快刀伺服系统的实验测试及控制算法研究。系统实验样机的测试有效地验证了系统长行程输出的设计性能,另一方面,针对快刀伺服系统进行复杂形面加工时需要完成对周期信号准确跟踪的需求并考虑快刀伺服系统的时滞特性,完成一种基于重复控制算法的控制器设计及求解,实现了系统在进行快刀伺服加工时对周期信号的跟踪。