平面研磨抛光作为获取光学元件、蓝宝石衬底以及单晶硅衬底等高质量表面的重要途径,在电子通信、激光和航空航天等范畴有着普遍的应用。伴随晶体衬底尺寸的增加,使得晶体衬底的加工难度增大,在研磨加工均匀性的控制上愈发艰难,体现在达到高平面度、全局平坦化等表面性能上。研磨抛光作为晶体衬底制备的主要步骤显得尤为重要。本文针对如何高效稳定地获取超光滑表面,提出了一种新型的研磨方法——无理转速比驱动研磨。该方法可以改善常规驱动方式下研磨过程中出现的磨粒轨迹线重复性以及研磨不充分等问题,改善轨迹均匀性,对获取超光滑表面具有重要意义,并在该方法的基础上设计和研制了无理转速比研磨装置,并利用该装置展开了相关试验研究。主要研究工作包括:(1)构建了磨粒加工轨迹数学模型,以及磨粒速度和轨迹线长度模型,应用MATLAB软件对轨迹形态、磨粒速度和轨迹线长度进行仿真模拟。仿真表明,无理转速比下磨粒轨迹线没有周期,随着仿真时间的增加轨迹线无重复现象,有理数转速比下磨粒轨迹线有周期,且达到周期后会出现持续重复。同一仿真时间下,无理转速比下磨粒速度均匀性较有理数下差,但其轨迹线长度比有理数下的更长,表明同一时间内无理转速比下的材料去除率更高。并对工件表面进行网格划分,统计各网格内轨迹点个数,并计算其离散系数对轨迹均匀性进行表征,结果表明:无理转速比下的轨迹均匀性优于有理转速比下,材料去除更为均匀。(2)根据无理转速比研磨装置的设计要求和指标,设计了一台无理转速比研磨装置。主要包括伺服电机控制系统、微进给调控系统、无理转速比机构、研磨工件盘以及铝型材机架部分。根据指标和技术要求分别对无理转速比机构进行了结构设计、主轴进行了设计校核、微进给调控部件进行了选型设计,确保所研制的无理转速比研磨装置具有较高的稳定性和精确性。(3)对所研制的无理转速比研磨装置进行了刻痕以及研磨试验研究,将有理数转速比驱动装置同时安装在Nano-MAX研磨/抛光机上与之做对比试验。首先以铜片为试样进行磨粒刻痕试验,对有理与无理转速比下的磨粒轨迹线形态进行验证,其次以单晶硅片为加工对象,在固着研磨盘上进行不同转速比、不同贴片数量以及不同硅片形状尺寸的研磨试验。由所研制的无理转速比装置制得工件试样,与有理数转速比驱动装置研磨制得的试样比较,通过基恩士景深显微镜、Wyko、称重等试样表征方法对单晶硅试样进行了测试。结果表明无理转速比下加工所得的试样表面形貌更好,粗糙度更低,加工效率更高。同时也验证了无理转速比新方法的可行性以及所研制的无理转速比装置的可靠性。