自由曲面作为光学系统中常用的结构,目前广泛应用于航天、军事、民生等领域。快刀伺服系统作为自由曲面加工的重要方式,其研究具有重要的经济价值。目前商业化的快刀伺服系统主要分为压电陶瓷驱动型和音圈电机驱动型。其中压电陶瓷存在迟滞和蠕变特性,控制较为复杂。而音圈电机驱动的线性度好,控制方便,但其多采用气体静压导轨支撑,运动部分质量大,难以实现高频运动。因此,本课题针对数百微米的行程需求,设计一款高频响的快刀伺服系统,对其控制性能进行详细分析,为自由曲面高效车削加工提供理论与实验基础。本文首先设计了一款柔性铰链导向音圈电机驱动的快刀伺服装置,对其设计参数进行详细分析,综合考虑各方面因素,合理选择快刀各项尺寸参数,并通过有限元分析验证设计过程的合理性。随后完成了快刀装置控制部分的设计,包括快刀控制系统的整体搭建以及控制软件的研发,为后续控制算法的研究以及车削实验提供了合理的实验基础。控制算法的设计需要精确的快刀伺服系统动力学模型,针对levy方法不能对时滞系统进行频域参数辨识的问题,提出采用无约束优化算法进行参数辨识的改进策略。将参数辨识结果与实测结果对比,证明所设计的参数辨识方法的准确性。采用PID控制算法对快刀伺服系统进行闭环控制,为弥补二阶系统谐振频率对系统稳定性的影响,对陷波滤波器进行详细研究,并通过实验验证所设计的PID控制器和陷波滤波器的跟踪性能。为提高快刀伺服系统动态特性,设计基于模型的前馈控制器,在前馈控制器中添加低通滤波器以调节其控制性能,通过仿真与实验证明所设计的前馈控制器的有效性。最后利用设计的快刀伺服系统进行微透镜阵列的车削工艺实验。对微透镜阵列的加工轨迹进行了研究并进行改进,降低运动轨迹突变所造成的影响。进行了微透镜阵列的车削加工,并对车削结果进行检测,证明所设计的快刀伺服系统具有很好的运动精度和动态特性,可以满足加工需求。