作为新一代光学系统的核心关键器件,光学自由曲面元件已广泛应用于航空航天、生物医药、光电通信及科学仪器等领域。与传统光学曲面相比,光学自由曲面的应用可以使光学系统兼具光学设计灵活,光学性能优异,系统结构紧凑及系统装调简单等优点,是高质量光学系统的最佳解决方案。然而,由于光学自由曲面元件不仅形状复杂,而且要求具有亚微米级的形状精度、纳米级的表面粗糙度以及良好的表面完整性,这给光学自由曲面的加工带来了挑战。抛光加工以表面光整、表面损伤去除以及面型误差修正为主要目的,是光学曲面制造过程中的重要工艺。光学自由曲面的抛光质量与抛光策略、抛光路径、驻留时间、抛光液、抛光工具形状保持性、机床运动精度及曲面测量方法等密切相关。本文针对离轴三反光学系统中以NURBS描述的主镜和三镜自由曲面的抛光,提出了自由曲面抛光的集成抛光工艺体系和抛光策略,规划了用于四轴数控抛光实验平台的抛光轨迹,建立了球形抛光工具的去除函数,计算了沿抛光轨迹的工具头驻留时间。所提出的集成抛光工艺体系包括工具影响函数模块、抛光路径规划模块以及驻留时间计算模块,各模块之间紧密关联,共同构成了自由曲面抛光全过程的系统性技术路线图。在同步抛光与异步抛光策略下,规划了同心圆轨迹、近似同心圆轨迹、螺旋轨迹以及交错轨迹等四种抛光轨迹。抛光轨迹规划以设计曲面为基础,在对NURBS参数化自由曲面进行离散化之后,利用双三次差值将导平面上的导线投影到自由曲面上生成刀触轨迹；然后利用构建加密网格的方法计算了各刀触点的法向量,沿曲面的法线方向将刀触轨迹进行偏移,得到抛光头几何中心的轨迹,即抛光轨迹；最后,通过几何分析建立了关于B轴转角的一元二次方程,求解得到了对应于不同刀位点的抛光姿态角。以Preston方程为基础建立了离轴三反自由曲面抛光过程中球形抛光头的工具影响函数,通过对工具影响函数进行积分,建立了恒进给速度和变进给速度下的抛光去除轮廓。为了计算沿抛光轨迹的驻留时间,在三反镜自由曲面上定义了等角度放射状分布的测量线,建立了测量线上的材料去除方程组,利用非负最小二乘法求解了方程组中的驻留时间。选取了一镜曲面上的两条测量线,对测量线上的材料去除进行了仿真预测,结果表明,驻留时间计算的算法正确,计算误差在允许范围之内。实际抛光实验表明,通过20次的迭代逼近抛光,离轴三反自由曲面一镜和三镜的表面粗糙度分别达到了Ra20nm和Ra30nm,形状精度达到了PV0.3μm。