光学自由曲面元件可改善光学系统性能，日益受到人们的青睐，其在LED照明、绿色能源、医疗、航天航空等领域广泛应用。基于快速刀具伺服(FTS)金刚石车削技术被国际学术界和工业界普遍认为是最有发展前途的光学自由曲面创成方法。其应用范畴已扩展至光学自由曲面车削、非圆加工和微纳结构表面创成。主动改变切削过程中刀具瞬态角度可改善加工性能，减小刀具磨损，延长刀具寿命，减小切削力波动，提高加工稳定性和工件表面质量，同时可减少加工过程后刀面干涉及过切。针对典型解析表征光学自由曲面计算其刀具瞬态角度变化，并综合考虑刀具路径轨迹对其影响。为了减小刀具瞬态角度对待加工曲面面型的依赖特征，本文研制一套两自由度z-θx变刀具角度FTS系统，各运动轴串联，理论上无串扰，一体化加工可减少装配误差。其中柔性旋转机构采用压电叠堆驱动器驱动仿环形柔性铰链机构，可实现刀具绕过刀尖与机床X轴平行轴正反双向旋转0.02°(约350μrad)，角位移分辨率分别可达1.2μrad(θx+)、0.6μrad(θx-)；z向工作行程10μm，分辨率10nm。每个运动轴均有电容位移传感器检测位移做跟踪反馈。利用有限元软件通过正交实验法对装置结构关键尺寸进行优化设计，对其进行静力学及模态谐响应分析。通过数据拟合，其各运动轴刚度如下：θx+转动刚度0.0287N m/μrad，θx-转动刚度为0.1011N m/μrad，z向移动刚度为35.587N/μm。一阶固有频率1234Hz，实测系统一阶共振频率为240Hz。利用Adams联合Patran进行刚柔耦合体动态仿真。在此基础上提出了适合本装置主动改变刀具瞬态角度的策略及刀具路径实现方法，建立了刀具路径与驱动器位移输出匹配关系。并对所研制的变刀具角度伺服装置进行了性能测试。利用运动控制卡PMAC，通过调节其内置的PID参数，对其进行了伺服跟踪性能测试。