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自由曲面光学元件相比传统的球面非球面具有突出的优点。自由曲面光学元件可以显著减小光路中光学元件的数量,减轻光学系统的重量,同时获得高的成像质量,在现代光学系统中得到了越来越广泛的应用。但光学元件表面质量的高要求及自由曲面面形的复杂性,使得加工变得非常困难。传统的加工方法有微铣削、精密磨削加工和研磨,表面质量很难达到光学元件的要求。之后又发展了计算机控制光学表面成形(CCOS)技术、磁流变(MRF)和离子束(IBF)等抛光方法,这些方法耗时且成本高,需要多轴机床及附加装置进行加工。而特种加工的方法大多受到材料的限制。单点金刚石切削可以直接对常用材料进行加工,并且加工的面形精度在亚微米或更高,表面粗糙度在10nm以下,满足光学元件的要求,因此采用金刚石切削技术加工自由曲面工件成为国际上的研究热点。自由曲面的单点金刚石车削技术主要有飞刀加工、快刀伺服加工和慢刀伺服加工。飞刀加工适合加工微型槽和f-theta透镜等长条形工件,但加工周期长;快刀伺服加工频响高,加工周期短,但伺服刀架的行程受到很大限制,一般小于1mm,适合于加工微镜阵列一类行程小的光学元件;慢刀伺服加工相比快刀伺服加工频率相对较低,但行程大大增加,尤其适合加工连续的自由曲面工件。本文主要针对自由曲面光学元件的慢刀伺服车削工艺过程开展研究,以期形成自由曲面光学元件的生产能力。论文的主要内容如下:1)对自由曲面工件的可加工性进行研究,建立可加工性曲线判断工件是否能用慢刀伺服车削加工实现,并在不产生干涉的前提下对刀具几何参数进行选择;2)对自由曲面慢刀加工的刀具路径生成进行研究,以机床动态特性的角度分析评价各种刀具路径生成方法的优劣,并讨论了表面形貌的仿真方法,用以验证刀具路径和进行加工参数的优选;3)对自由曲面慢刀加工的工艺进行了研究,重点探讨了自由曲面加工工艺参数的选择和刀具对中误差对面形的影响,并对典型工件进行了慢刀伺服车削实验。