基于计算机控制光学表面成形(Computer-controlled optical surfacing,CCOS)原理的确定性抛光技术,其结合可预测的材料去除规律与三维空间加驻留时间的四维加工控制模式,是实现纳米级精度超精密光学元件可靠制造的重要手段。国内外相继开发了不同形式的CCOS抛光技术,用于平面、球面和非球面光学表面的超精密加工。在实际应用过程中,CCOS光学抛光技术面临着一些问题:现有CCOS抛光技术通常采用较软的工具-工件接触模式,抛光工具产生的材料去除率较低,主要用于元件的面型修正;CCOS技术对毛坯的表面质量要求很高,在最终阶段的面型修正工序前,往往需要采用其它粗研、半精研和半精抛光加工方法,以实现元件表面从磨削状态到镜面状态的收敛,工艺链较长,增加了总体制造时间;另外,典型的CCOS抛光技术,如倾斜气囊抛光、轮式抛光等,还会在元件表面产生单向纹理,影响光学元件的使用性能,并限制表面粗糙度的进一步收敛。本文提出一种新型的采用半刚性抛光轮的双轴轮式抛光技术(Dual-axis wheel polishing,DAWP),旨在同时获得光学元件抛光高材料去除率与高表面粗糙度收敛率,实现采用同一个工具完成磨削状态毛坯的镜面抛光与精抛表面面型修正工艺,精简光学元件加工工艺链,提高制造效率。本文针对两种典型光学材料,BK7及熔石英光学玻璃,围绕DAWP技术的原理、去除函数建模及材料去除规律、抛光中频波纹误差建模与预测、抛光表面快速收敛机制、抛光表面粗糙度与表面微观形貌建模与预测等五个方面进行了理论与试验研究。主要研究工作如下:1.设计并建立了双轴轮式抛光系统,对其工作原理进行了分析介绍。对半刚性抛光轮的结构、力学特性进行了研究。对DAWP工具的运动精度与热平衡问题等进行了研究;2.结合有限元数值分析,考虑超弹性聚氨酯垫层的力学性能对抛光区接触压力的影响,建立了双轴轮式抛光去除函数模型。对抛光轮压缩量、驻留时间等工艺参数对于DAWP材料去除率的影响进行了研究;3.针对具有复杂运动的DAWP技术容易在抛光后工件表面留下残留波纹(中频误差)的问题,建立了双轴轮式抛光动态材料去除理论模型,用于中频误差的分析与预测。结合直线抛光工艺试验,研究了抛光工艺参数对表面中频误差的影响,并对模型计算结果进行了验证;4.对双轴轮式抛光表面形貌生成过程及其随工艺参数的变化规律进行了试验研究。综合地比较双轴抛光模式与单轴抛光模式的差异。系统地分析了工艺参数和抛光模式对去除函数区域内表面特征的影响,以及去除函数内部微观形貌与抛光表面形貌之间的关系;5.提出了两组理论模型解释与预测双轴轮式抛光表面粗糙度生成过程。模型I基于磨粒磨损理论、磨粒分布研究与材料累积去除理论,对单轴模式去除函数区域内的微观形貌与表面粗糙度进行了预测。基于第一个模型,结合实际采用的抛光路径与进给速度等参数,建立了模型II对DAWP抛光过程(包括单轴与双轴模式)在工件表面上产生的微观形貌与表面粗糙度进行预测;6.开展了全面域抛光试验,对磨削表面状态的BK7光学玻璃仅进行一轮抛光,即实现了表面粗糙度从Ra 485.99 nm到Ra 1.243 nm 99.74%的收敛率,以及1.614 mm~3/min的材料去除率。研究结果表明了所提出的双轴半刚性轮式抛光技术在实现光学元件高表面质量高效抛光方面的巨大潜力。