自由曲面光学元件在光电系统中有着十分诱人的应用潜力，对自由曲面光学元件加工方法的研究受到了高度关注。在现有的光学自由曲面加工方法中，金刚石车削被普遍认为是一种低成本，高效率加工光学自由曲面的新方法，有着广阔的应用空间。如何既提高加工质量、同时获得高加工效率，是金刚石车削自由曲面的难点问题。在现有的光学自由曲面车削中，所采用的主要是同轴车削方法，关于离轴车削的研究报道还较少，存在许多问题还有待研究解决。传统的同轴车削方式由于回转中心的切削速度趋近于零，使工件的回转中心处产生较大的面形误差以及较大的表面粗糙度。为了避免共轴车削中的会出现切削速度为零的情况，学术界提出了光学自由曲面的离轴车削方法。然而在离轴车削中，切屑载荷波动较大导致切削力有较大扰动，使得加工工件的面形误差和表面粗糙度增加。为了抑制切屑载荷所导致的加工表面质量和精度恶化，本文提出了切屑载荷约束的刀具路径生成方法，以在整个切削过程中将切屑载荷的波动控制在所规定的范围内。本文给出了离轴车削恒径向刀具路径和离轴车削约束切屑载荷刀具路径算法，刀具前角不为零时瞬态切屑载荷算法，在极坐标框架下建立了一种对工件进行网格化的加工表面形貌生成方法。在所建立的加工表面形貌生成方法中，考虑了快速刀具伺服（FTS）弱刚度对加工误差的影响。利用二维小波分析方法对仿真生成的三维表面形貌进行了评价，通过对三维表面数据进行分解和重构得到了表面粗糙度和面形误差成分。仿真分析了离轴车削加工参数以及不同离轴量对表面质量和加工精度的影响规律，对比分析了离轴车削恒径向进给刀具路径与离轴车削约束切屑载荷刀具路径对表面形貌的影响，讨论了离轴车削约束切屑载荷刀具路径对加工效率的改善。利用FTS进行了自由曲面金刚石车削加工实验，在一次装夹和一次走刀中可加工得到多个自由曲面，并对获得的自由曲面工件进行了表面粗糙度测定。经过仿真分析与实验研究，离轴车削对自由曲面表面形貌的影响与车削时使用的离轴量有关。针对环曲面的分析表明，随着离轴量的增加表面质量与加工精度先得到改善，然后随之降低。离轴车削的加工效率相比同轴车削显著提高。约束切屑载荷刀具路径生成方法对于改善表面质量与加工精度有着明显的提高，由此可以得出，加工相同表面形貌工件时，切削载荷约束刀具路径生成方法相比传统路径生成方法将显著提高加工效率。综上所述，离轴车削约束切屑载荷的刀具路径生成方法相比传统车削路径生成方法，在提高加工质量的同时显著的提高了加工效率。