光学自由曲面在提高光学系统性能,简化系统结构,提高系统成像质量,减少系统零件数量和重量,改进产品设计等方面有许多突出的优点。随着光电科学技术的进步与发展,光学自由曲面在航空航天、民用、国防军事等很多领域有着越来越重要的应用价值和广阔的应用前景。与传统的回转对称型光学元件相比,自由曲面光学元件拥有复杂的非回转对称结构,制造难度极大,这是制约自由曲面得以广泛发展和应用的主要瓶颈。随着机床技术的发展,超精密车削加工技术,作为光学自由曲面的一种加工方法,具有很多其他传统加工方法不具备的很多优点。其中,快刀伺服加工(Fast Tool Servo,FTS)技术为最常用的超精密车削加工方法。目前,欧美、日本等工业发达国家研制出的用于加工光学自由曲面的超精密快刀伺服加工系统已经进入工业应用和商品化阶段,并且不断出现新的技术进展,加工出的高精度光学自由曲面零件也已经大量应用于各个领域。近年来,国内许多单位也相继开展了快刀伺服加工技术的研究,在装置设计、运动控制算法以及加工工艺试验等方面也取得了一定的成绩,但由于起步较晚,仍然有许多关键基础技术需要进行研究。基于以上原因,本文针对基于大行程FTS的光学自由曲面超精密车削加工关键技术进行研究。本文的研究工作主要包括以下内容:1.本文对大行程的快刀伺服加工系统的整机构建进行了研究。在分析测试FTS系统开环特性的基础上,获得系统数学模型。为了提高FTS的运动跟踪精度,本文提出了内环采用内模PID控制自适应前馈抵消控制算法。运用内模PID控制器的系统可以达到更高的鲁棒稳定性,系统的响应速度更快,带宽更大,能使整个控制系统的性能得到改善,并进行了仿真实验验证。2.基于所研制的大行程FTS系统,对超精密车削加工系统的构建进行了研究。结合动态特性分析理论,利用有限元分析方法,在特定的工作条件下,对超精密车削加工系统整机的固有特性和动力学响应进行了分析,为光学自由曲面的加工质量提供可靠的保证。3.对超精密快刀伺服加工中的刀具运动轨迹规划和自由曲面加工三维表面形貌仿真预测进行了研究。根据快刀伺服加工的原理,建立了螺旋投影驱动的快刀加工模型,并分析了两种刀具轨迹驱动点的生成方法及刀具半径补偿策略。在综合考虑刀具相对于工件切深和进给两个方向振动的基础上,引入旋转变换矩阵,建立了超精密车削加工表面三维形貌的仿真预测模型。利用此仿真模型可以优化加工工艺参数,并预测自由曲面超精密车削加工的三维表面形貌,为后续的加工实验研究提供了指导依据。4.利用所研制的大行程FTS系统在超精密机床平台上进行了相应的加工实验研究。通过一系列光学自由曲面的加工实验,包括透镜阵列、车辆后视镜面形等,验证了所研制的大行程FTS系统加工自由曲面的实用性和可行性,为进一步实现光学自由曲面的超精密快刀伺服加工奠定了基础。