随着国防、航空航天等领域的飞速发展,光学自由曲面作为其核心关键零件,越来越受到重视,各种应用需求对其面形精度也提出越来越高的要求。原位测量可以避免重复装卡引入的误差,是提高光学自由曲面面形精度的重要手段,对于提高加工效率、实现加工过程自动化具有重要意义。然而由于面形复杂性,光学自由曲面原位测量一直是超精密加工领域的难题。本文设计开发了一套基于超精密机床的光学自由曲面原位测量系统,其测头由气浮导轨和激光干涉仪组成,实现了机床坐标和工件表面测量数据的实时同步采集,可以快速精确地获取测量数据。本文核心内容主要包括两部分,第一部分是原位测量系统的研制,第二部分是测量路径算法和数据采集软件的研究。论文的主要改进及创新如下:(1)研制了可利用气压调节测量力的新型气浮测头,实现了80mgf的微小测量力,并能够使测量力保持一恒定值,解决了接触测量中测量力易随测量位置变化而变化的难题;(2)提出了与加工路径相同的螺旋测量路径,避免了曲面重建,减少了补偿加工的工作量,并对测头半径补偿问题进行了深入研究;(3)开发了数据采集专用软件,实现了测量数据与坐标数据的同步输出,解决了非回转自由曲面测量的难题;(4)完成了整个自由曲面原位测量系统的研制,本系统体积较小,安装灵活方便。研制的自由曲面原位测量系统量程3.5mm,测量精度可达亚微米级,可实现非回转自由曲面的测量,具有输出线性、测量力恒定、漂移小等优点。本文利用该系统进行了双正弦自由曲面的实验,验证了测量系统的精度与实用性。