复杂光学曲面元件能够提高光学系统性能，有利于优化光学系统结构，有效减少光路中光学元件的数量，减小光学系统的尺寸，显著减轻光学系统的质量，进一步提高系统成像质量。复杂光学曲面元件已被应用于多种场合，具有广阔的应用前景，是未来非球面光学元件发展的趋势之一。慢刀伺服车削技术具有传统单点金刚石车削高效、高精的优点，同时也能创成加工出复杂曲面，已成为复杂曲面切削加工的一种主流技术。目前，世界上欧美发达国家已经应用慢刀伺服技术成功加工出高精度的典型复杂曲面，并实现了工业应用。国内（特别是大陆）在慢刀伺服超精密加工方面的研究还处于起步阶段，未形成加工能力，加工质量有待进一步提高。基于此，本文以复杂光学曲面的慢刀伺服车削为研究目标，对试验装置设计、路径规划、形貌预测和面形检测等几方面的关键技术展开研究。　　1.慢刀伺服车削加工试验装置设计　　在深入分析慢刀伺服车削加工原理的基础上，提出了复杂曲面慢刀伺服试验装置的总体设计方案。试验装置总体布局采用“T”字型结构，包括X轴、Z轴两个直线轴和一个旋转轴C轴，并对试验装置的关键部件进行了设计计算及分析。以IMAC运动控制卡为控制核心，ADVANTECH-610工业控制计算机为人机交互平台，建立了慢刀伺服车削试验装置控制系统。按系统的设计要求，采用PID+前馈补偿的控制策略完成控制系统硬件调试，开发了基于Visual C++6.0软件平台的慢刀伺服车削控制系统软件。根据慢刀伺服加工的需要具体开发了参数配置、手动操作、自动加工、自由曲面加工、状态检测等功能模块。慢刀伺服车削试验装置的搭建为关键技术的研究奠定了基础。　　2.慢刀伺服车削刀具路径规划　　刀具路径的优劣直接影响复杂曲面加工的质量，是慢刀伺服车削的关键技术。定义了慢刀伺服加工路径规划所采用的相关坐标系，明确给出了坐标系之间的位置关系。根据慢刀伺服加工时C轴为旋转轴的特点，选择约束面为螺旋柱面的截面线加工方法规划刀触点轨迹。为了确定正确的刀位点，对金刚石圆弧轮廓刀具进行刀具圆弧半径补偿，提出了法向补偿和Z向补偿两种方案。IMAC数控系统只能完成指定点间的运动，为了实现运动轨迹的紧凑和精确控制，采用了PVT插补模式。分析了PVT模式的数学实质Hermite插值，结合慢刀伺服加工特点研究复杂曲面的PVT入口参数生成算法，提出了恒速法、面积法和三点法三种算法。以离轴抛物面、环曲面、正弦面三种典型复杂光学曲面为例，从轨迹整体规划及Z轴运动特性的角度出发进行仿真分析，结果表明提出的Hermite插值能够满足复杂光学曲面的加工要求。　　3.慢刀伺服车削的表面形貌预测　　作为一种新的创成加工方式，慢刀伺服车削需要一套仿真算法用于表面形貌精度分析，指导工艺参数的优选。以刀具圆弧半径、每圈进给量、切削深度、C轴转速、离散角度5个因素完成正交试验，通过极差分析得出表面粗糙度的主要影响因素是刀具圆弧半径，其次是每圈进给量和切削厚度，而主轴转速和离散角度的影响较为不明显，同时方差分析显示刀具圆弧半径是影响表面粗糙度的显著因素。根据正交试验结果，基于正交回归分析建立了表面粗糙度的指数预测模型。同时引进了最小二乘支持向量机(LS-SVM)预测模型，采用混沌粒子群优选(CPSO)算法和留一法交叉验证(LOO-CV)优选惩罚因子和核函数宽度。通过验证性试验进行验证，结果显示LS-SVM模型的预测效果明显优于指数模型。利用预测效果较好的LS-SVM模型，分析了刀具圆弧半径、每圈进给量和切削厚度对表面粗糙度的影响规律。　　4.复杂曲面的面形加工误差测量　　基于三坐标测量机，提出了一套完整的复杂曲面检测方案，评价面形加工误差。采用圆周式检测路径，通过自动编程实现数据点的高效采集，并将测量的数据进行Zernike多项式曲面拟合，再进行测球半径补偿得出实际加工曲面，分析复杂曲面的面形加工误差。以环曲面为例仿真计算了三坐标测量复杂曲面重构的计算误差，仿真结果显示面形重构误差满足微米级复杂曲面的测量要求。　　5.典型曲面慢刀伺服车削实验　　典型曲面慢刀伺服车削实验用于验证所述理论。开发了复杂曲面的数控工艺软件，用于生成适合于IMAC数控系统的曲面加工代码。基于数控工艺软件进行了球面、环曲面和渐进多焦点曲面三个典型曲面的慢刀伺服车削加工实验。球面加工由于其旋转对称特性采用刀具圆弧半径法向补偿方案;环曲面加工讨论了法向补偿和Z向补偿两种不同刀具半径补偿方案下X向伺服轴运动轨迹特性;渐进多焦点曲面加工，讨论了采用Hermite插值时Z向伺服轴运动特性。面形加工结果验证了复杂曲面的检测方法的可行性，粗糙度加工结果验证了LS-SVM预测模型的有效性。