慢刀伺服(SlowToolServo,STS)车削技术不同于传统车削,是一种新型的精密车削加工方法,通过C、X、Z三轴联动带动金刚石刀具相对于工件端面在圆柱坐标内实现螺旋形轨迹的切削运动,主要应用于加工各类复杂曲面。慢刀伺服车削相关技术的研究,国外起步较早,并已经实现了工业应用;国内的相关研究近些年才刚刚起步,尚处于实验室研究阶段,并未形成工业加工能力。慢刀伺服车削技术主要应用在国防军事、空间观测、光学测量、民用消费等领域。本文基于自主研发的慢刀伺服装置,对慢刀伺服车削相关技术开展了相关研究,具体研究内容如下:1)慢刀伺服车削机床控制系统参数优化。以C轴为例,推导了基于IMAC的带有速度与加速度前馈的PID控制算法的交流伺服电机进给系统的数学模型。将速度环简化为三阶振荡系统,利用阶跃响应信号进行系统辨识,获得简化的控制系统框图。最后用粒子群优化算法进行PID参数优化,并通过仿真分析速度前馈和加速度前馈对减小跟踪误差的效果。2)复杂曲面的慢刀伺服车削刀具路径规化。在简要介绍车床结构的基础上,分析了曲面的数学描述方法,并对拟加工曲面进行可加工性判别。分析包括等角度离散、等弧长离散和综合离散在内的三种刀触点离散方法,并分析各离散方法的优缺点;根据曲面能否用代数方程表达,提出了两种不同的Z向刀具几何形状补偿方法;选择IMAC提供的PVT插补作为机床的运动轨迹插值算法。在分析已有的PVT入口参数生成算法的基础上提出了三转角法,相关仿真分析结果表明本文提出的三转角法可以将插补误差缩小约一个数量级。3)渐进多焦点曲面的设计和慢刀伺服车削加工方法研究。首先建立了评价渐进多焦点曲面质量的泛函,并利用变分差分的方法求解泛函极值,计算出了渐进多焦点曲面上的离散点坐标。基于离散点坐标数据,尝试利用双n次均匀B样条插补和Zernike多项式拟合的方法构造完整渐进多焦点曲面,结果表明双n次均匀B样条插补效果更好,并且插补精度和B样条次数关系不大,故最终选择计算更为简单的双3次均匀B样条插补进行曲面构造。相关分析表明用该种方法构造的渐进多焦点曲面的实际光焦度分布和像散分布图像与理想分布情况吻合度较好。最后对构造的完整渐进多焦点曲面进行刀位点轨迹规划和算法误差分析。4)典型复杂曲面的慢刀伺服车削加工实验。基于C#语言编写了慢刀伺服车削机床控制软件,并利用本文第三章的刀具轨迹生成方法,编写了慢刀伺服车削数控程序生成软件,进行了环曲面、渐进多焦点曲面和阵列面(球面阵列、正弦阵列面)的慢刀伺服车削加工实验,通过实验检验了前文相关理论的正确性和可行性。实验结果表明,环曲面和渐进多焦点曲面的加工效果较好,可以保证0.09μm级的表面粗糙度,面形误差可以控制在±0.01mm左右。由于机床精度和机床结构的制约,对于面型结构起伏频繁的阵列面的加工效果不十分理想,机床会产生小幅震动,造成加工面型精度和表面粗糙度较差。