我国空间技术的快速发展对空基光学观测系统的需求不断增强,以质量轻、刚度高和低膨胀系数等优势,SiC材料成为当前许多空间光学大镜的最佳选择。SiC镜面的传统制造工艺通常采用研磨成形,然而由于其加工周期长、效率低的特点,越来越难以满足当前的市场需求。因此,采用高去除效率的超精密磨削代替研磨直接获得高精度面形的加工方法,已经成为空间光学大镜高效高精制造的公认工艺。选用超精密磨削得到的镜面面形精度和亚表面损伤层深度将直接影响后续的抛光等工艺的加工效率。为同时保证大口径光学镜面的表面和亚表面质量,不仅需要超精密磨床具有高刚度,还需要充分保证高效磨削时磨削力控制的柔顺性,这种相互耦合和矛盾使得大型SiC镜面的超精密磨削成为当前极为复杂和高风险的工程难题。通过减少运动轴数量可以大幅增加磨床的系统刚度,因此,以少轴弧面磨削替代传统的五轴固定点磨削成为当前超精密光学磨削领域的研究热点之一。尽管国内外许多学者在相关领域做了很多研究,但少轴弧面磨削至今依然没有在大口径SiC超精密磨削领域得到广泛应用,其原因主要包括:一、大口径光学磨床的动态特性直接决定镜面的面形精度,需要磨床具有极高的系统刚度才能保证。二、弧面磨削复杂多变的接触状况极大提升了磨削力建模和控制难度,从而对镜面的亚表面质量造成极大影响。因此,本文以磨削力控制为目标,研究了基于机电耦合建模的大型超精密光学磨床动力学分析和优化设计方法、少轴弧面磨削过程模型以及提出了基于进给速度调整的力位混合控制方法,并将其成功应用于自主研发的大型少轴弧面超精密光学磨床上。本文的主要工作及成果可概括为如下几点:一、提出了基于状态空间理论的机电耦合动力学模型,解决了大型超精密光学磨床设计中存在系统动态特性优化问题。首先,采用有限单元法和旋转坐标理论分别建立磨床机械结构和控制系统的动力学模型;其次,基于状态空间理论建立了包括机械结构和控制系统在内的超精密光学磨床机电耦合模型。在此基础上,以动态误差和响应时间为优化目标,采用约束随机方向搜索法对系统参数进行了优化,从而使磨床的动态特性达到最优,保证了大口径SiC光学镜面超精密磨削对面形精度的要求。二、针对弧面砂轮面形复杂和由于磨削力变化引起的砂轮磨损、磨削深度等参数变化非线性等问题,基于弧面砂轮与工件之间接触区域模型,分析大型光学磨床结构变形、弧面砂轮的磨损和变形、弧面砂轮的轮廓误差与实际磨削深度之间的关系。根据磨削力与磨削深度、进给速度之间的传递函数,建立少轴弧面砂轮磨削过程的模型。在此基础上,通过磨削实验对模型中的比磨削能、砂轮轮廓误差、砂轮磨损刚度和接触刚度等参数进行辨识,同时采用多组不同磨削深度和进给速度条件下的仿真和磨削实验来进一步验证模型精度。三、提出了以“保持深度、改变速度”为原则的SiC少轴弧面磨削的磨削力控制方法,从而可以提高工件的面形精度。首先,基于少轴弧面磨削运动学方程和磨削过程模型,分别对砂轮运动形式和进给速度进行轨迹规划和离线控力规划。其次,基于目标磨削力与实际磨削力之间的偏差,磨削力控制器对预先规划的进给速度进行补偿。最后,搭建SiC镜面磨削力控制实验系统,将磨削力实时控制策略在超精密光学磨床上成功应用。实验结果表明,磨削力始终稳定在目标力附近,磨削轨迹的动态误差控制在镜面面形精度要求之内,实现预期的目标。综上所述,大型少轴超精密光学磨床动力学优化及磨削力控制方法的成功应用,将会为我国大型空间光学镜面制造技术的提升奠定基础。