光学自由曲面以其特有的面形特点与优异的性能正在被各行各业广泛采用,然而加工光学自由曲面的数控机床一直都未国产化,进而也导致了各类光学产品的生产成本居高不下。为了突破这一技术堡垒,进行光学自由曲面加工机床的研发是很有意义的。而为了使研发的数控机床可以生产出表面面形精度合格的光学自由曲面,必须对机床的各方面误差进行消除或补偿。本文针对一种环形多工位的光学自由曲面加工机床的换刀误差进行研究分析,设计了一种机床换刀误差在位检测辨识与补偿方法,并在机床上进行了实验验证。为了解决机床换刀误差辨识与补偿的问题,本文首先针对换刀误差进行理论分析,将换刀误差转化为刀尖的位置偏移误差。为了分析刀尖的位置偏移误差的影响,对机床快刀伺服加工系统进行理想几何建模,进而在MATLAB中进行刀具轨迹建模,进行工件表面微观形貌的预测。再由刀尖位置偏移误差对工件面形的影响规律设计机床换刀误差辨识及补偿方法,并在MATLAB中建立换刀误差补偿验证模型,得到的补偿效果良好。为了实现工件表面面形误差的在位测量,本文进行了机床测量工位的研究,建立了机床在位测量系统。为了使在位测量系统具有较好的测量精度,对在位测量系统进行了精度建模,对在位测量系统的系统误差即13项几何静态误差进行了误差辨识和补偿。而为了使测量更加准确,又设计了对比检定法进行机床在位测量系统测量前标定,以及测头半径补偿、测量数据滤波处理、面形误差评价等测量后处理方法。最后针对测量系统的整体测量功能实现进行了测量流程规划,使机床的在位测量系统能够进行全自动测量。而为了验证理论建模仿真、方法设计的正确性与有效性,本文进行了在位测量系统标定以及换刀误差定量验证实验。首先对在位测量系统进行粗调以满足小球自动测量误差辨识的要求,接着进行在位测量系统小球自动测量误差辨识实验,可以较好的辨识出在位测量系统几何静态误差,在20次测量中可以保证偏差在15%以内。然后又使用标准平面、标准凹球面基于对比检定法进行在位测量系统测量前标定,不仅可以验证辨识出的几何静态误差补偿效果良好,还可以得到在位测量系统特征测量的测量不确定度。最后进行了机床换刀之后的试加工实验,通过5次“加工——测量——补偿”可以得到满足要求的光学自由曲面。