为了改善和优化眼镜镜片的加工流程，避免镜片尖边加工过程中刀轴矢量变化剧烈、影响工件表面的加工质量，提出了一种基于UG NX的五轴数控加工路径。利用智能镜框扫描仪对镜框边缘进行扫描，获得镜框凹槽点云数据文件，编写相应程序对符合眼镜片加工标准的OMA文件中的球坐标数据进行坐标及格式转换等处理。基于NURBS曲线拟合算法，实现刀路轨迹的连续性并保证拟合曲线的精度。设计和建立一种控制刀轴矢量平滑变化的刀轴驱动约束方法，依靠曲线驱动刀轴及镜片曲面法向量约束刀轴使刀头平滑进给，并将刀轨文件经过后处理转换为NC文件。最后，对加工后的镜片进行误差测量，结果表明，通过点云数据拟合刀路曲线的方法提高了加工面的精确度和光滑性，有效缩减了加工流程，提高了加工效率。

三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo， FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10~100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。

刀具几何参数的精确测量是评估刀具性能的关键。针对复杂刀具几何参数难以测量的问题，基于聚焦深度法对其端面几何参数进行三维测量。首先，提出了一种适用于刀具端面序列图像的改进双阈值Tenengrad聚焦评价函数，通过局部像素分析确定了函数最佳计算窗口大小，在清晰度比率、陡峭度、清晰变化率、局部波动量评价指标下与常用聚焦函数进行了对比，验证了所提函数在计算刀具端面序列图像时更具有优势；其次，通过自适应sigmoid函数的图像增强算法实现了高对比度的刀具端面序列图像的获取，提升了三维测量效率，基于RANSCA算法对刀具后刀面点云表面进行平面拟合并提出了端面几何参数向量计算方法；最后，通过所构建的刀具测量系统对标准量块的阶梯深度进行了测量，误差为0.32%，并实现了刀具后刀面的三维形貌还原，进一步对主切削刃内、外刃顶角和直径参数进行测量。实验结果表明：顶角测量误差<0.3°，直径测量误差<3 μm，优于Tenengrad函数对应角度（<1.9°）及直径（<13 μm）测量结果，满足复杂刀具对角度（<0.5°）和直径（<10 μm）的测量精度要求。

衍射光学元件在光学系统中的应用越来越广泛，对衍射结构的加工质量提出了更高的要求。单点金刚石车削可直接加工出高精度衍射微结构表面，但衍射结构的位置误差和表面质量对其光学性能有较大影响。为了提高衍射光学元件的性能，需要精确控制其车削误差。基于此，分析了影响衍射元件加工质量的因素，建立了揭示位置误差、衍射面形状和刀具半径之间的关系的数学模型，揭示了衍射带位置精度影响规律。通过补偿加工提升基底表面质量来提高衍射曲面面形精度。结合仿真模型与粗糙度影响参数，指导车削刀具半径的选取。最后，基于仿真结果，选择半径为0.02 mm的半圆弧刀具加工，最终加工的衍射元件面形误差为292 nm，衍射环带位置误差最大为55 nm，高度误差最大为16 nm，粗糙度为5.6 nm。实验结果表明，该预测模型可以指导衍射光学元件高精度表面形貌的获取，有利于提高光学系统的成像质量，为高精度衍射光学元件的批量生产提供了技术支持，具有广泛的工程应用价值。

研制了一款高频响、高精度及大驱动力的压电驱动型快速刀具伺服（Fast Tool Servo，FTS）装置，采用广义圆锥线拟合的柔性铰链构造新颖的柔性机构，通过对称布置的结构消除柔性刀架工作过程中在非期望运动方向的耦合误差，并对机构的运动学特性进行了综合建模。综合考虑装置行程和固有频率的设计目标，基于改进的BP神经网络优化算法，对柔性机构的结构尺寸进行了多目标优化设计。使用优化后的结构参数建立FTS装置的三维模型并通过ANSYS软件进行有限元分析，分析结果表明，优化后的柔性机构可以达到预期性能要求，验证了该优化算法的可行性。最后，进行了实验样机的制造和性能测试，进一步验证了FTS装置的优化设计结果。测试结果表明：FTS装置的固有频率超过7.6 kHz，标称行程约为6.4 μm，分辨率约为12 nm，跟随精度约为0.3 μm，静态和动态性能均符合设计目标。

为了改进大离轴量非球面反射镜加工方式，降低外界因素导致的反射镜面型误差，以及提高效率，本文基于慢刀伺服技术提出一种适用于大离轴量、且不受车床加工口径限制的刀具路径规划方法。以离轴反射镜坐标平移变换的方式，将镜面外边缘与车床主轴中心之间的距离控制在车床加工半径内，减少刀具离轴量和加工区域。坐标平移后的反射镜以主轴中心为原点，多个与之相同的反射镜均匀分布在圆周上，形成一种切削区和过渡区并存的离轴阵列样式。建立样条和正弦混合插值方程，以刀具在边缘切削点的Z向切削速度和切削加速度连续无突变为前提，补正过渡区刀具路径。最后通过实验分析证明：在整个加工区域，过渡区和切削区刀具路径平滑连续，Z轴和C轴平稳运行，加工精度达PV0.4波长@632.8 nm。通过坐标平移的方式，可以有效降低刀具离轴量，补正的刀具路径保证了车床的平稳运行，满足大离轴量的非球面反射镜加工，且一次加工可完成多个反射镜，加工精度和效率高。