复杂曲面元件以其优良的特性有着广泛的应用前景,目前复杂曲面元件主要应用于军事防御、空间观测、光学系统以及民用生活等领域,复杂曲面的加工和测量是限制其广泛应用的重要因素。慢刀伺服(Slow Tool Servo,STS)车削技术能够通过三轴联动实现对复杂曲面的高精度加工,从世界范围来看,欧美国家的慢刀伺服车削技术比较成熟,已有商业化的慢刀伺服系列机床出售。近年国内一些高校和研究机构也对慢刀伺服车削技术进行了相关研究,但尚未形成工业加工能力。本文以复杂曲面的慢刀伺服车削为目标,对慢刀伺服实验平台搭建、刀具路径规划与仿真和复杂曲面面形加工精度测量等方面进行了研究,具体内容如下:1)复杂曲面的慢刀伺服车削刀具路径规化。刀具路径规划的精度直接影响复杂曲面的最终面形精度,是复杂曲面高精度、高效率加工的重要内容。提出了适用于离散形式曲面刀触点生成的Zernike多项式局部拟合方法,该方法避免了曲面的整体拟合。提出了等高度刀触点离散方法,通过限制相邻刀触点Z向高度差实现对离散误差的控制。提出了适用于不同编程语言的刀具形状补偿算法。提出了能够减小PVT插补误差的插值点速度计算方法,该方法通过矩阵运算将分段三次Hermite插值转化为分段三次样条插值,保证了插值曲线的二阶连续,并对插值点的选取算法进行了优化。2)通过仿真对刀具路径规划精度进行分析。选取了正弦阵列面、环曲面、Zernike曲面,采用不同刀触点离散方法生成刀触点并分析离散误差,结果表明等高度离散在减小离散误差的基础上能够控制离散误差的分布。刀尖圆弧半径补偿量的计算结果表明基于MATLAB的Z向补偿算法结果更为准确。采用三转角法计算刀位点速度的精度较高但计算较为复杂,三点法计算简单但精度稍差。插值点的密化处理能够在一定范围内减小插补误差。设计了一种离散形式的渐进多焦点曲面,并通过像散和光焦度分布对其进行了光学特性评价,根据离散曲面刀触点生成算法对其进行了刀具路径规划。基于MATLAB软件编写了生成数控加工程序的脚本文件。3)复杂曲面慢刀伺服车削加工实验及面形加工误差测量。设计搭建了以上位机和运动控制卡为核心的慢刀伺服车削实验平台;根据IMAC400控制器的速度、位置双闭环PID+速度/加速度前馈算法结构,对各轴伺服系统进行了性能调试和PID参数优化;使用C#语言编写了实验平台上位机控制软件,实现对实验平台的控制和实时监测。完成了复杂曲面的慢刀伺服车削加工实验。采用三坐标测量机以圆周式测量路径对工件面形数据编程自动测量,基于三次样条插值对工件子午线面形数据进行测头半径补偿,选用MATLAB中的CFT工具对补偿后的数据进行曲面拟合,从而计算加工误差。测量结果表明,表面粗糙度均能够控制在90nm左右,正弦阵列面和环曲面的面型误差能够分别控制在±0.01mm和±0.005mm左右;Zernike曲面和渐进面的面型误差能够分别控制在±0.02mm和±0.015mm左右。