车削加工是机械加工的重要组成部分。与普通圆柱形零件的车削加工相比，复杂回转面具有其特定的工艺特点，主要体现在外轮廓的投影为非圆曲线。普通的数控系统只能处理简单的直线和圆弧，故普通车削加工在复杂回转面车削加工中表现出精度局限性和效率局限性。从车削加工中表面残留层及其产生因素出发，根据复杂回转面车削加工过程中刀具的运动情况建立数学模型，引入切线倾斜角作为新的变量，实现刀具转角的精密控制。通过实验研究探讨了复杂回转面零件普通车削加工过程中刀具主、副偏角对被加工件表面质量的影响，分析了影响曲线的变化趋势和变量在车削加工中的实际意义。在普通二自由度车削的基础上，提出一种适用于复杂回转面车削的三自由度车削加工方法。通过三个变量联动对复杂曲线进行插补运算，优化和调整加工过程中刀具的姿态，使刀具垂直于零件母线的切线，主、副偏角在加工过程中恒定不变，使刀具与被加工件保持稳定的接触，从而提高车削精度，改善工件表面质量，提高加工效率。对该方法进行了一般化数控理论描述，提出变量控制、策略选择等过程。运用Simulink软件对三自由度车削加工方法进行建模和仿真验证；设计与三自由度车削加工方法相匹配的精密驱动回转刀架，说明其输入参数和反馈控制流程，构建出三自由度车床软、硬件平台实施方案。相关实例结果表明，基于回转刀架的三自由度精密车削及控制，能使复杂回转面表面精度更高、稳定性更好，自适应能力更强，可使加工误差减小42.9%，整体性能优于普通二自由度车削加工。