高精度大型光学非球面元件的特殊优越性使其在现代光学系统中有着无法替代的重要用途。随着需求量与日俱增，传统的研磨、抛光光学加工方法无法满足其对加工质量与数量的要求。因此，根据我国现有的技术水平，突破现有的工艺技术，开发新的大型复杂光学非球面超精密成形加工方法，实现高效率、更经济的生产以满足其对精密度、数量和种类的要求成为我国光学制造领域迫切需要解决的难题。 单点金刚石超精密车削加工技术以其高表面质量、低制造成本成为超精密加工光学元件的热点，特别是大功率激光金属非球面反射镜、非球面加工模具等回转轴对称光学元件的制造。随着机床技术与工具伺服技术的发展，可以实现非轴对称零件的加工。 工件与刀具相对运动形式决定着非球面的加工精度。论文从机床加工运动原理着手进行研究，提出以刀具的回转进给运动代替多数金刚石切削加工机床采用的直线导轨刀具进给运动方式，并通过控制刀具伺服机构的微位移进给运动与刀具的回转进给运动、以及主轴的回转形成联动关系，来实现复杂非球面的超精密加工，可以提高大型非球面的加工精密度和加工效率。回转进给方式的超精密加工设备，不仅加工精度高，而且比直线进给超精密金刚石切削机床制造难度小、成本低，结构更加紧凑。刀具的回转进给方式加工非球面，工具运动轨迹复杂，不能采用直线进给的加工软件。论文以微分几何为理论基础，研究多种大型非球面光学元件的超精密数控加工中工具与工件的相对运动关系，并建立相关的工具运动轨迹数学模型，为研制超精密加工设备，实现大型复杂光学非球面元件的低成本、高效率的超精密加工，提供理论与实践指导。 首先，通过数学证明，论证回转进给单点金刚石车削加工非球面加工原理正确性。在轴对称非球面曲率分析基础上，构建实现大型轴对称光学非球面加工的几何模型，并对回转进给中相关问题进行计算研究。回转进给非球面成形法是在成形球面的基础上，附加刀具微位移机构的进给运动实现的。在分析非球面加工中常用的几种最接近比较球面的求解方法基础上，给出适合于切削加工的最接近比较球面的确定依据，提出最大值最小的比较球面计算方法。 第二，在对非轴对称非球面曲面方程分析基础上，研究这类复杂非球面光学元件的刀具回转进给运动加工方法，以扩展回转进给加工方法的应用范围，提高设备的利用效率，从而降低非球面的加工成本。这类不具有对称轴的大口径复杂非球面，在车刀回转进给的同时，通过机床的控制系统控制刀架上快速伺服微位移相对于工件作高频运动成形复杂非球面面形。以离轴非球面的加工为例，通过建立不同的坐标系，给出离轴非球面的方程，构建多轴联动刀位规划等数控加工优化数学模型。对大口径非轴对称非球面、离轴非球面新的成形原理的研究，为实现高精度高效率加工复杂光学元件提供理论基础，并对其他领域自由曲面的加工有一定借鉴作用。 第三，对于不适合金刚石车削加工的光学玻璃、微晶玻璃等硬脆材料光学非球面的加工，采用金刚石砂轮超精密磨削技术，加工效率更高，可得到超精密镜面。仍在回转进给的加工方式基础上，将金刚石刀架更换为可以作高速回转的磨头，可以对硬脆材料非球面进行磨削加工，以球形砂轮为例，构建了数控磨削加工轴对称非球曲面元件的砂轮运动模型，并对加工的相关问题进行研究。 第四，对回转进给方式金刚石切削非球面影响面形精度的主要因素进行分析，构建了误差模型，并进行误差仿真计算与分析。完成了轴对称非球面加工样件，在回转进给方式的机床上车削出非球面的样件，面形精度P-V值达到λ/3。 本文在理论研究的基础上进行了仿真和加工实验。实验与仿真结果表明，所提出的大型非球面光学元件新的成形加工理论是正确的，加工方法简便、可靠，可以降低大型光学非球面加工的成本，提高生产效率，保证加工精密度。