光学自由曲面可以改善光学性能，提高光学利用率，一个或几个光学元件可以替代大量的球面、非球面镜，使光学系统简单化、轻量化，在民用、军事和航空航天领域有大量的应用需求；而且呈递增趋势，所以自由曲面的设计和加工是目前最有研究前景的方向之一。如何提高自由曲面的加工精度、表面质量以及加工效率是光学制造业的主要追求。基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo，FTS)的单点金刚石车削加工技术因其高效率、高精度等优点，受到国内外许多研究单位和学者的关注。结合国内外研究现状以及前人的研究经验，本文主要研究利用两自由度FTS对光学自由曲面进行车削的问题。现有的FTS大多只能实现单自由度直线运动，加工的曲面存在表面质量不均匀的现象；而且在自由曲面的刀具路径规划中，还没有看到相关文献讲述如何确定采样点数(每转切削点数)；这两者都属于刀具路径规划的范畴。本文提出一种等误差的采样点确定方法，以自由曲面的车削空间螺旋线轨迹需要的最少插补点为切削点数，解决了采样点数的确定问题；提出一种等残留高度的刀具路径生成方法，实时调整刀具在x向的位置，使任意相邻两刀触点距离相等，得到相同的刀痕残留高度，也就是均匀的加工表面。FTS系统和数控车床为两套独立的工作系统，刀具的切削路径由两者合成实现，那么两者之间的协调运动是FTS加工首要解决的问题之一。目前主要是采用单轴角度同步工作方式，根据主轴光电编码器传输的信号，FTS输出与角度相对应的位移；但是主轴转速的漂移会使刀具的x向位置不能与主轴转角实时保持同步而造成加工误差。本文提出一种两轴角度同步工作方式，使刀具在x向和z向都以主轴编码器信号为基准进行工作，使刀具位置实时与主轴转角保持同步。为了实时调整刀具在x向和z向的位置，本文设计了一套两自由度FTS系统，采用音圈电机驱动柔性铰链实现解耦运动，理论上不存在串扰(Cross-talk)，能够实现0.5mm的工作行程。对所研制的两自由度FTS装置进行了性能测试，在开环状态下测量了FTS的刚度、阻尼和共振频率，以及串扰情况。测量结果表明，FTS的阻尼比都小于0.04；FTS的运动还存在微米级的串扰，可能是机构加工或装配的原因造成的，通过闭环控制可以降低到0.2μm以下。在闭环状态下测试FTS系统的正弦跟踪能力和运动分辨率，两个方向运动能力相近，正弦跟踪误差约为0.5%，运动分辨率为0.05μm。基于两自由度FTS系统和两轴角度同步工作方式，本文提出一种反螺旋车削加工方法。车削过程中，刀具从外圆切到中心后，机床继续工作，x向导轨反向进给，刀具从中心切削到工件外圆，两次切削过程的螺旋线方向相反，最终切削点和初始切削点相差180；这过程需要FTS的运动和机床运动高度同步性，否则会导致两次切削轨迹产生一定相位差而破坏加工表面。第二次反螺旋切削可以设定很小的切削深度，达到超精密切削的参数要求，有利于修正面形误差，提高表面质量。切削实验显示，在机床运动误差和材料因素的影响下，加工质量提高了20%。采用LVDT实现了自由曲面的在线测量，分析了几种LVDT自由曲面数据测量方法；利用Zernike多项式进行曲面拟合，并对测量数据进行了测头半径补偿。以斜平面为例进行了试验验证，得出误差分布图，0.1mm高度差的斜平面PV值误差为2.5μm。利用两自由度FTS加工系统实现了自由曲面的误差补偿加工，将面形误差降低了约20%，而且，表面粗糙度也有所降低。分析了刀具中心误差对正弦波面的影响，并提出一种在工件端面划线的对刀方法：使主轴静止，让刀具在端面切划一条穿过工件的线，然后让主轴旋转180，再切划另一条线，根据两条线的情况分析刀具高度和具体距离。在FTS装置中设计了两组刀具高度调节装置，一组是安装在刀座位置的燕尾槽滑块调高机构对刀具高度粗调；一组是楔形块结构，安装在FTS底座底部，可以实现亚微米级的分辨率。但是，螺栓的锁紧固定等因素带来了一定的误差，刀具的高度误差在微米级。对切削参数也做了详细分析，提出了与切削曲面和FTS工作能力相关的临界切削参数确定方法，为生产加工提供了理论指导。测量了机床的主要运动误差，对各种刀具路径和加工方法进行了试验验证，切削了台阶面、正弦面和斜平面分析FTS系统的加工能力。实验结果显示，由于加工材料的缺陷和杂质较多、机床运动误差大，实际的加工结果并没有达到理想值，但是能在一定程度上反应各种加工理论的特点，可以证明本文的各种刀具路径和加工方法的可行性和优越性。