随着光电子学的发展,光学元件在航天、军事、医学、通讯等一系列科技领域中起到了关键甚至决定性的作用,非回转对称光学曲面(Non-Rotationally Symmetric Surface,简称NRS曲面)元件已成为光电产品中不可替代的关键零部件。但是,现有制造加工NRS曲面的技术方法,加工时间长、成本高。因此,高效精密并且低成本的加工NRS元件成为制约光电子产业发展的关键。设计开发一种大行程的快速伺服刀架(Fast Tool Servo,简称FTS ),使用金刚石车削加工的方法加工NRS元件成为解决上诉问题的核心技术。本文从大行程FTS的设计理论入手,对大行程、高频响、高刚度的FTS系统进行设计研究,以渐进多焦点镜片的加工为应用背景。本文针对快刀伺服加工的特点,分析了快刀伺服加工切削力及其影响因素,进行了大行程FTS的设计,并确定FTS的相关设计参数。通过对导轨布置、导轨截面、驱动装置、传感器、惯性平衡方案的规划和比较确定了大行程FTS总体方案。针对不同工况和使用要求,设计了两种类型的大行程FTS。在大行程FTS-Ⅰ型装置设计过程中,通过拓扑优化的方法对滑台结构进行优化,得到了核心元件滑台的倒T形截面中空结构形式,并利用ANSYS有限元软件进行了动静态特性分析。设计了滑台紧固结构和气浮装置并进行校核,建立了系统结构的三维模型。通过热传导分析,建立电机线圈与滑台之间的热传递模型,并采用ANASYS有限元软件进行热传导和热-结构耦合分析,得到了FTS装置的温度场分布和变形,对隔热方案进行验证。大行程FTS-Ⅱ型装置设计过程中,采用三角形中空结构形式,使得FTS整体尺寸减小,质量减轻。设计了一种弹簧音圈电机式平衡惯性装置,并对其平衡性能进行仿真分析,对平衡装置的可实施性进行验证。