非回转对称光学曲面(Non-Rotational Symmetric Surfaces,简称NRS曲面)具有改善光学系统性能、缩减光学系统尺寸、使光学系统轻量化等优点,使得其在航空航天、国防工业以及民用工业中有广泛应用需求。基于快速刀具伺服(Fast Tool Servo,简称FTS)的金刚石车削技术被国内外学者认为是最具潜力的加工方法,而现有的单自由度FTS都存在一些难以克服的缺点。因此,研制一种高性能、多自由度FTS,对于提高NRS曲面的加工效率和表面质量具有重要的研究意义。本文首先通过分析NRS曲面创成的刀具轨迹和机床系统误差在X轴和Z轴的分量,提出研制两自由度FTS的必要性。然后,利用柔性铰链设计了一台两自由度FTS,其中,柔性铰链机构采用三个相同的PI公司PICMA型压电叠堆驱动,其中X向为单压电驱动,设计位移为12μm；Z向为双压电驱动,设计位移达到了60μm。采用QUEENSGATE公司的SPNS1100单通道电容传感器作为机构两个运动轴的位移检测及反馈单元。对于所设计的两自由度FTS,其核心部分为一个由线切割加工而成的两自由度柔性铰链机构,两个运动轴(X轴和Z轴)正交分布,其中X轴为一个双稳态的柔性铰链导向机构,理论刚度6.246N/μm,理论固有频率416.7745Hz；Z轴运动部分由线切割在X向运动平台上加工而成,它由一对杠杆放大机构和一个双稳态柔性铰链导向机构组成,理论刚度6.658N/μm,理论固有频率496Hz。该机构的特点在于：(1)机构是一个“H型”的整体结构,由线切割直接加工而成,结构紧凑的,无装配误差,且在运动中无反向间隙；(2)两运动轴均采用双稳态导向机构,不会产生侧向运动；(3)两运动轴之间相互独立,不会产生运动耦合,易于实现同步控制。利用ANSYS对机构的设计进行了仿真验证,得到了机构X轴和Z轴的刚度分别为6.1425N/μm和6.4872N/μm；固有频率分别为413.783Hz和476.837Hz,与设计值相差不大。建立FTS的动力学模型和机电耦合模型,并利用MATLAB进行系统开环状态下时域、频域的瞬态分析,根据Nyquist稳定判据得出了系统在闭环状态下是稳定的结论。为了得到两自由度FTS的真实性能,本文还利用西门子工控机、PowerPMAC运动控制卡、功率放大器等建立了测试系统。通过静态测试,得到FTS两个运动轴X和Z的静态刚度分别为6.7114N/μm和7.3260N/μm、实际行程分别为12.72μm和50.14μm、分辨率分别0.008μm和0.01 gm；利用PMAC作为运动伺服单元,通过调解其内置的PID参数,对FTS进行了闭环控制。测试中,X向和Z向分别跟踪幅值为2μm和10μm的阶跃信号,上升时间分别为8.85ms和15.24ms,超调量为0%；当X向跟踪幅值为10μm、频率为50.6Hz的正弦波时,跟踪误差小于0.4%；当z向跟踪幅值为50μm、频率为55Hz的正弦波时,跟踪误差小于1.7%；最后,用幅值为8μm、频率为27Hz和30μm、频率为27Hz的正弦波分别同时激励FTS的X轴和Z轴,其跟踪误差分别小于1.2%和4%。