随着现代科学技术的高速发展，自由曲面光学零件以其良好的光学性能和较低的质量在航空、航天、国防、数码相机以及汽车等多个领域有着极大的应用需求。然而自由曲面光学零件能否实现高效精密创成成为制约其应用与发展的关键因素，针对这一现象，国内外研究人员在大量的研究与实践基础上，普遍认为基于快速刀具伺服（FTS）的金刚石车削是一种最有发展前途的自由曲面光学创成方法。然而，现有的FTS工艺装置大多是单自由度的直线FTS或者摆动FTS，无法实现“非等参数”刀具路径规划，少有的两自由度FTS工艺装置却仅能实现微米级的行程，这些都大大限制了FTS技术的发展与应用推广。针对这一现象，本文在查阅大量文献资料的基础上，研制了一种新型大行程两轴直线式FTS装置，实现了装置在自由度方向上的毫米级行程，为FTS技术的发展与应用推广提供了重要参考。本文的主要研究内容包括如下几方面：（1）研究了国内外光学自由曲面创成方法发展现状，并对各种创成方法的优缺点进行了阐述；在此基础上研究了FTS金刚石车削发展现状，并根据驱动器的不同分析了各类FTS装置的优缺点。最终在此基础上阐述了本文的主要研究目标以及研究意义。（2）通过对FTS装置运动轴的布局设计以及其机构组成和工作原理阐述，完成了FTS装置的总体设计；在FTS装置驱动器以及检测元件选择的基础上，通过FTS装置关键零部件的详细结构设计，实现了一种大行程两自由度FTS装置的原型研制工作。（3）通过对FTS装置的静力学分析和动力学分析，本文考察了FTS装置的静力学特性和动力学特性。FTS装置的力学特性分析结果显示，本文设计的FTS装置在行程、频率响应、强度等方面均满足设计要求。（4）在力学特性分析的基础上，本文提取出了FTS装置中对其性能影响最大的六个主要结构设计参数，在此基础上进行了FTS装置设计参数的相关性分析试验，计算求解了各结构参数与性能参数间的相关矩阵，实现了FTS装置主要结构设计参数的相关性分析和灵敏度分析，并求解得到各性能参数的响应曲面。（5）在FTS装置设计参数相关性分析基础上，以一阶固有频率为目标，以各自由度方向的行程和最大等效应力为约束条件，本文采用非线性拉格朗日二次规划（NLPQL）法对FTS装置各主要结构设计参数进行了优化设计，从而大大提高了FTS装置的力学特性以及可靠性。（6）在阐述系统辨识步骤的基础上，通过输入信号的选择以及采样频率的确定，对FTS装置进行了系统辨识试验，然后利用传递函数模型完成了FTS装置的系统辨识。