近年来,光学自由曲面在很多领域得到广泛的应用,但由于其拥有着复杂的非回转对称结构,加工难度大。随着超精密加工技术的发展,基于刀具伺服的金刚石车削技术成为加工光学自由曲面的一种有效方法。然而慢刀伺服系统存在着加工效率低的问题,而基于柔性铰链的快刀伺服装置无法加工高低差在毫米级的光学自由曲面。因此有必要研制一种大行程、高频响的快刀伺服系统。本文的主要内容包括如下:（1）开展了大行程快刀伺服装置设计与优化。首先对大行程快刀伺服装置的方案进行了设计,研究并采用了音圈电机驱动多孔质气浮导轨的结构。接着利用ANSYS中的静力学、动力学模块分别对常用的T形导轨和方形导轨进行了仿真对比分析,确定采用方形导轨的方案,并对方形导轨结构做进一步优化。然后对固定导轨进行性能仿真,验证了方案的可行性。最后完成了大行程快刀伺服装置的总体设计。（2）设计了大行程快刀伺服装置的驱动系统。首先根据大行程快刀伺服系统的性能要求进行了计算分析,确定了符合要求的音圈电机。接着根据电机参数计算分析,选择符合要求的驱动器与电源,然后通过对比分析选择光栅尺作为本系统的位置检测元件。最后确定本系统所采用的控制器。（3）开展了大行程快刀伺服装置的仿真分析与刚度测试。首先建立了气浮导轨的静力学模型,接着对多孔质气体静压轴承的静态刚度进行了测试,测试结果表明气膜厚度为10μm时,气体静压轴承的静态刚度约为27N/μm。再按照静力学模型对气浮导轨的刚度进行了仿真分析,然后对快刀伺服装置的静态刚度进行测试,结果表明快刀伺服装置竖直、水平两方向的静态刚度分别为26.6 N/μm和25.6 N/μm,实验结果验证了仿真分析的正确性。（4）开展了大行程快刀伺服系统性能测试研究。利用Simulink模块对比研究了大行程快刀伺服系统的控制算法,并对快刀伺服系统的控制精度进行测试。研究结果表明,系统阶跃响应的上升时间为3.9ms,超调量为行程的5.2%。位置保持测试结果表明系统的稳态误差PV值为14nm。在运动行程为5mm、运动频率为40Hz的正弦轨迹跟踪测试中,系统的跟踪误差约为13μm。运动分辨率测试表明系统的运动分辨率优于10nm。利用光谱共焦传感器对系统定位精度与重复定位精度展开测试,系统的定位精度约为0.357μm,重复定位精度约为0.089μm。