菲涅尔透镜是一种典型的微结构功能表面,大尺寸菲涅尔透镜在聚光光伏发电系统、投射照明系统及激光电视等光学系统和产品中应用越来越广泛,市场需求及质量要求越来越高,因此开发高效率、高精度的大尺寸菲涅尔透镜制造工艺的具有迫切需求。Roll-to-Roll(RTR)超精密复制加工工艺具有高效率,高精度,低成本的优点,是微结构功能表面的理想制造工艺。目前,针对菲涅尔透镜的RTR制造工艺未能得到充分发展,主要原因是作为大尺寸菲涅尔透镜的RTR制造工艺的关键环节,径向菲涅尔辊筒模具的制造不仅对机床的静、动态特性,运动精度及温控精度等方面提出了严苛要求,同时,径向菲涅尔结构的复杂面型决定了刀具加工轨迹的复杂性,要求机床具有特殊的结构布局及更多的运动轴。因此,菲涅尔辊筒模具的制造工艺成为当前大尺寸菲涅尔透镜制造工艺面临的重要技术难题。为解决大尺寸菲涅尔辊筒模具的制造难题,本课题设计并搭建了旋转慢刀伺服装置,将其集成到课题组自主研制的辊筒模具超精密加工机床上,得到加工菲涅尔辊筒模具的专用超精密机床,在此基础上开展菲涅尔辊筒模具的加工工艺研究。本文首先从径向菲涅尔辊筒模具的加工原理出发,分析了机床的功能需求,确定了机床布局并规划了刀具轨迹。本文在自研的三轴辊筒模具超精密机床的机床上集成了旋转慢刀伺服装置,组成了加工径向菲涅尔辊筒模具的专用五轴辊筒机床。之后根据仿形法加工原理的要求设计了专用金刚石刀具;以等弧长法阿基米德螺旋线轨迹生成原理为基础,完成了加工菲涅尔辊筒模具的刀具轨迹的规划。本文设计了刀尖圆弧半径补偿方法及刀尖对心误差补偿方法,生成了刀位点轨迹并根据运动学原理解算了机床各轴运动量。考虑到金刚石刀具安装时,刀尖的位置存在调心偏差,导致刀尖圆弧中心与A轴和B轴回转轴线不重合,影响径向菲涅尔模具的面型加工精度。本文设计了刀具调心误差补偿方法,包括基于CCD计算机视觉的误差检测方法、误差模型的建立方法及误差补偿算法开发等内容。本文根据多体系统理论建立了机床的运动学模型,根据设计的刀位点轨迹解算了机床各轴的运动量。最后,在搭建的专用五轴机床上,本文进行了仿形法加工径向菲涅尔模具的验证性实验,之后使用轮廓仪沿工件母线方向检测了加工后的菲涅尔结构面型轮廓。检测结果显示,径向菲涅尔模具的实际加工面型与设计面型一致,工作角误差值小于0.05°,满足精度要求,验证了仿形法加工菲涅尔辊筒模具的可行性。