本发明涉及机械光栅刻划技术领域，具体涉及一种基于正交回转轴系的凸面光栅机械刻划系统及方法，刻划系统包括刻划轨迹规划机构和刻划运动执行机构，刻划轨迹规划机构包括分度运动机构、刻划运动机构和刻划承载台，刻划运动机构与分度运动机构共同组成正交回转轴系，刻划承载台上设有校正调节机构，光栅基底位于校正调节机构上，刻划运动执行机构包括刀架承载台和对刀位移台，刻划时，刻划刀具对光栅基底进行单向挤压刻划。刻划方法包括：S1、进行光栅基底刻划前的装调准备工作；S2、在光栅基底上进行机械刻划。本发明可实现大口径、小闪耀角、高槽形精度的凸面光栅机械刻划。