航空发动机被喻为航空工业的“心脏”,叶轮叶盘是航空发动机核心零部件,其加工效率制约着加工成本,加工精度对发动机的性能有重大影响。目前叶轮叶盘一般采用五轴加工中心,由于构成叶轮的叶片进出气边很薄,叶身弯扭曲率变化大,机床加工运动需频繁加减速,必须配置高动态响应特性的回转轴以满足刀具与曲面相对运动的位姿变化要求。本文针对航空发动机叶轮叶盘加工依赖于回转轴高运动性能的特点,通过刀具与曲面零件对置转动的方式减小相对位移,从而获得较高的相对运动角速度和角加速度裕度,提出了一种全新的五轴联动机床结构,采用正交回转轴对置的方式,实现了不依赖于回转轴高运动特性的高性能五轴联动加工,且机床结构紧凑、行程利用率高。针对该机床的结构设计与优化、运动学分析与选解、加工工艺编程等一系列关键技术进行了深入研究,实现了该新型结构机床从外部的结构均衡到内在的运动轴负载均衡,并在叶轮铣削加工应用,具体研究内容如下:为解决三平动两回转结构的机床在加工叶轮叶盘时,零件曲率变化大导致对回转轴性能要求高的问题,提出了一种新型的对称布置平行回转轴结构,实现多回转轴共担旋转运动,降低了单个回转轴的运动增量。基于该设计思想,结合铣削加工应用场景,提出了一种用于叶片铣削加工的五轴联动对置正交回转轴机床结构方案。采用有限元的方法将对称布置平行回转轴结构机床进行静刚度分析,针对机床静刚度的薄弱部件Z轴,设计了一种刚度更好、结构紧凑、质心驱动的平动轴改进策略,有效改进Z轴静刚度。通过对比分析,验证了改进效果,满足叶轮加工要求。针对传统三平动两回转机床逆运动学方程的旋转自由度优先解耦方法不适用于对置正交回转轴机床问题,提出了一种平移自由度优先解耦算法,建立了机床的逆运动学封闭形式函数模型。并深入分析了逆运动学多解与轨迹连续性之间的关系,提出了适用于五轴联动对置正交回转轴机床运动链的选解方法。在此基础上采用虚拟等步长插补的方法,针对同一叶轮加工轨迹,对比分析了传统机床与新结构机床的单轴运动学特性,论证了五轴联动对置正交回转轴机床对叶轮类零件的适用性。针对叶片特征前后缘螺旋加工方式刀轴曲率变化过大,导致加工过程中机床轴负载不均衡的问题,提出了机床轴负载增量均衡的全局刀具姿态优化模型,采用粒子群算法对刀轴进行优化。以某航空叶片为对象进行了试验验证,分析该叶片特征前后缘处螺旋轨迹刀具姿态优化前后路径,将两种路径采用虚拟等步长分析方法在五轴联动对置正交回转轴机床上进行运动性能分析,获得机床各回转轴的速度绝对值曲线,结果显示优化后路径能够有效均衡机床各回转轴负载增量。基于以上研究,研制五轴联动对置正交回转轴机床原型样机,开发了专用的加工编程软件的原型系统,并以某型号航空发动机叶轮设计加工方案,验证了一平动多回转轴机床运动解耦方法及相关的多轴加工编程算法的正确性和可行性。