非圆型面零件是横截面为非圆形的各种机械零件总称,作为机械工业产品中特殊且关键的基础零件近年来其需求急速增长,其中以非圆的中凸变椭圆活塞最为典型。而随着当前工业环保能耗等要求愈发苛刻和非圆活塞等零件本身的复杂性不断提高,对其生产柔性、精度、效率和表面加工质量等要求也提升到新的高度,亟需对非圆加工技术进行更深入的研究与突破。因此,高速非圆车削作为非圆活塞等零件外圆高效加工的重要手段,对其控制系统关键技术及加工优化的创新研究,具有重要的理论意义和工程应用价值。本论文针对当前非圆车削中加工精度和效率愈发不足,表面加工质量参差不齐等实际生产中的相关技术问题,以非圆活塞为加工对象,建立了非圆车削过程的运动和受力模型,重点研究了基于非圆车削多轴联动控制的轮廓插值与离散优化、基于高速非圆车削复杂多变工况的快速刀具伺服控制策略、面向表面粗糙度和纹理特征的加工参数多目标优化,并实现了高速非圆车削数控系统的研制与应用。针对非圆车削的运动和受力建模问题,本文根据非圆车削加工原理和加工方式,建立了高速非圆车削加工过程中运动轨迹、运动速度、加速度和三向切削力的数学模型,通过模型与仿真分析位移、速度、加速度和受力等变化趋势,为进一步对高速非圆车削控制系统关键技术和工艺研究提供依据。针对基于非圆车削多轴联动控制的轮廓插值与离散优化问题,本文根据非圆车削多轴进给方式以网格化数据点集合的形式有效描述非圆零件外轮廓,研究了以标准和非标准曲线构成非圆轮廓的双向插值和离散插补技术,并提出面向产品加工轮廓精度和基于BP神经网络和GA算法模型的离散分辨率智能优化,解决非圆型面轮廓拟合与误差控制不足的难题,促进高速非圆车削向误差控制智能化发展。针对高速非圆车削的快速刀具伺服控制问题,本文首先建立快速刀具伺服的数学模型并分析其电流环、速度环和位置环的动态特性,从充分考虑产品实际加工存在销孔断续切削等加工情形的多样性和复杂性影响,提出基于输入前馈和动力学前瞻补偿的复合PID控制策略,以满足当前复杂多变的高速非圆车削工况下微行程高响应运动的高速高精高跟踪性能要求。经过模型分析与实验加工,本控制策略加工的跟踪误差小于2μm,有效提高了非圆零件的轮廓加工精度和加工稳定性。针对非圆车削加工表面质量研究稀少而表面质量又是当前非圆车削重要评价指标的现状,本文开展面向表面粗糙度和纹理特征的高速非圆车削多目标优化研究。通过分析关键加工参数对表面质量的影响,以纹宽方差作为纹理特征的评价指标,提出一个集成回归模型、改进贝塔分布的布谷鸟搜索算法(IBCS)和期望函数的多目标优化系统。实验验证表明,IBCS预测结果平均误差不超过15%,能有效提升非圆型面零件的表面加工质量。最后,在上述研究的基础上,开展一体式高速非圆车削数控系统研制,并以非圆活塞为加工对象进行非圆零件外圆精加工的生产应用。实际生产证明,本高速非圆车削数控系统加工的产品椭圆度误差小于±7μm且稳定可靠,主轴最高转速达1500转/分钟以上,生产效率可达100个/小时,达到非圆车削加工的先进水平。