CAD/CAM系统、数控系统以及伺服控制系统共同影响五轴数控加工质量与效率。但在传统数控加工流程中,各系统间的设计相对独立。在进行加工工艺与数控系统设计时,有必要考虑刀具轨迹-机床能力匹配性。CAM系统中零件装夹位姿设计通常以便于安装为目标,而忽略了装夹位姿对机床运动表现的影响。另外,五轴加工中常用小线段指令表达刀具路径,沿轨迹运动加速度不连续,引起伺服跟随误差波动,机床振动等问题。因此,研究工件装夹位姿与刀具路径光顺对提升五轴加工效率与表面质量有重要意义。当前的工件装夹位姿与五轴刀具路径光顺存在以下主要问题:（1）装夹设计未考虑机床能力,导致机床奇异点和加工效率低;（2）轨迹平滑通常只考虑轨迹之间的几何连续性,而忽略了曲率波动对加工质量的影响;（3）多样条间的同步插补关系,需要消耗更多的计算资源,影响插值算法的实时性。针对以上问题,本文首先提出了一种基于能力利用率的刀具轨迹-机床能力匹配性评价指标,该指标综合考虑了刀具路径上各刀位点处机床各运动轴的能力利用率的均衡性,能用于评估刀具路径对特定机床的匹配性。提出了通过优化工件装夹位姿和平滑数控系统轨迹从而优化能力利用率的技术路线。主要研究内容如下:为解决机床能力利用不足的问题,提出了一种基于能力利用率的工件装夹位姿优化方法。该方法将机床奇异点约束与机床工作空间约束在几何空间建模,并根据刀具轨迹-机床能力匹配性指标建立了装夹位姿优化模型。能有效提高能力利用率的均衡性,并避免奇异点,改善刀具轨迹-机床能力匹配性,提升加工效率。为解决刀尖点轨迹拐角平滑的问题,提出了一种考虑曲率最小波动的G2连续Dual-Bézier样条轨迹拐角平滑方法。推导了G2连续Bézier拐角过渡曲线的曲率单调条件,建立了对称Dual-Bézier样条拐角平滑样条构造方法,优化了直线轴能力利用率,提高了加工效率。相对于现有的对称拐角平滑样条,具有更小的曲率极值,同时改善了能力利用率评价指标。为解决五轴加工刀具路径平滑的问题,提出了一种基于主从运动的行程空间,并提出了一种基于主从协同空间的五轴轨迹平滑方法。利用非对称Dual-Bézier样条模型,在主从协同空间中建立了旋转轴与直线轴同步关系,并提出了主从协同空间中的实时插补方法。对比了不同角度误差情况下的刀具路径平滑效果,角度误差越大,刀具轨迹-机床能力匹配性指标越优。基于以上研究,开发了装夹位姿优化原型软件模块,在国产数控系统中开发了五轴刀具路径平滑功能模块。针对双转台结构的五轴机床,以叶轮叶片和复杂自由曲面工件为案例在机床上开展了加工试验。试验结果表明刀具路径平滑能有效改善叶轮叶片加工过程中的机械振动,提升加工表面质量。工件装夹位姿优化提升复杂自由曲面工件的加工效率,避免了机床奇异点并且提升了表面质量。