在五轴加工中,平顺性较差的刀轴矢量常常会经历机床旋转轴角速度或角加速度的剧烈变化,从而影响机床运动学性能以及加工质量。实际上,刀轴矢量的优化程度,关系到加工可达性、加工效率以及加工完成质量等诸多方面,对机床的性能发挥及高性能零件的表面质量具有重要意义。刀轴矢量的优化体现在平顺性及奇异性等方面,刀轴矢量的平顺变化是机床运动学性能可控的前提条件;另一方面,对机床奇异性的控制的好坏,则直接影响到加工零件表面质量的精度及机床性能的发挥。因此,本文通过对五轴加工中的刀轴平顺性及奇异性进行研究,以AC双转台五轴数控机床为例,提出了基于机床坐标系的刀轴平顺性规划策略,并针对加工中可能出现的奇异性,给出了解决方案,以获得无奇异、且在机床坐标系意义下的光顺的加工刀轴矢量。(1)为达到机床坐标系下的刀轴矢量光顺,本文提出在机床坐标系内对刀轴矢量进行两步处理。第一步,根据用户所指定关键区域内的无干涉刀轴矢量,作为关键刀轴矢量,关键刀轴矢量指定的原则是避免产生干涉碰撞;随后利用四元数插值法,插值得到整条加工路径上的初始刀轴矢量;紧接着进行干涉检查,若局部区域发生干涉碰撞,则在干涉区域重新选择代表刀轴矢量进行球面插值,以获得整条加工路径上无干涉的刀轴矢量。同时,遍历初始刀轴矢量,以初始刀轴矢量的机床运动学性能是否超过允许值为条件,判断超限区域,本文取机床A、C轴的角加速度作为衡量机床运动学性能的指标;第二步,对不满足机床角加加速度限制要求的超限区域,采取一种基于机床各旋转轴角加速度分治优化的五轴加工刀轴矢量优化方法,以机床旋转轴的角加速度最小为优化目标,利用多元函数的极值条件,并通过指定关键刀轴矢量的方式对其进行求解,从而达到对超限区域的刀轴矢量予以局部修正的目的。(2)针对五轴加工中的奇异现象,在机床坐标系内采取一种基于五阶B样条曲线形状修改的调整方法,将对刀轴矢量的更改操作映射到对B样条曲线的修改问题上,实现了对奇异问题的简化。通过以误差曲线应变能最小为目标,机床运动学特性符合要求为约束,建立带有线性约束的目标函数,从而消除加工中可能出现的奇异现象。经过实例验证表明,本文所提出的五轴加工刀轴矢量优化方法,能够在保证无干涉的前提下,提高刀轴矢量的光顺程度,同时优化了机床的运动学性能,对五轴加工中的奇异现象也有很好的抑制作用。(3)对所提出的刀轴矢量平顺性优化算法及奇异避免算法进行实例验证,证明了本文提出方法的有效性。