数控系统用短直线段轨迹进行运动控制时，存在加工速度连续性低和表面质量差的问题。本文提出能提高加工速度、降低速度波动的轨迹优化技术，最终达到提高加工效率和表面质量的目的。轨迹优化技术用长度更长、连续性更好的NURBS曲线来逼近短直线段，以增加轨迹长度、提高轨迹连续性。逼近过程采用先分段再拟合的处理步骤，实现直线段轨迹到NURBS曲线轨迹的转换。分段过程以原始短直线段轨迹的不连续性特征为依据，将轨迹分割为独立区段，以降低拟合曲线计算的复杂程度。在分析常见轨迹特征的基础上研究了轨迹中的瑕疵点，斜率、曲率、长度急剧变化等不连续特征，得到轨迹不连续性特征判据的计算公式。拟合过程在已分割的区段内对型值点抽样，抽样点用作NURBS曲线插值点以进一步减少反算控制点计算量，从而提高拟合曲线计算的实时性。选用由拟合误差控制迭代抽样的方式，逐次提高插值曲线的逼近精度。研究了不同抽样方法对拟合效果的影响规律，设计了分段区间内样条型值点的抽样方法。最后以典型模具零件为应用案例，进行了刀位轨迹转换和实际加工测试实验，实验结果表明本文的轨迹优化方法达到了提高加工效率和表面质量的目的。