曲面数控高速、高效加工是机械制造不懈的追求。随着进给速度的提高,由于加工曲面轮廓的复杂性,机床运动轴的运动剧烈,会使得机床产生振动与冲击,直接影响着曲面加工质量,严重甚至破坏机床的内部结构。本文针对曲面高速进给数控加工中机床运动轴的运动学特性超出机床限制的问题,提出一种运动学特性约束下的曲面加工轨迹规划方法。主要思路是在考虑各轴运动学特性约束的基础上,通过分析加工轨迹与机床运动轴的运动特性之间的关系,结合曲面加工方式,对高速进给加工下曲面的刀位轨迹规划展开研究,从而最终在保证加工效率的同时,使加工过程中机床运动轴的运动更加平稳,不发生振动与冲击,提高曲面加工质量。主要工作如下:(1)机床的运动学特性分析。在对五轴数控机床进行运动学变换的基础上,推导出刀位数据与机床各轴运动坐标的数学关系。深入分析五轴数控加工过程中机床的运动学特性,给出运动学特性参量的计算方法以及加工轨迹规划的运动学特性约束条件,并估算机床各轴允许的运动学特性约束值。(2)运动学特性约束下的刀位点确定。针对类回转体曲面,以螺旋线导动法生成的刀位点和切触点为基础,利用B样条曲线对生成的初始切触点轨迹进行拟合,考虑机床各轴的运动学特性及其曲面加工误差,计算最终切触点轨迹。分析B样条曲线上切触点与节点的对应性,提出利用初始切触点处的初始法矢量插值获得最终法矢量的方法,进而完成刀位点的重新确定。(3)运动学特性约束下的刀轴矢量规划。基于已知的刀位点轨迹,首先考虑速度特性约束,对刀轴矢量与机床运动轴速度的关系展开分析,提出一种满足速度特性约束条件的刀轴矢量规划方法,并对机床进给速度进行一定调整;其次,分析运动轴的加速度特性,以考虑速度特性的刀轴矢量规划为基础,建立数学优化模型,优化确定最终的刀轴矢量,调整机床进给速度;然后,对个别加加速度超限刀位点处的机床进给速度进行调整,保证加加速度也满足运动学特性约束条件。最后给出算例理论验证刀轴矢量规划方法的有效性。(4)鞋楦五轴加工与加速度测量实验。以鞋楦曲面的高速五轴数控加工为例,经过后置处理编写数控加工程序,在五轴数控机床上展开精加工实验,并同时进行加速度测量实验。分析实验结果,验证本文所提出的运动学特性参量理论计算方法的正确性以及加工轨迹规划方法的有效性。