五轴数控机床是航空航天、国防、汽车等行业不可或缺的先进装备。五轴数控机床的高精、高速加工依赖于复杂曲面刀具轨迹规划和插补算法。针对现有五轴数控机床刀具位姿优化及线性插补算法的不足,提出了一种基于最小刀轴矢量生成平面的刀具位姿优化算法,有效减小了五轴数控加工过程中的非线性误差以及插补点的数量,提高了加工精度和效率;提出了一种五轴机床刀具位姿高效平滑线性插补算法,通过约束自适应预插补和S型速度规划算法,保证了非线性误差不超限以及速度、加速度的平滑变化,有助于减少机床损伤,提高了插补精度和效率。论文共分为六章,主要内容如下:第一章综述了五轴数控加工中非线性误差控制、自由曲面五轴加工刀具位姿优化、数控机床自由曲线插补等相关技术的国内外研究现状,介绍了现有算法的缺陷。阐述了本文的研究背景及意义,介绍了本文的组织框架。第二章提出了五轴数控机床运动学和非线性误差分析方法。介绍了数控加工刀具位姿、运动链的概念,建立了五轴数控机床通用运动学模型,推导了逆运动学求解公式;介绍了五轴数控机床非线性误差的概念,在五轴数控机床运动学分析的基础上,建立了非线性误差的简化计算模型。第三章提出了一种基于最小刀轴矢量生成平面的刀具位姿优化算法。首先,在非线性误差超过允许值的相邻两刀位点处,利用改进的粒子群算法来重新规划刀轴矢量,优化两旋转轴的转角。为保持工件切削形状与精度,根据新的刀轴矢量反算出新的刀位点,保证刀触点不变。其次,为避免迭代次数过多以及加快算法的效率,同时为减小线性角度插补带来的非线性误差波动,根据各插补点间非线性误差的大小动态规划插补点的位置。第四章提出了一种五轴机床刀具位姿高效平滑线性插补算法。分析了线性插补与NURBS曲线插补的异同,指出了 RTCP线性插补方法的不足。在RTCP线性加密的基础上,构建了非线性误差约束下的极限进给速度计算模型,建立了非线性误差-机床动力学特性-衔接速度约束下的进给速度自适应预插补方法,提高了插补精度。分析了各种加减速插补算法的异同,基于S型加减速控制使得速度、加速度与加加速度高效、平滑地变化,有助于减少机床振动与冲击,提高了插补效率。第五章在转台-摆头式AC型五轴数控机床上对叶轮叶片加工进行仿真实验,验证了本文算法的有效性。第六章进行了全文总结,指出了文章的主要成果和创新点,对后续研究工作进行了展望。