五轴数控加工是加工几何形状复杂、难以加工的工件表面的有效手段。而五轴侧铣加工凭借其材料去除率高，加工时长短，刀具损耗率小，加工表面质量好等优点，受到工业界的格外关注。但是侧铣加工由于它的特性，在实际应用中又存在着很大的局限性。目前商业CAM软件中的侧铣加工刀具路径规划只针对直纹面，对于任意特定的代加工表面，缺乏一种可以高效地规划高质量的侧铣刀具路径的方法。这一点是目前制约侧铣加工应用的最主要原因，也限制了五轴机床潜力的发挥。本学位论文以复杂曲面五轴侧铣加工为应用背景，研究自由曲面侧铣刀具路径规划的几何原理和方法。主要采用的技术思路是使用一张或是数张直纹面来逼近目标自由曲面，五轴侧铣刀路就根据生成的直纹面进行规划。对任意自由曲面（或点云云数据）进行直纹面逼近主要包括：使用离散直线段最佳逼近目标曲面、将离散直线段插值成为直纹面和使用整体优化策略是直纹面逼近设计曲面，这三个技术层面，本文的内容将围绕上述三点展开，主要研究工作及创新性成果如下：一、提出了离散直纹逼近自由曲面的方法，包括建立对应的二维域搜索规则、搜索路径推进方案、提出了直纹拟合算法。基于不同的工业实际需求，提出了不同搜索路径推进方案，并依次为依据将直纹化方法分为：自由直纹搜索、有约束直纹搜索和启发式直纹搜索。二、对于弧面分度凸轮和滚动蜗杆工作廓面此类特殊的曲面，本文提出了按特征搜索直纹的方案。从这些曲面的运动规律中提取特征，获取良好的直纹搜索效果。三、提出了基于离散直纹的可加工性能评价指标。根据离散直纹，判断直纹面的光顺性，机床坐标系下刀路的光顺性等性能指标。为用户提供直纹面生成效果的全面参考。提出了一种简单的，具有清晰几何意义的离散直纹插值成直纹面的方法，并应用优化方法调整此直纹面进一步逼近设计曲面。四、针对一些无法通过直纹化获得良好逼近效果的复杂曲面，开发了一种分段分层进行直纹面拟合的算法。主要以分层侧铣中可能遇到的困难为依据，提出了曲面划分的方式，并对划分得到的曲面分别进行直纹面逼近。本文提出的直纹化方法大大提高了五轴侧铣加工在加工生产中的适用范围，以往被认为不能使用侧铣方式加工的曲面经过本文的算法进行处理之后，可以生成高质量的侧铣刀具路径。本文中的所有算法都经过大量数据的验证，在实际加工中进行了运用，并都取得了良好的结果。