五轴数控加工经常用来加工各种复杂零件来提高加工精度和加工效率。刀轴矢量控制技术是影响五轴加工效果的一个关键因素，直接影响零件加工效率、加工精度和表面粗糙度。利用两个旋转轴很容易改变刀轴矢量来获得最优切削条件，但同时也带来了刀轴矢量难控制的问题，刀轴矢量控制建模和控制算法难度比较大，专门研究也比较少。　　在分析国内外刀轴矢量研究工作的基础上，结合具体科研项目，本文着重研究了高速高精五轴加工中刀轴矢量控制和定向插补关键问题，并对其中的刀轴矢量轨迹规划、定向插补、进给率控制和压缩平滑等关键技术进行系统和深入的研究。主要研究内容如下:　　1.刀轴矢量建模。刀轴矢量可以由刀端点和刀轴上另一点来表示，刀轴矢量在空间移动轨迹构成可展直纹曲面。根据以上特点，建立刀轴矢量统一数学模型，该模型是一个可展直纹曲面，每一个刀轴矢量可由该可展直纹曲面的上下边界曲线对应的离散点构成，刀端点轨迹对应加工曲面上的刀具轨迹。刀轴矢量统一数学模型可以有效的描述刀具在加工过程中的变化，为后续章节奠定了理论基础。　　2.刀轴矢量轨迹规划研究。刀轴矢量轨迹规划是五轴加工的基础和关键。根据给定的容差，刀具轨迹规划生成刀具位置和刀具方向。为了提高五轴刀具轨迹生成效率和精度，基于提出的刀轴矢量数学模型，提出一种考虑容差限制的全局优化和局部优化相结合的刀轴矢量轨迹优化算法，该算法以总的加工误差之和最小为优化目标。提出了新的误差估计方法来平衡计算精度和计算负载。为了减少局部刀轴矢量轨迹误差，提出了局部刀轴矢量轨迹调整方法，使得最终生成的刀轴矢量轨迹不仅全局最优，而且局部误差可以控制。　　3.刀轴矢量定向插补方法研究。数控插补技术是数控系统的核心技术之一。样条曲线定向插补精度越高，可以提高刀轴矢量的准确性，提高加工稳定性和零件加工精度。提出一种具有S型加减速控制受限自适应双NURBS样条曲线刀轴矢量定向插补算法。根据不同曲率信息，自适应进给率模块可以根据受限弓高误差调整进给率，前瞻模块对程序进行预处理查找加速度或是加加速度超出机床限制的关键点，并利用S型柔性加减速控制对需要减速程序段进行重新插补，同时利用球面线性插补算法对刀具方向进行插补，使得整个加工过程平稳无冲击。算法保证所有轴的位置、速度和加速度轮廓连续，并且加加速度得到控制。仿真实验结果验证了算法的可行性和优势。　　4.刀轴矢量加减速控制算法研究。加减速控制是数控系统插补器重要组成部分，直接影响数控系统的运动精度和加工效率。传统的线性加减速和指数加减速算法不适合五轴高速加减速控制的要求。一般的S型加减速算法公式复杂和计算费时。因此，提出一种改进的S型加减速刀轴矢量算法，利用S型曲线对称性和初末速度不同的特点，提出了快速规划方法，简化算法。该算法可以快速规划出待加工曲线各阶段运行时间和速度。算法可以节省定向插补前瞻模块的处理时间，获得平滑的速度曲线。　　5.基于指令点压缩平滑定向插补算法研究。在五轴数控实际加工中，刀轴矢量要避免突然变化，包括转动方向和转动速度的突然变化。为了解决五轴加工中刀轴矢量变化不均匀引起减速和加速的反复发生，带来加工形状变得粗糙和加工时间变长的问题。提出一种刀轴矢量压缩平滑定向插补方法，该算法先对五轴数控加工移动轨迹程序进行压缩，将刀轴矢量和刀端点变化同时比依次预先设定容差小的指令去除。然后，对刀轴矢量进行平滑处理，使得刀轴矢量与线性轴变化成比例。最后，对压缩平滑后的指令进行定向插补，获得高速加工速度。用五轴机床加工这样的工件程序可以获得平滑加工形状，并缩短加工时间。