随着我国制造业的兴起和先进制造技术水平的不断提高，对高端数控机床的功能要求也越来越多，五轴联动数控机床以其卓越的优势被广泛应用于复杂曲面的加工中。加工精度作为五轴数控机床的一项重要指标，受到多方面因素影响，是当前研究的热点。其中，空间刀具补偿技术是提高加工精度的一项重要技术。因此，对五轴数控机床的刀具补偿问题进行深入研究具有重要的理论意义与实用价值。本文主要对广泛用于自由曲面加工的球头铣刀补偿问题进行了研究。球头铣刀补偿涉及三个方面的补偿，即刀具半径补偿、刀具位置补偿和刀具长度补偿。通过对现有的刀具半径补偿算法进行分析，对于五轴球头铣削加工不同加工情况，应用相应的刀具半径补偿算法实现补偿。其中，投影法参考已经成熟的二维刀具半径补偿方法，利用空间坐标变换原理实现了空间刀具半径补偿，适于球刀侧刃加工情况；法矢偏移法是通过使刀位点沿切触点法向偏移补偿值的方法，保证曲面上切触点不变以达到切削效果不变的目的来实现空间刀具半径补偿，适于球刀球头加工情况。通过对混合型五轴联动机床进行运动学建模，推导了运动学坐标变换公式并进行分析，按照先计算B轴、C轴转角，后计算X轴、Y轴、Z轴位置坐标的分步计算方法，实现刀具位置补偿。同时，在推导过程中，将刀具长度作为参数考虑在内，得到公式可直接用于刀具长度补偿。利用Visual C++编程软件，根据前面提出的刀具半径补偿及刀具位置补偿算法，编制了后处理程序，并设计程序界面，生成了可执行文件。利用Vericut仿真软件对加工过程进行模拟，对加工结果进行了过切和欠切检验。通过对各组实验的过切点和欠切点检验结果对比，验证了算法的正确性。利用五轴数控机床进行加工，进一步证实了刀具补偿程序处理后NC代码的正确性和可行性。