制造业是国民经济的基础,具有重要的战略位置,其信息化、柔性化和全球化的趋势促使现代数控机床朝着高速、高精、复合和智能的方向飞速发展。瞄准新一代高性能数控系统的实际需求,论文以提高数控运动平稳性为主线,以实现高精度高效率运动控制为目标,从理论研究和工程实现两个方面,围绕柔性加减速前瞻规划、高速短线段加工、参数曲线插补、高平稳运动指令输出和软件系统体系结构等高性能数控系统关键技术问题进行了深入研究。主要创新成果如下:(1)针对目前广泛研究的S形加减速前瞻算法普遍存在运算量大、实时性差的不足,设计了一种适于工程化的嵌套式自适应前瞻算法。给出了S形速度规划曲线构造和校验两主要运算阶段的解析解,使S形加减速的工程推广和向中低档数控系统普及成为可能。(2)针对高速短线段加工需求,为有效避免加工路径直接转接对运动平稳性的冲击,提出了空间圆弧和Ferguson样条两种过渡算法,能在保证加工精度的同时显著提高加工效率、减小振动、改善工件表面质量。其中,空间圆弧过渡法与提出的任意空间圆弧插补算法相结合,算法简捷、通用性好,适合于中低端数控系统使用;Ferguson样条过渡法进一步提高了路径的连续性,效率更高、过渡更平稳,但采用此算法的数控系统需要有参数曲线插补功能的支持,更适合应用于全功能高档数控系统。(3)提出了变周期参数曲线插补方法,采用嵌套规划和逐步递推两种方法实现了S形加减速条件下的实时前瞻与高平稳插补。自适应变化的插补周期保证了前瞻路径和插补轨迹的统一,全面解决了参数曲线插补过程中速度波动控制、精度控制和前瞻处理问题,实现了NURBS等参数曲线加工的高平稳运动控制。(4)研究了脉冲进给系统的运动平稳性控制问题,在建立插补输出模型的基础上,从时域和频域剖析了其平稳性问题的本质;分析揭示了传统数控脉冲进给系统存在的精度、效率和平稳性之间的制约关系,给出了实现平稳运动控制的途径;并从改变插补周期及多轴联动方式入手,突破传统数控的插补控制模式,提出了全新的高平稳运动控制方案——随机周期独立轴自适应插补控制,为改善此类数控设备的运动平稳性提供了理论依据和全新途径。(5)借鉴软件引擎的思想,通过对数控系统功能、算法和结构的抽象分析,提出了基于模块、框架和脚本的数控引擎,并从基础系统构建、增强系统构建、创新系统构建和特殊运动控制系统构建等方面探讨了数控引擎的工程应用方法,能有效兼顾数控系统的执行效率、开放性和持续发展性的统一。所提出的高平稳数控运动控制算法在高档数控系统和对平稳性有特殊要求的场合具有通用意义。基于对平稳性运动控制有典型要求的金属和非金属数控铣雕机系统样机平台,验证了论文所提出算法的工程有效性以及软件引擎系统的可行性。论文研究成果为新一代高性能数控系统的研究与开发奠定了良好的理论和工程开发基础。