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五轴数控加工主要应用于医疗器械、模具制造、汽车零部件以及航空航天、船舶等领域的复杂零件加工中，是一个非常复杂的过程，涉及多方面的基础理论和实验研究，是数控加工技术进一步发展和应用必须突破的难点。 目前国内外对五轴铣削仿真的研究主要集中在几何验证方面，物理仿真大多仅局限在三轴上，还不能对五轴加工做出准确预测。本文采用算法分析和实验验证相结合的思路，将五轴数控虚拟加工中的几何分析与物理仿真过程综合进行考虑，研究了几何仿真与动态显示技术、基于图像分析的干涉检测算法、五轴铣削力模型的建立以及加工参数的非线性优化等虚拟加工关键技术，主要研究内容和成果如下: 为使仿真系统能够准确地模拟和分析实际加工过程，设计了一个以仿真数据库为中心的系统结构模型，实现了几何仿真和物理仿真的紧密集成。几何仿真系统的主要任务是为物理仿真系统提供必要的切削几何信息（包括参与切削的切削刃微元的分布与数目以及径向未变形切屑厚度沿切削刃的变化），同时完成对加工工件的更新显示;物理仿真系统的主要任务是利用几何仿真系统提供的切削几何信息，采用适当的铣削力模型仿真预测加工中的铣削力，优化切削加工参数。 在几何仿真方面，采用了一种基于深度元素模型的球头刀空间扫描体构造方法，将球头刀分解为相应的球头部分和圆柱体部分，分别给出球体和圆柱体空间扫描体构造公式并求解出表面模型，将其离散为深度元素模型，通过与工件模型之间的布尔运算实现材料去除过程;为克服传统图像空间仿真算法在动态可视化方面必须重构模型的局限性，提出一种将仿真过程中的深度元素模型转化为STL面模型的方法，从而可完整实现变视向的可视化算法，在加工仿真过程中可对工件进行旋转与缩放操作，从而提高了验证效率与检验效果。 提出了一种基于图像分析的五轴加工全局干涉检测算法。该算法结合了图形硬件的绘制加速性能和层次二叉树的简化优势来提高物体间碰撞检测的速度，将三维几何物体通过图形硬件投影绘制到图像平面上，降维得到二维的图像空间，利用图形硬件对物体的二维图像采样和相应的深度信息来判别两物体之间的相交情况，然后通过对保存在各类缓存中的信息进行查询和分析，检测出物体之间是否发生干涉。干涉检测前先将加工环境进行裁减，然后采用干涉分析图的初步检测与最短距离矢量计算的详细检测方法，有效提高了干涉检测的效率与精度。 在球头铣刀铣削力建模与仿真方面，在刀具五轴运动模型基础上，提出了一种面向球头铣刀的五轴铣削力模型。基于深度元素模型，提出了一种切削几何信息提取方法，采用逆向投影，充分利用几何仿真求交计算中所产生的数据用于确定刀具与工件接触区域，转换得到铣削力模型所需的几何信息，实现了仿真系统综合模型中几何仿真和力学仿真的信息接口。在铣削力系数模型中考虑了不同工况条件对铣削力模型的影响，结合正交试验设计与多元统计回归分析方法，采用偏最小二乘法对铣削力系数模型进行参数识别。实验证明，该仿真方法是正确可靠的。 在五轴铣削加工参数优化方面，分别采用序列二次规划方法和多约束自适应控制算法对进给率进行非线性优化。初步优化的结果使加工轨迹的每一个刀位点都对应一个不同的进给速度，这会造成频繁的加减速和速度波动，对工件表面质量造成不良影响。因此本文提出一种对进给速度进行二次优化的滤波控制算法，将高频连续变化的进给速度优化为低频分段变化的进给速度，从而可以满足进给速度平滑过渡的要求。通过修改NC程序反映优化结果，并通过加工实验验证了优化效果。 本文在五轴铣削几何分析和物理仿真方面所进行的创新与改进工作，将对研究开发新一代具有自主知识产权的数控加工仿真系统具有重要的理论与应用价值。