多轴伺服系统的跟踪误差为当前运动位置到期望位置的误差向量,传统的跟踪控制以跟踪误差来表征控制性能,以减小跟踪误差作为控制的主要目标之一。然而,在多轴伺服系统的加工应用中,工件的表面质量取决于轮廓误差,即系统当前位置到期望轮廓曲线的距离。传统的以减小跟踪误差为目标的控制方法往往不能减小轮廓误差,难以提高加工质量,因此,必须研究对轮廓误差的直接控制。但是,轮廓误差,尤其是加工轮廓为自由曲线时的轮廓误差,计算复杂、计算量大,难以满足在线控制的实时性要求。因此,人们转而研究既具有较高计算精度又能满足实时性的轮廓误差估计方法,将估计的轮廓误差用于实时轮廓控制。当前轮廓控制研究大多面向二维轮廓,针对三维轮廓的研究,存在轮廓误差估计方法精度不足;轮廓控制参数多,整定复杂;轮廓控制方法仅适用于特定的轮廓误差估计方法,不能通用等问题。本论文面向三维轮廓加工控制,针对上述问题,研究了三维轮廓误差的实时估计方法、三维轮廓加工的降维控制方法和交叉耦合控制方法,并在三轴数控机床和并联机器人平台上开展了实验验证。针对现有轮廓误差估计方法大都精度不高、不能应用于三维轮廓的问题,本文基于期望轮廓曲线的局部几何特性,首先提出了一种三维轮廓误差的高精度实时估计方法。在Frenet坐标系下,本文分析了期望轮廓的泰勒展开式,提出了一种基于三阶泰勒展开的标准展开曲线,以在展开点处逼近期望轮廓,并给出了基于标准展开逼近曲线的轮廓误差估计方法。本文从数学表达式和切触阶的概念上,对比了基于切线逼近、密切圆逼近和基于标准展开逼近进行三维轮廓误差估计的区别,指出标准展开逼近在展开点处和期望轮廓具有相同的函数值、曲率和挠率等几何特征,因此更适用于三维轮廓误差的估计。采用基于标准展开逼近的轮廓误差估计方法还可以兼顾期望轮廓的逼近精度和求解轮廓误差的计算效率。针对轮廓控制中参数较多,参数整定复杂的问题,本文提出了基于任务直角坐标系和任务极坐标系的三维轮廓降维控制方法。通过建立移动的任务直角坐标系和任务极坐标系,将系统在世界坐标系下的动力学模型变换到任务直角坐标系或任务极坐标系下,从而实现系统轮廓性能和进给性能的独立控制。在任务直角坐标系下,系统误差被分解为切向误差和法向误差,其中切向误差表征系统的进给性能,法向误差表征系统的轮廓性能。在任务极坐标系下,系统误差被分解为径向误差和角度误差,其中角度误差表征系统的进给性能,径向误差表征系统的轮廓性能。通过在任务直角坐标系和任务极坐标系下的系统动力学控制,原来在世界坐标系下的三维轮廓控制问题可以转换为二维误差的调节问题,通过设计独立的轮廓控制器和进给控制器可以分别调节系统的轮廓性能和进给性能,从而达到降维控制的目的。和传统的任务坐标系相比,本文的任务直角坐标系和任务极坐标系的建立不依赖于轮廓误差估计方法,并且只需要进行二维的控制器设计即可实现三维轮廓的控制,在控制器设计和控制器参数整定方面都得到了简化。通过在三轴数控机床平台上的实验,验证了所提出的任务直角坐标系和任务极坐标系的可行性和优越性,其方法执行时间分别为18微秒和20微秒,可以满足实时计算的要求。由于目前封闭的商用运动控制系统架构难以应用基于动力学的轮廓控制方法,因此,本文在单轴跟踪控制的基础上引入了多轴交叉耦合的轮廓控制方法。针对原交叉耦合控制方法中交叉耦合增益计算复杂的问题,提出了基于轮廓误差矢量投影角的方式计算交叉耦合增益的方法,通过该方法不需要对期望轮廓进行复杂的几何分析,只需要计算出轮廓误差位置的坐标即可计算出交叉耦合增益的值。当采用不同的轮廓误差估计方法或将交叉耦合控制由二维扩展到三维时,系统软件只需要修改对应轮廓误差位置的坐标即可,不需要对程序的其他部分进行修改。此外,通过将跟踪误差和轮廓误差矢量的大小和方向进行分离,提出了一种改进的交叉耦合控制方法,将跟踪误差和轮廓误差看作两个独立的向量进行控制,通过调节跟踪误差控制器的参数和轮廓误差控制器的参数,可以分别调节系统的跟踪性能和轮廓性能。通过三轴数控机床和并联机器人的轮廓控制实验,验证了采用改进的交叉耦合控制方法不但可以简化交叉耦合增益的计算,而且可以简化跟踪误差控制器和轮廓误差控制器的设计和控制器参数的调节。