随着制造领域的发展,机器人铣削加工广泛应用于航空航天、能源和船舶等领域,船用螺旋桨机器人铣削替代目前的人工打磨和数控机床加工,成为一种新型加工方式。提高机器人末端刚性和获取机器人末端动力学特性是目前大型复杂零件机器人铣削加工领域亟待解决的共性问题。机器人的刚性较弱,动力学特性随末端位置而改变,影响了机器人加工质量,基于刚度性能指数优化机器人加工刚性以及准确预测机器人刀尖点频响是主要的研究手段,但目前的研究缺乏量化机器人铣削刚度性能的指数、刀尖点频响的预测精度和效率不能满足要求。本文利用实验和建模,研究机器人力变形规律,结合铣削表征机器人刚度随姿态和加工条件变化的特性,研究动力学特性在工作空间的变化及对加工的影响,将理论研究应用于机器人加工优化中,主要内容如下:提出了机器人铣削加工的力方向刚度性能指数,分析了刚度性能指数在工作空间、任务平面、加工曲面的分布特性。基于铣削加工的力-变形特征,考虑机器人铣削加工切削力多变的特点、机器人铣削加工中曲面路径上的法向变形对加工精度的影响和机器人铣削加工曲面路径上法平面内不同方向的刚度差异对模态耦合特性的影响,提出了机器人综合刚度性能指数、法向刚度性能指数和主方向刚度指数,结合铣削加工条件,分析不同姿态下综合刚度性能指数在笛卡尔空间的分布、不同关节转角对适于加工的区域的影响,分析不同高度的工作平面法向刚度性能指数的分布、不同冗余角对法向刚度性能指数在工作平面上分布的影响,分析不同进给方向对主方向刚度指数在参数曲面上分布的影响。提出了基于二叉树法的机器人任意姿态下刀尖频响预测方法。进行了大量锤击实验,得到的频响结果表明机器人刀尖动态特性呈现随姿态而变化的特点。针对连杆和转动关节部件组成的机器人,以0°或90°机器人姿态下的锤击实验获取的频响函数为基础,建立单自由度机器人任意姿态下刀柄频响预测模型,利用二叉树的排列、分层思想,将该模型扩展到六自由度机器人刀柄频响的预测,建立了任意姿态机器人刀柄频响解析表达式,考虑刀柄与刀具的耦合关系,结合刀柄频响基于RCSA法提出六自由度机器人任意姿态下刀尖频响预测模型。采用激光位移传感器和加速度传感器分别测量刀尖的低频、高频频响,验证了频响预测模型的正确性。分析了机器人不同姿态下刀尖频响的特点,探究了不同关节的转角对动刚度的影响。针对船用螺旋桨机器人铣削加工,提出了刀轴矢量、冗余角和进给方向优化模型。螺旋桨叶面区域加工的效率和精度非常重要,基于稳定性分析,建立刀具与工件的切触区域并计算不同刀轴矢量的最大切削深度和切削面积,提出最优材料去除率的机器人铣削刀轴矢量优化模型,缩短机器人铣削加工周期,在刀轴矢量确定的基础上,不改变刀位点和刀轴矢量,针对机器人的弱刚性,以最大法向刚度性能指数为目标提出及机器人冗余角优化模型,减小法向加工变形。螺旋桨叶根区域加工,低速铣削易引起模态耦合颤振,推导在主方向坐标系下机器人铣削二维模态耦合颤振发生条件,分析了加工进给方向对模态耦合颤振状态的影响,提出了无颤振铣削加工的机器人进给方向优化的模型。实现面向船用螺旋桨的机器人铣削加工的工艺验证。搭建了船用螺旋桨机器人铣削加工系统,介绍了加工系统的组成结构,构建了加工系统的坐标系体系,提出了采用激光跟踪仪标定坐标系的方法。开发了机器人铣削CAM软件,实现机器人多轴加工刀具路径规划,包含轨迹规划,机器人冗余角、刀轴矢量、进给方向优化、加工性能评估以及加工过程监测等功能。在螺旋桨加工现场开展了多型号船用螺旋桨机器人铣削加工工艺验证。