近年来，由于国内外汽车产业和相关制造业的发展，引发了对喷涂机器人的广泛需求。但国内研发的喷涂机器人的稳定性和精度难以得到应有的保证，且在喷涂过程中有很多因素影响喷涂效果和质量，如喷枪的姿态和速度、喷枪两轨迹的重叠区域等直接影响涂层的厚度和其均匀性，同时由于自由曲面复杂的几何性质，从而引发了由人工示教的喷枪运行轨迹精度不高，喷涂效果和涂层质量不理想。而从国外引进的喷涂机器人亦由于文化和技术的差异，面临消化难、维修难、升级难的通病。 本文针对以上问题，探讨如何研究和设计一台稳定性和末端喷枪运行轨迹精度较高的喷涂机器人系统结构；并研究了对于自由曲面而言，取得最佳喷涂效果(漆膜厚度的均匀性)的喷枪最优轨迹的相关问题和方法。 首先，本文分别从系统构形和传动方案等方面分析提高总体稳定性和精度的方法，在对喷涂机器人的腕部结构、小臂结构、大臂结构、底座结构进行分析和研究的基础上，构建了一台六自由度的喷涂机器人的总体系统结构，并给出了CAD系统结构图。并利用与SolidWorks完全集成的设计分析工具——COSMOSWorks，分别对手腕基体、小臂基体、大臂基体进行了静态受力分析，分析结果显示位移和应力都符合设计要求和精度要求。接着，本文分析和研究了在喷涂过程中，喷枪的位姿、速度和路径轨迹的重叠区域等对喷涂效果和质量的影响，依据有限范围油漆生长速率模型和喷枪的轴线与局部曲面法线向量角度最小的条件下，对喷涂模型曲面进行局部的近似平面分割，以取得路径的节点和喷枪的姿态向量。并在满足漆膜厚度的前提下，以工件表面上实际漆膜厚度与平均漆膜厚度方差最小为目标函数，依据黄金分割法对路径重叠距离和速度进行优化，从而生成喷枪的最优空间轨迹。最后利用MATLAB对小汽车引擎罩曲面模型进行喷涂漆膜厚度的仿真，论证了以上方法的可行性，并取得不错的喷涂效果和质量。