振动辅助加工技术作为目前最具有发展前景的先进加工技术之一,被广泛应用在具有复杂结构的自由曲面超精密加工之中。基于此技术的三维振动装置常常作为振动辅助设备来改善传统设备的机械加工性能,用来加工多种难以加工的材料以及超精密微结构表面等。在振动辅助加工技术不断的发展过程中,对精度、效率等提出了更高的要求。针对这种需求,本文设计了一种三维振动辅助加工系统来实现复杂的结构型表面加工,主要研究内容如下:(1)为了提高振动辅助加工系统精度和避免加工过程中的力扰动问题,本文共设计了两种三维振动装置。其中一种控制简单,相对输出高刚度较高;另一种为轴对称结构运行精度较高。采用全柔度矩阵法(MCM)、有限元法对三维振动装置的静力学性能进行了分析。然后,利用能量法、有限元法及实验的手段对装置进行了动力学分析。最后,采用这两种装置辅助数控机床搭建起了两套三维振动辅助加工系统。(2)针对结构型表面的加工,本文提出了结构型表面的加工路径规划方法,探究了影响工件表面的加工路径的主要因素。通过仿真讨论了振动参数对装置输出轨迹的影响规律,阐述了各因素对于工件表面加工路径的表面覆盖率、均匀程度等影响规律。提出了一种工具路径规划方法,建立了加工路径和工具路径之间的数学模型,揭示了不同工具和工件对加工路径的影响规律,验证工具路径方法的普适性。最后,建立了振动辅助加工结构型表面的理论模型,探讨了各因素对生成结构形貌和尺寸的影响规律。(3)通过实验对三维振动辅助加工系统核心部件即三维振动装置进行了动力学、输出响应、直线性能、解耦性能等主要性能进行了测试。实验表明其动力学性能与理论动力学仿真性能一致,装置具有较高的精度和灵敏度。同时给出了几组空间实测轨迹,并且利用已搭建好的三维振动辅助加工系统实施了三维振动辅助刻划和三维振动辅助铣削和抛光等实验。在铝合金工件上成功制备了具有明显周期性结构的表面纹理。本文通过对三维振动辅助加工系统理论分析和实验研究,主要得出如下三个结论:(1)本文设计的三维振动装置相对于传统的微动装置具有输出刚度高、精度高和输出频率高的特点,能够减少输出端受加工力扰动问题。(2)本文所设计的新型三维振动装置具有轴向对称结构,表征其在力学性能上呈现轴对称形式。此外轴对称结构有利于装置运行精度的提高。压电陶瓷置于运动机构外侧,减少了运动质量,使得其具有较高的固有频率(3)针对结构型表面加工建立了路径规划方法、工具路径生成方法,提出了结构型表面生成理论,揭示了加工参数与结构成形的内在关系。