本文密切结合我国高端制造领域中对大型复杂结构件高性能现场加工的需求,系统研究了一种新型五自由度混联加工机器人——Tri Mule的整机弹性动力学建模、铣削稳定性分析,以及被加工表面三维形貌创成与表征的理论与方法,并开展了相关综合实验验证。全文取得了以下创新性成果:在弹性动力学建模方面,提出了一种可有效刻画Tri Mule机器人全部低阶模态的最小自由度弹性动力学半解析建模方法。该方法一方面借助子结构综合技术构造支链体超单元模型,保证精度的同时大幅降低了自由度数目;另一方面借助微小位移旋量/力旋量的对偶关系,构造出并联闭环运动链中从动关节的通用刚度模型,力学概念清晰,可有效简化子结构间的组集手续。计算机仿真与实验结果表明,半解析模型可快速准确地预估机器人在工作空间全域内的低阶动力学行为,与实验结果在固有频率、模态振型及末端频响函数方面有很好的一致性。此外,研究结果还表明,驱动支链的一阶弯曲模态对刀尖点的低阶动态特性有一定影响,在建模时应予以考虑。上述模型及分析结果为该机器人的铣削加工稳定性分析及表面形貌预测奠定了坚实的理论基础。在铣削稳定性分析方面,建立了虑及刀具刀柄动特性的机器人系统动力学模型,进而构造出考虑动态切厚再生效应及振型耦合效应的铣削过程动力学方程。据此,借助零阶频域法和改进的时域全离散法系统研究了Tri Mule机器人的铣削稳定性,前者可直接得到极限切深的解析解答,而后者可借助稀疏矩阵乘法操作有效提高计算效率。计算机仿真与实验结果表明,在高转速大径向切深铣削铝合金时,稳定域边界由机器人系统高阶模态主导,且不随位形变化;在低转速小径向切深铣削钛合金时,稳定域边界由机器人系统低阶模态主导,且随位形变化。此外,两种工况下各组切削实验的实测切削状态与理论预测结果具有良好的一致性。上述模型及方法可全面揭示铣削稳定性随位形的变化规律,为实现该机器人稳定铣削加工提供了重要的理论与实验依据。在被加工表面三维形貌建模方面,分析了参与切削刀具段上不同位置的激励及振动响应,推导出考虑Tri Mule机器人系统动态特性影响的刀齿运动轨迹解析表达式。据此,借助牛顿迭代法提出了一种用表面轮廓值创成三维表面形貌的数值算法。该方法应用闭区间连续函数零点存在定理,可有效解决迭代初值设定问题,具有较高的精度。计算机仿真与实验结果表明,在低转速小径向切深铣削钛合金时,被加工表面的位置误差和粗糙度与机器人系统低阶动态特性密切相关,理论预测值与实验值的最大偏差分别为18%及15%。研究结果还表明,平均表面位置误差与粗糙度均方根误差在工作空间中的分布与系统低阶模态最大动柔度分布呈正比。上述模型及方法可全面揭示表面形貌特征随位形及工艺参数的变化规律,为客观评价该机器人的铣削加工质量提供了有效的技术手段。上述研究成果为实现Tri Mule机器人高性能铣削加工提供了技术支撑,对促进该机器人的工程应用具有重要的理论意义和实用价值。