随着机器人技术的快速发展,机器人越来越多地应用于加工领域。与传统的数控机床相比,机器人加工具有加工成本低、工作空间大、高柔性的优点,多应用于大尺寸的复杂曲面加工领域及大型工件的钻削加工领域。但是,由于刚度的限制,机器人加工主要针对低切削力和较低精度要求的零件加工领域。目前的机器人加工系统大多使用传统数控系统领域中的ISO6983标准（G/M代码）作为编程数据接口,首先使用CAD/CAM系统生成零件加工刀具轨迹数据及G代码指令,然后使用专用的机器人后处理系统将G代码转换成机器人运动指令,驱动机器人完成零件的加工。由于G代码中只包含刀具运动指令而不包含其他任何高层次加工信息,且各厂家G代码格式不统一,使得不同的机器人之间加工程序不能实现共享与交换,且机器人加工系统不能与CAD/CAM系统集成,不利于实现智能化,限制了机器人在加工领域内的发展。STEP-NC标准是在数控加工领域出现的新的编程接口标准,它基于STEP标准实现了数控加工领域中产品信息描述的标准化和完整性,为实现数控系统的智能化、集成化、柔性化和开放性奠定了基础。由于机器人作为加工机器与数控机床具有相似的控制原理,因此本文将STEP-NC标准应用于机器人加工领域。随着STEP-NC标准的不断发展与完善,以及STEP-NC标准在数控加工领域中的逐渐应用,如何将STEP-NC标准应用于机器人加工领域,以及如何扩展STEP-NC标准使之更适合于机器人加工,满足机器人加工技术发展的需求,仍然是需要深入研究的问题。本文基于STEP-NC标准,从机器人结构及运动学建模理论入手,对STEP-NC标准应用于加工机器人所涉及的关键技术进行了深入的研究,并通过仿真、实验和综合分析的方法对所研究的理论、方法及技术进行了验证,为基于STEP-NC的机器人加工控制系统的构建提供了理论基础,为机器人加工技术的实现提供了技术基础,扩展了 STEP-NC标准的应用范围,促进了 STEP-NC标准的进一步发展。全文的主要研究内容如下:（1）论述了课题研究的背景及意义,分析了机器人加工关键技术的国内外研究现状,通过分析当前机器人加工系统中所存在的问题,指出研究基于STEP-NC的机器人加工技术的必要性和先进性。（2）为了解决目前机器人加工编程接口标准所存在的问题,将STEP-NC标准引入机器人加工领域,在分析STEP-NC数据模型的基础上,对其进行了扩展,增加了机器人加工相关数据模型的定义,使得机器人加工系统支持STEP-NC数据模型。通过对STEP-NC数据模型的扩展,解决了机器人加工系统与C AD/CAM系统的集成问题。（3）针对机器人加工系统的实现问题,在深入分析系统功能需求的基础上,提出了基于STEP-NC的机器人加工CAM系统架构,系统以STEP-NC文件信息解析模块为基础,对系统主要模块的功能模型进行了详细深入的研究。为了提高系统的通用性和可移植性,采用面向对象技术、组件技术,并使用C#和C++语言构建了基于STEP-NC的机器人CAM原型系统,实现了系统模块的各项功能。（4）基于机器人STEP-NC数据模型,对基于STEP-NC的加工机器人运动学建模问题进行研究,为了克服常用的D-H法的缺点,在分析机器人结构的基础上,采用旋量法对机器人正运动学进行建模。在此基础上,针对机器人运动学逆解问题,为了消除逆解问题对子问题的依赖,基于旋量法与递推公式法推导了机器人逆运动学求解方法,算法推导简单,容易实现,求解精度高,运算速度快,有利于提高机器人加工的实时性。基于旋量指数积公式对串联机器人雅克比矩阵进行求解,并分析了机器人的奇异位形,并利用MATLAB对机器人的奇异性进行了仿真分析,仿真结果验证了分析结果的正确性。（5）针对基于STEP-NC的机器人加工程序的生成问题,基于STEP-NC文件中的加工信息及机器人信息,首先对机器人任务空间轨迹进行规划,然后将任务空间轨迹转化到关节空间,采用机器人逆运动学求解算法将刀位点轨迹转化到关节空间;将刀轴矢量通过旋转坐标变换变换为机器人旋转矩阵,并结合基于旋量的机器人正运动学方程求取关节角,此角度值作为求运动学逆解的约束,以保证机器人加工时刀轴矢量相对于工件表面不变。接着对关节轨迹进行插补计算,求得插补点坐标。最后,将插补点坐标按照机器人程序规则生成机器人加工程序。为了提高机器人加工轨迹的平滑性,采用7次NURBS曲线构建机器人关节空间轨迹。为了提高加工机器人的加工效率以及加工平稳性,对机器人关节加工轨迹进行了优化,基于骨干粒子群优化算法提出了一种自适应罚函数的约束多目标骨干粒子群优化算法,对机器人加工过程中的时间、速度、加速度、加加速度等指标进行多目标优化,从而保证机器人加工程序具有良好的平稳性。（6）为了验证本文方法的正确性和有效性,搭建了机器人实验平台,并在该平台上进行了机器人加工零件的实验,验证了基于STEP-NC的机器人加工CAM系统的各项功能。