本研究以图论、组合论和模糊数学理论为基础,运用机构配置矩阵、树图等工具研究四轴有换刀臂加工中心的机构拓扑结构、换刀动作及运动链结构。将拓扑结构特性、换刀动作特性以及运动链设计特点三部分基础内容相融合,研究以加工中心为典型机构的开链机构运动方案创新设计。运用模糊数学理论,初步提出适于加工中心运动方案的分层次模糊综合评价方法和运动方案优度计算公式,并对可行运动方案进行了初步的综合评价。其主要过程如下:首先针对现有的加工中心做广泛的资料收集和分析整理,利用机构配置矩阵和图论理论分析加工中心的拓扑结构和换刀动作、得出拓扑结构特性和换刀动作特性。运用功能分析法揭示ATC换刀的基本规律,根据换刀动作和方向性提出换刀动作类型以及动作顺序,作为加工中心动作综合以及运动方案设计的基础。利用构型码和形状创成函数从机构运动链的角度研究加工中心运动链的设计需求和限制条件,将其拓扑结构特性和换刀动作特性相融合并转化为基于树图的特殊化规则和设计限制条件,将适用于三轴、四轴无换刀臂加工中心运动方案的创新设计方法进一步拓展,并以实例说明设计方法和设计步骤,系统地得出四轴有换刀臂加工中心的运动方案。最后根据模糊数学理论,应用模糊综合评价方法,通过求算比较矩阵的最大特征值所对应的特征向量,确定出每一层次的全部评价因素相对重要性次序的权值,用数学的方法将运动方案的定性分析进行定量化处理,将优度的概念和计算方法应用于加工中心运动方案的评价,做为设计方案的评价指标,运动方案优度是0-1之间的一个数值,数值越接近1,该方案的合理程度越好。本研究所提出的设计和评价方法可以用于其它不同运动轴配置的机床运动方案的设计及评价,并可推广应用到其它具有拓扑及动作要求的开链机构运动方案的分析设计和对运动方案的评价优选。本文的结论对新型加工中心的开发和设计将有一定的借鉴意义。