近年来,人们对精美的雕刻产品需求越来越大,然而雕刻产品生产工艺复杂,传统手工制作和常规机床加工都不适合雕刻行业的曲面加工和立体雕刻,因此提出了一种由龙门架和并联工作头组成的混联机器人作为新型的雕刻加工设备。本文以新型五自由度混联机器人为研究对象,围绕混联机器人的力学特性和结构优化问题进行了深入研究。通过静力分析,获得机器人的应力、应变、位移的分布规律;通过模态分析,求得机器人固有频率,为避免共振提供依据;最后对机器人进行了结构优化,在保证强度和刚度的前提下,减少了重量。具体做了以下几方面工作:首先,了解了机器人的机械结构,对并联工作头和龙门架进行了受力分析。运用机器人空间坐标转换原理和静力学逆解方程,推导出切削力和驱动力之间的映射关系;通过驱动力仿真计算,求出并联工作头在整个工作空间驱动力的分布情况,从而确定各杆所受最大驱动力及所在位姿;应用理论力学平衡方程求解出机架对龙门架的支反力,以及并联工作头对龙门架的作用力,为后续强度、刚度校核提供依据。然后,为获得机器人静力学特性,应用有限元分析软件ANSYS Workbench对机器人进行有限元静力学分析。先通过三维设计软件SolidWorks建立混联机器人的简化模型,再导入ANSYS Workbench进行静力学分析,可以得到并联工作头和龙门架上应力、应变、位移的最大值和相应位置,然后对混联机器人进行强度、刚度、压杆稳定的校核。其次,为了验证混联机器人是否会产生共振,对其进行了模态分析。通过有限元软件的模态分析模块,获得混联机器人正常工作时的固有频率和振型;通过与伺服电机和电主轴引起的激振频率进行对比,验证是否会产生共振,若产生共振,则采取措施避免。最后,为了减轻并联头、龙门架的自重,从而减少因其过大的惯性力对加工精度产生的影响,对混联机器人进行了结构优化。采用拓扑优化方法,并在ANSYS Workbench软件的拓扑优化模块中进行计算,在保证强度和刚度满足正常工作要求的前提下,以减少自重为目标,通过循环反复优化过程,获得更合理的结构。经研究表明,本文对混联机器人的受力分析与静力学特性研究结果,能较好的反映机构的实际情况;混联机器人在最大驱动力作用下仍能满足强度和刚度的要求;混联机器人的二阶固有频率跟外界激振相近,应采取减振措施来避免共振;通过结构优化,使混联机器人重量减少了 20%-40%。