提高加工质量和效率,充分满足产品的生产需求是制造技术发展永恒的主题。目前,自由曲面抛光仍以手工加工为主,加工效率低、抛光精度不高并且稳定性差。为此,本论文以研制一台自由曲面自动化抛光装备为中心,结合超精密抛光技术、串联机器人技术、并联机器人技术、数控加工技术,提出一种新型串并联抛光机床的设计方案,开展串并联机构的运动学、静刚度、误差标定以及离线编程等理论分析和研究。在此基础上,完成一台串并联抛光机床的设计、搭建和调试工作,并通过标定实验和抛光实验,验证理论分析的正确性以及机床的有效性。全文的理论、应用研究内容以及成果主要包括以下几个方面:从自由曲面抛光的任务需求出发,提出一种基于六自由度串并联机构的抛光机床设计方案,主要包括实现抛光工具姿态调整的两自由度串联机构、实现工件位置调整的三自由度并联机构以及为方便抛光回转曲面而提供冗余转动的附属支链。抛光工具采用柔性球形抛光头,安装时其球心与串联机构两正交转轴轴线的交点重合,使得多轴联动过程中抛光工具相对工件的位置调整和姿态调整具有解耦特性。考虑到方案中并联机构和串联机构在结构上的独立性以及运动上的解耦性,分别基于空间闭环矢量法和指数积公式,系统地分析并联机构和串联机构的位置、速度、奇异性、工作空间以及灵巧性等运动学特性。由于机床采用卧式布局,提出一种考虑运动零部件重力影响的串并联机床静刚度半解析建模方法。通过将串并联机构依次在主动关节和被动关节处断开,把整机分解为若干个子装配体,每个子装配体包含一个或一组主动关节或被动关节,考虑到机床末端外载荷及各运动零部件重力影响,通过静力学分析分别求解各关节处的约束力。利用有限元法构造各子装配体在其局部坐标系中的柔度矩阵,再通过虚功原理分别求出各子装配体弹性变形对机床末端变形的影响。在小变形的前提下,借助线性叠加原理求出所有子装配体弹性变形导致的机床末端总变形,进而得到考虑重力影响的串并联机床整机刚度模型。为了补偿机床的几何误差,提出一种基于球杆仪测量距离信息的串并联机床几何误差综合标定方法。基于空间闭环矢量法和指数积公式,分别建立并联机构和串联机构的误差模型,并将影响末端位置误差和姿态误差的误差源分离。基于球杆仪的测量原理,借助并联机构和串联机构的位置误差模型,建立整机几何误差和球杆仪长度变化值的之间的映射关系,并通过理论分析去掉误差向量中的冗余项,得到包含全部独立参数的误差模型,进而可通过最小二乘法快速准确辨识出误差参数。通过修正机床操作空间中的位姿的方法,提出一种分步解耦的误差补偿策略,避免实际并联机构和串联机构联动过程造成的位姿耦合问题,简化误差补偿模型。为了实现抛光程序的编制,提出一种包含几何误差补偿功能的串并联机床数控程序离线编程方法。针对抛光的工艺特点,基于曲面信息、抛光策略、抛光轨迹、工艺参数等,研究工件坐标系中抛光头刀位文件生成算法。结合机床的几何误差补偿策略和理论运动学模型,开发带有误差补偿功能的串并联抛光机床专用后置处理模块,将机床操作空间内修正后的刀位文件转换为机床各独立驱动关节的运动。考虑数控系统特性,将各驱动关节的运动数据进行格式转换,并添加相应的辅助信息,生成多轴联动数控程序。基于上述方法,开发一套离线编程软件,实现被抛光曲面、工艺参数向数控程序的直接转换。根据所提出的串并联抛光机床的设计方案,对机床的机械系统、控制系统以及电气系统的进行详细设计和选型工作,在此基础上搭建一台六自由度串并联抛光机床,完成系统集成及整机调试工作。针对所搭建的机床,利用球杆仪开展误差标定实验,辨识出机床的几何误差。选择合理的抛光工艺参数,借助开发的离线编程软件,生成加工程序并控制机床多轴联动实现平面和马鞍形曲面抛光。实验过程中抛光头相对工件能够按照规划的轨迹运动,压缩量稳定,验证运动学标定算法和离线编程方法的正确性。实验结果表明抛光后不同材料、不同面型的零件表面粗糙度和最大轮廓高度均大幅度降低,验证机床的有效性和实用性。