随着智能制造的飞速发展,我国工业4.0已逐步瞄准被誉为“大国重器”的超大型构件,在国防军工、轨道交通、航空航天、船舶航海等领域均有广泛应用。传统的人工加工,效率低下,对劳动力经验要求高;同时由于劳动繁重,现场条件恶劣,具有一定危险性,不满足我国日益增长的生产力需求,亟待进行智能化产线升级。本文以超大型构件的机器人加工系统为研究对象,结合自动化加工、测量技术,研发了一整套针对超大型构件的机器人加工系统及方法。考虑到机器人加工系统的弱刚性,将机器人加工系统刚度区分为扩展轴结构刚度与机器人本体静刚度。依据结构刚度与最小质量原则,对扩展轴进行结构优化设计;以机器人本体静刚度为对象,对加工系统进行优化。在扩展轴结构优化部分,本文对不同结构形式的机器人扩展轴进行方案对比分析,针对机器人竖直加工范围较小以及机器人扩展轴的弯扭复合变形问题,将响应面法与结构拓扑相结合,提出一种抬高式重载机器人第七轴全局优化设计方案。将扩展轴系统划分为基座与加高座结构件两个模块,分别对其关键尺寸进行参数化处理,同时通过Box-Behnken方法设计试验采样,建立基于多元二次线性回归方程的二阶响应面模型,结合输出的灵敏度分析结果建立强响应因素3D响应云图,采用遗传算法分别对各模块响应面求最优Pareto解,根据易加工原则,确定关键尺寸,完成尺寸优化。最后对加高座结构件模型进行拓扑优化分析,去除设计域冗余材料并结合实际加工情况,进行模型重构,得到最优设计方案。在机器人刚度性能研究部分,本文以机器人静刚度理论为依据,引入灵巧度指标,对高灵巧度位姿关节刚度进行辨识,以机器人基坐标系下,轴向铣削力方向上柔度椭球的轴长乘轴向铣削力为依据,建立考虑铣削力方向的定向刚度性能指标,并通过实际加工进行验证,提出机器人铣削刚度位姿优化方法。