不规则曲面雕刻艺术品,例如葫芦雕、核桃雕等,因其内涵丰富、寓意深刻、极富美学魅力而深受人们的喜爱,需求量巨大。手工雕刻早已不能满足批量生产的要求,取而代之的是雕刻机进行自动雕刻。而现有的雕刻机大多采用龙门架式结构,雕刻刀只能沿着固定轨道移动,加工的灵活性和机动性不足,误差大且精度低,从而导致图案的失真。针对这一问题,本文提出一种基于3-PRR并联机构的不规则曲面雕刻机,能够实现曲面随形雕刻功能,对3-PRR并联机构进行运动学分析,并通过葫芦雕实例进行验证。本文主要研究内容如下:首先,基于并联机构灵活性好、精度高等优点,设计了一种基于3-PRR并联机构的不规则曲面雕刻机,简称3-PRR雕刻机。3-PRR雕刻机由雕刻装置、夹持装置和支撑装置三部分组成。3-PRR并联机构是雕刻装置的主体,其所有转动副轴线相互平行,具有2T1R共3个自由度。通过3-PRR并联机构与夹持装置旋转轴的协调运动,3-PRR雕刻机可以实时调整刀具轴线与被加工曲面表面的角度,从而有效避免图案的失真问题,实现对不规则曲面物体的精准雕刻。其次,对雕刻机的雕刻主体3-PRR并联机构进行运动学分析。运用螺旋理论和修正的G-K公式求解机构的自由度,通过分析机构本身的结构,采用粒子群优化算法和闭环矢量法分别求解机构的位置正、逆解,并进行数值算例计算。基于位置逆解表达式求得机构的雅克比矩阵,采用雅克比代数法对机构的奇异位形进行了分析,避免工作时出现奇异位形。采用三维动态法和数值搜索法求解机构的可达工作空间,所得结果表明该机构具有较大的可达工作空间。然后,对3-PRR并联机构的速度、加速度进行分析,得到机构的一阶、二阶影响系数矩阵;对机构动平台和各支链受力情况进行分析,得到机构各驱动分支上所受到的等效驱动力,运用虚功原理法建立该机构的动力学模型。综合运用ADAMS和Solid Works软件,建立3-PRR雕刻机的虚拟样机,对机构进行正向运动学仿真分析,得到雕刻机雕刻刀头的位移、速度、加速度等变化曲线;对机构进行逆向运动学仿真分析,得到机构各支链驱动输入的变化情况;对机构进行动力学仿真,得到各支链在受到外力作用的情况下驱动力的变化情况。最后,分析了3-PRR雕刻机的曲面随形雕刻原理。通过机构本身约束以及数值法求解3-PRR并联机构的位姿来实现随形雕刻功能,推导3-PRR雕刻机各驱动输入与雕刻图案之间的关系。给出了一个在葫芦表面镂空雕的实例,其雕刻刀轴线与雕刻点表面的角度为90°,根据待雕刻的给定图案,得到了雕刻机各驱动的驱动输入。运用Solid Works软件中的Motion分析模块进行了实验验证,证明了3-PRR雕刻机能够准确地实现在不规则曲面上的随形雕刻。