搅拌摩擦焊是一种先进、绿色、可靠的焊接技术,在国内外汽车制造中得到日益广泛的应用。现有搅拌摩擦焊设备多数只能适应于规则焊缝焊接,缺少工艺柔性,难以适应复杂三维空间内曲面焊接。本文以面向汽车零部件焊接的刚柔协作混联机器人为背景,针对3CD/3UPS-UP刚柔协作混联机构,对开发过程中遇到的问题与难点进行了研究。该机器人除了具备并联机器人刚度大和精度高的特点,冗余柔索驱动部分还增加了整机的承载能力,能够达到曲面搅拌摩擦焊接的目的。本文的主要内容如下:(1)针对单轴肩焊接中易出现未焊透和需要复杂的夹具工装等问题,发明设计了一种浮动式双静止轴肩搅拌摩擦焊接用搅拌头,并对双轴肩搅拌头进行了力学分析,建立搅拌头受力模型和产热模型,研究了该模型的数值模拟结果,通过数值模拟的数据与实测数据对比分析得到了搅拌摩擦焊工艺参数与产热的关系,随着搅拌头的转速提高,热输入量呈先增后减趋势,并且轴肩为焊接主要的产热部位,这为搅拌摩擦焊设备开发提供了理论依据。(2)针对汽车铝合金部件的焊接需求,提出了刚柔协作3CD/3UPS-UP混联机器人进构型并进行了运动学逆解的求解,根据该构型进行搅拌摩擦焊混联机器人系统方案设计。利用Solidworks对搅拌摩擦焊机器人的定平台、动平台、球铰链、柔索连接装置和牵引装置等关键零部件进行了结构设计和工程图纸的出图,为样机的加工和搭建奠定基础。(3)通过拆解方法分别建立了3CD和3UPS-UP混联机构的静力学模型,用Adams仿真软件,建立汽车轮毂算例模型,通过仿真的结果与Matlab计算的静力学模型结果对比验证,验证了模型的正确性。并研究了关键零部件球铰链和驱动支链中U副的受力情况,根据分析结果可以得到随着工作位置的降低,这些关键零部件承受的载荷增大,在X、Y平面内受力的变化幅度越大。为工作中判断关键零部件容易失效的位置和物理样机标准件的选型作了参考。(4)通过Workbench软件对主进给机构的初始位置进行应力和变形分析,根据云图结果对结构进行改进,将改进前后的结果进行对比可以看出主进给机构力学性能得到提升。并对改进后的主进给机构任意极限位置进行应力和变形分析,分析云图得出主进给机构满足设计要求。通过主进给机构的模态分析,得到了主进给机构前六阶模态振型图和共振频率。(5)为了后期混联搅拌摩擦焊机器人实验分析,对主进给机构进行了加工和装配,针对整机的设计要求对驱动和部分零件外购的选型,得到了实际可用于焊接的并联机构的样机。并且设计了刚柔协作机器人的控制系统方案,以此为后期刚柔协作混联搅拌摩擦焊机器人的力/位混合控制开发研究和实验奠定基础。