本文密切结合航空航天大型铝合金结构件高速铣削加工的需求,系统研究一种新型三自由度并联动力头——A3头的运动学性能评价、刚度建模与快速预估以及基于静刚度约束的轻量化设计方法,将研究成果应用于A3头样机的改进设计。全文得到成果如下:在运动学性能评价方面,构造出主动和被动关节变量位置逆解模型,可用于揭示主动与被动关节变量随尺度参数和位形的变化规律;建立了一种评价A3头这类位姿耦合机构运动学性能的无量纲指标,揭示出归一化尺度参数对该指标的影响规律。上述工作为在轻量化设计中正确设置几何约束和运动学性能约束提供了重要依据。在静刚度半解析建模方法研究方面,构造出考虑全部运动部件重力的关节力与操作力映射模型,得到支链重力可等效为作用在动平台参考点的外力旋量的重要结论;建立了关节变形与末端变形间的映射模型,其将末端变形分解为由作用在动平台参考点等效外力旋量引起的变形和由支链分布重力在约束方向上引起的变形两部分。在此基础上,建立了各子装配体在局部坐标系下的柔度与界面柔度间的映射模型,并借助线性叠加原理构造出A3头静刚度半解析模型。所建模型计及了重力场的影响,可实现对全域静刚度,以及由切削载荷和重力场引起变形的快速预估。在界面柔度快速精确预估方法研究方面,提出一种具有分层递阶格式的界面柔度预估策略和单自由度运动副有限元精细建模方法,可有效提高界面柔度计算精度与效率。在此基础上,提出一种计算支链中各零部件柔度的计算流程,仅需一次有限元建模便可计算出支链中全部零部件的局部柔度。该方法的有效性已通过静、动态试验得到了验证。利用所提出的刚度半解析建模方法,揭示出影响A3头末端刚度的薄弱环节,以及不同构件重力对末端变形的贡献,为样机的改进设计提供了重要的依据。在轻量化设计方法研究方面,针对航空结构件5轴联动数控加工需求,提出一种基于静刚度约束的轻量化设计思想,并构造出相应的优化数学模型和具有分层递阶格式的优化流程。利用界面刚度可分解为驱动和约束刚度的特点以及串联弹簧系统刚度取决于其中刚度最低者的力学原理,分别提出界面驱动应与约束刚度应相互匹配,支链中各子装配体刚度应相互匹配的设计准则。在构造相应几何约束和刚度约束基础上,利用响应面分析和多岛遗传算法实现了A3头的优化设计。计算机仿真表明,在整机质量几乎不变的前提下,末端刚度提高1倍以上,低阶固有频率提高36%,进而验证了所提出轻量化设计思想、方法和流程的可行性和有效性。本文研究成果已用于一台A3头数字样机的改进设计,对丰富和发展这类高速加工装备的设计理论与方法,推进其在航空制造领域中的应用具有重要的理论意义与实用价值。