随着社会进步和人们生活水平的提高,宝石需求量会不断增加,宝石生产量大和宝石切磨师人员短缺的矛盾对宝石加工的自动化提出了更高的要求,由此提出了宝石加工机器人开发的需求。本文根据宝石加工的工艺要求,结合机器人相关技术知识,在应用于宝石加工的机器人机构、各种琢型加工算法、宝石加工的机器人控制系统等几个主要方面进行了研究。本文分析了现有的宝石刻面设备结构和工作原理,从提高自动化程度,提高生产效率和精度,减少劳动量出发,同时依据模块化设计思想,确定了宝石刻面加工机器人的总体结构方案；设计了各功能模块,并经过推导给出相关模块的性能指标。通过对整个机器人的主体结构进行有限元分析,证明了设计的机器人主体刚度满足宝石加工的精度需求。基于所研发的机器人,运用变换矩阵计算方法,建立了机器人的运动学分析模型,并且对运动学模型求解进行了计算。由此推导出宝石加工过程中常用的表面如平面、圆柱面、球面、旋转椭球面、椭球面的加工算法,同时也推导出了本机器人能够加工的二维凸曲面和三维自由凸曲面的加工算法,为完善扩展宝石刻面加工机器人的加工能力打下数学基础。对宝石常用的琢型进行了轨迹规划研究,基于平面加工的算法和宝石的加工工艺要求,确定了刻面琢型加工轨迹的流程以及凸曲面的轨迹生成等,并给出了走刀加工步长和加工行距的计算公式。考虑到宝石的计算机辅助设计,同时根据机器人控制的要求,本文采用PC作为上位机监控管理和PCI运动控制器实时控制的控制系统方案,完成控制系统硬件平台搭建。选择VC++作为系统软件开发平台,结合模块化的设计思想,给出了软件的总体结构,将上位机程序分为参数设置、文件管理、运行控制、状态显示等四大部分,其中,在手动控制部分采用专用机床的设计思想进行了定制,采用手动过程中有自动控制的部分,自动控制中有手动干预的方案,以适用于宝石特殊的加工要求。搭建了宝石刻面加工机器人研究试验平台,在此平台上选用有典型意义的柱面、16分度小面和57面圆钻琢型进行磨削和抛光试验,得到的一系列数据和结果验证了所开发的宝石刻面加工机器人的实用性、可靠性和算法的正确性。