光学晶体等脆性材料、超硬钢等铁素类材料在精密零件及模具中有广泛的应用，但由于这些材料在切削过程中会导致严重的金刚石刀具磨损，恶化加工表面质量并降低加工精度，现行的切削方法很难获得满意的加工表面。三维椭圆振动切削（Elliptical Vibration Cutting，简称EVC）方法具有抑制金刚石刀具磨损，有效减小切削力、降低切削热等优点，被普遍认为是最具潜力的改善难加工材料切削加工性的一种加工方法。为了利用三维EVC方法有效地改善难加工材料的切削加工性，研制一种高性能的三维EVC装置及测控系统是其关键之一。然而，现有的三维EVC装置在消除各轴之间的运动耦合以及三维EVC参数的可调整性等方面还存在一些问题有待研究解决。因此，本学位论文将致力于研制一种新型三维EVC装置及测控系统，并通过理论分析和模拟、离线性能测试和在机切削加工实验对所研制的三维EVC装置及测控系统进行考证。本文以双排对称柔性铰链机构导向实现三向独立运动，三运动轴相互垂直布置，柔性铰链机构设计为一体式，避免了主体结构的装配误差。驱动形式选择PI公司的PICMA型压电叠堆直接驱动，三向运动轴均采用MicrosenseTMII5300型电容位移传感器检测位移做跟踪反馈。根据布局对柔性铰链机构进行优化设计，以主要部件尺寸为设计变量，应力、频率、弹性回复力等作为限制条件，最小程度减小所需平面内的寄生运动为目标函数，最终得出相应参数的优化值，并求得此优化参数下刚度、频率及最大应力值。根据优化设计结果进行了有限元验证分析和实际刚度测试。分析得出三方向刚度分别为：X向8.5034N/μm，Y向12.3365N/μm，Z向9.5265N/μm，一阶固有频率为：1236Hz。测试得出X、Y、Z三方向测试刚度分别为9.5017N/μm，10.8918N/μm，13.0674N/μm，系统的一阶共振频率为248Hz。由于分析过程中网格划分不够精确，测试过程中装配等原因，导致分析与测试存在误差，但影响不大，能够满足实验要求。为了更好的掌握系统特性，本文进行了系统动力学建模，得出各向传递函数为三阶参数模型。利用MATLAB系统辨识工具箱进行了离线参数辨识，得到了较为精确的辨识结果，X、Y、Z三方向辨识吻合度分别为98.77%、98.66%、99.26%。基于“PMAC+PC”的工作方式进行PID前馈反馈控制系统设计，以试凑法整定PID参数及其他各参数，对装置三方向结构进行了闭环性能测试，三方向相互扰动值均小于5%，验证了三方向运动无耦合；并在不同频率下进行椭圆轨迹合成，得出工作在30Hz频率下，椭圆较为规整，能够满足实验要求。为了验证装置的切削加工性能，本文选择工作频率为30Hz，YX、ZY相位差为π/2，X、Y、Z三方向振幅分别为6μm、8μm、3μm的椭圆参数进行切削加工。选用黄铜和硅片进行平面切削，验证了装置可进行平面三维EVC加工，通过对比实验验证了三维EVC在难加工材料方面的优越性。进行正弦波面切削时，机床运动与EVC装置振动完成椭圆轨迹的合成，以旋转编码器控制采集主轴转角信息，形成触发信号，保证了两者运动的同步性。选用6061铝进行正弦波面切削，结果验证了此装置可实现自由曲面加工。