搅拌摩擦焊（Friction Stir Welding）简称FSW,是一种新型的焊接技术。主要用于航空航天、造船、轨道交通与汽车行业。随着FSW技术的不断发展,FSW产品复杂度不断上升,对FSW机床和焊接过程控制提出了更高的要求,当今国内大部分FSW机床的设计是基于文本的设计方式,存在天然的缺陷,不能应对复杂产品的挑战,而且设备缺乏对过程变量的监控,开放程度较低,故需要基于模型的系统思想,设计一种开放式的FSW机床,使其能适应复杂产品的挑战。本文主要研究内容如下:首先采用基于模型的系统工程建模方法,从用户需求开始,经过运行分析、系统分析、逻辑架构、物理架构,建立了机床的系统模型,从而明确系统任务与系统功能,确定了机床的设计方案。然后引入领域模型概念,得到领域模型技术要求,为后续领域建模指明方向。其次对机械领域模型中的运动学模型进行详细设计,利用D-H法建立了机床的运动学正逆向模型;介绍一种圆弧切线跟踪方法,并选择二维焊接轨迹,通过控制三维模型进行运动仿真模拟;针对提出的运动学模型轨迹精度要求进行实验,测试了重复定位精度,最终满足了设计要求。然后对机械领域模型中的动力学模型进行详细设计,通过拉格朗日法建立了机床的动力学模型,通过分析机床实际工况与结构特点建立了刚柔耦合模型,并在典型工况下对进行了动力学仿真,得到了各个关节宏观驱动扭矩以及焊接精度,满足了动力学模型设计要求。随后对电气控制系统架构模型与软件界面模型进行详细。建立了基于Ether CAT的开放式伺服控制系统、焊接数据监测界面、点动控制界面与焊接加工操作界面。最后进行实际焊接实验,测试了圆弧切线跟踪方法,并分析位移、受力与扭矩数据,得到了轨迹精度、理论和仿真扭矩相对实际扭矩的偏差。利用预测评价指标,进行定量分析,满足了轨迹精度与扭矩偏差的要求。