La mecanización de componentes complejos con características de superficie libre en tres dimensiones enfrenta desafíos científicos significativos, lo que plantea requisitos más altos para el diseño del equipo de mecanizado. Considerando los requisitos de la práctica de ingeniería sobre la capacidad de rotación, la capacidad de movimiento, el rendimiento de rigidez y la masa del equipo, se proponen dos robots de mecanizado paralelos novedosos con cinco grados de libertad (5-DOF) y disposición espacial. Este tipo de robot es aproximadamente simétrico centralmente, con un diseño razonable de restricciones y momentos de conducción, y libera en gran medida la flexibilidad del husillo. Se utiliza un enfoque de optimización multiobjetivo que incorpora el algoritmo NSGA-II para optimizar el rendimiento cinemático de los robots. Según el criterio de equilibrio cooperativo, se seleccionan y contrastan los parámetros óptimos del prototipo virtual para los dos tipos de robots. Luego, se verifica el rendimiento estático del prototipo virtual más óptimo utilizando análisis de elementos finitos. La simulación numérica demuestra que el robot de mecanizado 5-DOF diseñado ofrece un comportamiento estático y flexibilidad satisfactorios, lo que tiene un valor de aplicación significativo.