螺栓联接是航空发动机重要部位的主要联接方式,螺母的拧紧质量直接影响着整个发动机的性能。航空发动机的转子内腔空间狭小,限制了装配工具的运动空间。机械臂与传统拧紧工具相比控制精度较高,刚度和强度较好。因此,研究受限空间下大力矩输出的螺母拧紧机械臂有重要的理论意义和工程价值。本文针对航空发动机关键部位螺母自动化拧紧问题,建立和分析了四自由度螺母拧紧机械臂的静力学、运动学和动力学模型,设计和制造了一套高精度、全自动、在狭窄空间输出大扭矩的螺母拧紧机械臂工程样机,进行了实验验证。本文的主要研究工作包括以下几个方面:1、分析了国内外机械臂的相关研究工作和螺母拧紧扭矩曲线,针对螺母拧紧机械臂受限空间工作和大力矩输出的研制需求,提出了一种新的机械臂构型,设计了机械臂的结构,对螺母拧紧机械臂进行了静力学分析,对系统和关键零件进行了有限元仿真和校核,验证了机械臂具有足够的强度和刚度。2、确定了四自由度螺母拧紧机械臂的D-H参数,推导了机械臂的位姿矩阵,构建了机械臂的运动学模型,计算了机械臂的正解、逆解、雅克比矩阵和工作空间等参数,进行了机械臂点到点的轨迹规划仿真,分析了机械臂在受限空间下运动的可行性,为动力学分析提供了基础。3、在静力学和运动学分析工作的基础上,分析推导了螺母拧紧机械臂的动力学方程,建立了螺母拧紧机械臂的动力学模型,研究了机械臂运动过程中的关节角位移、角速度和驱动力矩的数值和变化趋势,验证了机械臂关节电机和减速器选型的正确性。4、基于倍福公司的软硬件开发平台,设计开发了基于工业PC和现场总线的螺母拧紧机械臂控制系统,仿真并实时实现了多项式轨迹规划算法,仿真验证了力矩控制PID方法,整定了PID参数,实验测定和分析了螺母拧紧曲线,验证了大力矩作用下螺母的性能变化规律。