管道是海洋油气资源的主要输送媒介,我国在海洋油气输送管道铺设和连接技术方面与国外存在较大差距。本文针对国家工信部“水下螺栓法兰连接机具关键技术研究与样机研制”项目,在对水下螺栓法兰连接机具相关关键技术分析的基础上,结合机具的作业要求,研制出一套试验样机,对提高我国在该领域的技术水平具有重要意义。本文首先介绍了国内外法兰连接机具发展现状并分析了各自的特点。结合课题要求,参考国内外相关技术,提出了水下螺栓法兰连接机具的总体设计方案,并规划了机具的作业流程。对机具的主要功能模块:运动承载及驱动机构、定位机构、引入机构和螺栓拉伸机构等进行分析和设计,在此基础上,对机具的液压系统和控制系统作总体介绍。根据法兰连接机具的螺母引入机构,分别对螺母引入螺栓过程和螺母库库体闭合过程进行动力学分析。一方面,建立螺母与螺栓碰撞过程数学模型,运用Adams对螺母引入过程进行动力学仿真,得到螺母与套筒的位移、速度曲线,螺栓与螺母碰撞力曲线,弹簧受力与变形曲线,并通过螺母引入过程样机试验,进一步验证设计的可行性。另一方面,通过对螺母库库体闭合过程的动力学分析,建立了库体闭合过程中库体角速度、活塞杆推力与铰链位置、库体转角之间的关系,在相关条件的约束下,以库体刚要闭合时的角速度和活塞杆推力最小为优化目标,对开合机构铰链位置进行优化,最后运用Adams对优化结果进行动力学仿真验证。根据螺栓引入机构的结构特点和作业要求,分析影响螺栓对孔精度的误差因素,运用齐次坐标变换方法建立螺栓对孔空间误差模型。基于敏感度分析理论,对影响螺栓对孔精度的关键误差项进行识别。在此基础上,以原始精度参数经验设计值为参考,对螺栓引入机构的精度参数进行优配。根据法兰连接机具的作业流程,进行管道法兰水下连接试验,并获取库体闭合过程中库体角速度、活塞杆推力,螺母引入过程中库体和螺母速度,弹簧受力与变形、马达转速等数据,试验结果表明机具能顺利完成法兰连接任务,满足设计要求。针对法兰连接试验中马达同步运动性差的问题,建立阀控马达速度伺服系统数学模型,通过对多种同步控制方案的比较分析,确定了相邻交叉耦合的同步控制方案。设计了模糊PID跟踪误差控制器和PI加权因子同步误差控制器,以四马达同步系统为例,运用Matlab/simulink仿真验证了所设计控制器的同步控制性能。