水轮机组在运转工作过程中,往往会受到水流中泥沙等杂质的影响,造成水轮机叶片不同程度的气蚀和磨损破坏,严重降低了发电效率。故经过一定的工作周期就要进行停机维修,水轮机组的大规模维修周期通常为4~5年,每次大修约耗时4个月,影响了水轮机组的有效发电时间。当前我国水轮机叶片的维修作业主要采用人工作业,不仅修复效率低,而且操作空间狭小、工作环境恶劣,对工人的身体健康造成严重威胁。此外,对于堆焊修复后的水轮机叶片进行人工打磨作业,打磨后的叶片表面形状很难和原设计形状吻合,改变了水轮机组原始的过流状态,因而降低水轮机发电功率。因此,对于受损水轮机组叶片进行高效率与高质量的修复作业,已成为亟待解决的现实问题。本课题在深入了解水轮机组转轮、叶片结构以及对比分析国内外现有水轮机修复机器人特点的基础上,设计了一种基于移动平台的空间复杂曲面机器人虚拟样机。通过机器人操作臂可直接对机坑内受损的水轮机叶片进行修复作业,无需将转轮从机坑内吊出并转移到维修厂房内进行维修,从而使水轮机组叶片的维修工作具有安全、高效、便捷、低能耗等特点。首先,根据机坑内工作空间相对狭小的问题,对于修复机器人主要部分—操作臂进行整体布局规划,并对关节驱动进行研究。通过建模与仿真分析一体化的软件Solidworks建立机器人虚拟模型,对主要零部件进行虚拟建模以完成总装配,借助Simulation有限元分析系统进行模态振动研究。然后,通过D-H运动学理论建立其运动学模型,完成修复机器人正运动学分析以确定末端坐标系与基坐标系的位姿关系,并通过MATLAB Robotics Toolbox验证。通过机器人逆运动学研究,可知该机器人能够完成修复作业,又可以在某关节发生故障时完成修复作业。其次,对于该修复机器人的应用研究,主要是对预先规划的堆焊、打磨路径轨迹进行运动学仿真。依据水轮机组叶片堆焊和打磨维修工艺的区别,在ADAMS仿真软件中分别进行机器人虚拟样机的堆焊与打磨作业应用研究。最后,分别构建堆焊与打磨作业系统框架,根据不同的修复作业流程,对实际作业中传感器的应用与选型进行分析,选取最适合的堆焊电源并对堆焊最佳参数进行实验研究,为实体样机的应用与开发做铺垫。