深水油气的开发已经成为世界石油工业的焦点,而海底输油管道作为深水油气开发建设的重要组成部分则需要一套自动连接设备,深水螺栓法兰自动连接机具是海底管道对接的核心机具。本文源自国家工业和信息化部项目专题二“深水水下连接器及其配套工机具设计关键技术研究”的子课题“螺栓法兰式连接系统设计关键技术研究”项目,要求设计一套适用于1500米水深的螺栓法兰式水下连接器及其配套工具,进而提高我国在深海油气开发领域的技术水平,降低海上油气开采的成本。本文综述螺栓法兰自动连接机具的国内外研究现状,根据法兰连接的技术要求和相应的参数确定,结合第一台陆上样机的实验收获做出了机具的总体设计。对螺栓库、螺母库及拉伸器库等模块进行详细的分析和三维设计,并根据其结构设计阐述了法兰连接机具的作业流程。根据深水螺栓法兰自动连接机具的总体结构设计,对其关键部件进行力学分析。对运动支撑机构的周向旋转机构和轴向推进机构进行力学分析,并对液压缸及液压马达进行选型;此外还对卡爪机构进行力学分析以及对机具的重要部件进行强度和刚度的校核,保证结构的合理性和可靠性。结合工作要求和复杂的作业环境,设计了一套螺栓引入螺母机构,对螺栓引入螺母的运动过程进行分析并结合运动过程涉及的问题建立数学模型,运用ADAMS动力学仿真软件对其作业过程进行动力学仿真,得出螺栓旋入螺母的速度、位移曲线,弹簧压缩、变形曲线,螺母与螺栓的碰撞力曲线。并针对该机构进行样机试验,通过实验结论得到结构设计的合理性。针对螺母旋入螺栓的同步性进行控制研究,确定一种改进型的多马达相邻交叉耦合同步控制方案,建立了阀控马达位置伺服系统的数学模型,通过新型指数趋近律的滑模控制方法对控制器进行设计,并借助MATLAB/simulink软件以四个马达为例进行同步控制系统仿真,验证其同步控制性能的精度和稳定性。