为了满足现代船舶行业高制造质量、高装配效率的要求,应用自动化焊接装备完成船体焊接作业是一个重要途径。国外造船强国对自动化焊接装备的研发和应用已经达到了较高的水平,而国内仍大量采用人工焊接和半自动焊接的方式,导致船舶制造质量差、效率低。本文紧密结合了国内造船厂对自动化焊接装备的迫切需求,以用于超大船体分段横焊缝的专用焊接机器人为研究对象,对焊接机器人的机械结构、运动学、多层多道焊自主规划等内容展开研究。针对船体横焊缝自动化焊接的实际要求,提出了焊接机器人的功能需求和性能指标,构建了一种轻量化的轨道式五轴焊接机器人方案,对机器人本体、柔性轨道的组成结构和功能进行了详细阐述并介绍了整机的工作过程。根据焊接机器人结构模型,建立了基于改进D-H参数法的运动学模型,详细推导了运动学方程正逆解的计算方法。利用数值法对焊接机器人的工作空间进行分析,验证了整机满足船体横焊缝的焊接范围要求。针对实际横焊缝的形状特征,提出了基于焊枪末端接触式传感的坡口模型检测算法,推导了两种不同衬垫下坡口尺寸的计算方法。同时在简化焊道形状的基础上,提出了一种层间等高、层内等面积的多层多道焊道排布算法,进而确定了每条焊道路径点的位姿。利用MATLAB对不同尺寸的坡口进行焊道排布仿真研究,验证了算法的正确性,为焊接机器人运动控制奠定基础。根据实际焊接作业的精度需求,采用样条插值方法对焊接机器人任务空间和关节空间进行轨迹规划,利用MATLAB对不同截面数的坡口进行轨迹规划仿真研究,并设计了多层多道焊自主规划软件系统。最后,利用样机进行了焊接试验研究,结果表明,焊缝成形致密且美观,焊接效率比人工提高了1~2倍,证明了焊接机器人系统的可行性。