CN105798903B - 一种钻台面摆管机械手 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及石油装备技术领域，尤其是一种钻台面摆管机械手。其包括：底座、旋转台、旋转驱动机构、夹爪、机械臂和电控柜，机械臂主要由固定座、前臂、后臂、前臂连杆、后臂连杆、前臂油缸、后臂油缸和连接板组成。它通过直线移动机构可实现该钻台面摆管机械手的水平移动；旋转驱动机构采用带有编码器的回转减速器，结构可靠、紧凑、可以精确控制回转角度；通过第一平行四边形和第二平行四边形及它们共用的连接板可使夹爪始终保持水平状态，通过第一角度测量装置和第二角度测量装置及控制器可控制前臂油缸和后臂油缸两者间的行程关系，实现夹爪的水平直线移动，使机械手的伸出和缩回更平稳；夹爪的结构紧凑，占用空间小。

Description

一种钻台面摆管机械手
技术领域
本发明涉及石油装备技术领域，尤其是一种钻台面摆管机械手。
背景技术
在石油钻井过程中，需要多名操作人员辅助进行上钻杆、钻杆进小鼠洞、方钻杆进大鼠洞、接钻杆对扣、排立柱、下立柱、完井甩钻杆等工作。
在钻杆操作的过程中，由于钻杆比较长，钻杆的摆动幅度较大，由人工辅助作业安全隐患较大；并且需要多名操作人员辅助，浪费人力，工作效率较低。
发明内容
本发明旨在解决上述问题，提供了一种钻台面摆管机械手，其结构布局合理，通过直线移动机构可实现该钻台面摆管机械手的水平移动，实现钻台面摆管机械手正对指梁；旋转驱动机构采用回转减速器，结构可靠、紧凑；回转减速器上带有编码器，可以精确控制回转角度；通过第一平行四边形和第二平行四边形及它们共用的连接板可使夹爪始终保持水平状态，通过第一角度测量装置和第二角度测量装置及控制器可控制和调整前臂油缸和后臂油缸两者间的行程关系，实现夹爪的水平直线移动，使机械手的伸出和缩回更平稳；夹爪的结构紧凑，占用空间小，其采用的技术方案如下：
一种钻台面摆管机械手，其特征在于，包括：
底座；
旋转台，其可转动地安装于底座上，所述旋转台上固接有机架；
用于驱动旋转台相对底座转动的旋转驱动机构；
夹爪，其固接于夹爪座上；
机械臂，其主要由固定座、前臂、后臂、前臂连杆、后臂连杆、用于驱动前臂相对后臂转动的前臂油缸、用于驱动后臂相对固定座转动的后臂油缸和连接板组成，所述固定座固接于机架上，所述后臂顶端与固定座相铰接，铰接点为第一铰接点；后臂底端通过转轴与前臂的底端相铰接，铰接点为第二铰接点；所述连接板转动连接于转轴上，所述后臂连杆顶端与固定座相铰接，铰接点为第三铰接点；后臂连杆底端与连接板的第一端相铰接，铰接点为第四铰接点；所述前臂连杆底端与连接板的第二端相铰接，铰接点为第五铰接点，前臂连杆顶端与夹爪座相铰接，铰接点为第六铰接点；所述前臂的顶端与夹爪座相铰接，铰接点为第七铰接点；所述后臂油缸一端与固定座相铰接，另一端与后臂相铰接，所述前臂油缸一端与后臂相铰接，另一端与前臂相铰接；所述第一铰接点、第二铰接点、第四铰接点和第三铰接点依次连线组成第一平行四边形，所述第二铰接点、第五铰接点、第六铰接点和第七铰接点依次连线组成第二平行四边形；
和电控柜。
为了增强结构的稳固性，所述机架为门型框架结构，其由两条立柱和一条横梁一体构成，所述固定座固定安装于横梁上。
在上述技术方案基础上，所述夹爪水平固定于夹爪座上。
在上述技术方案基础上，所述第一平行四边形与第二平行四边形以通过第二铰接点的竖直线为对称轴轴对称。
为了提高前臂和后臂的结构强度，所述后臂和前臂为箱梁式结构，为了整体的美观，所述前臂连杆位于前臂中，所述后臂连杆位于后臂中。
为了进一步提高前臂和后臂的结构强度，所述后臂和前臂的内部固定设置有若干横向的加强板，在所述加强板上开设有供前臂连杆和后臂连杆穿过的通孔，所述通孔的长度应大于前臂连杆和后臂连杆的直径，从而可使前臂连杆及后臂连杆可在通孔内活动。
在上述技术方案基础上，所述固定座和后臂相铰接的位置处设置有用于测量后臂相对固定座的角度值或角度变化值的第一角度测量装置，所述前臂和后臂相铰接的位置处设置有用于测量前臂相对后臂的角度值或角度变化值的第二角度测量装置。
在上述技术方案基础上，所述第一角度测量装置和第二角度测量装置均为编码器。
在上述技术方案基础上，所述电控柜中的控制器根据第一角度测量装置和第二角度测量装置所测量的值，控制前臂油缸的伸缩量和后臂油缸的伸缩量使夹爪始终水平直线运动。
在上述技术方案基础上，所述夹爪包括：夹爪臂、夹爪中间体、夹爪油缸、夹爪臂连杆、连接件和连接杆，所述夹爪中间体固接于夹爪座上，所述夹爪油缸固定设置于夹爪中间体中，所述连接件与夹爪油缸活塞杆的自由端相连接，所述夹爪臂连杆一端与连接件相铰接，另一端与夹爪臂相铰接；所述连接杆一端与夹爪臂相铰接，另一端与夹爪中间体相铰接；以相互连接的夹爪臂连杆、夹爪臂和连接杆为一组，共两组对称设置于夹爪中间体两侧。
优选的，所述连接杆至少为四条，位于夹爪中间体同一侧的连接杆之间相互平行。如此可提高夹持的稳固性。
优选的，所述夹爪中间体的前端面为弧形，其上固定有弧形的第一柔性垫，所述夹爪臂的夹持面为弧形，所述夹持面上固定有弧形的第二柔性垫。
在上述技术方案基础上，所述夹爪还包括用于观察夹爪臂夹持状态的摄像头，所述摄像头安装于夹爪中间体上。
在上述技术方案基础上，所述夹爪还包括接近开关，所述接近开关安装于夹爪座上。
在上述技术方案基础上，所述夹爪臂的末端可拆卸连接有用于使夹爪臂可适应夹持较小直径管柱的可更换拓展块。
在上述技术方案基础上，所述旋转驱动机构包括带有编码器的回转减速器和驱动电机，所述驱动电机和回转减速器安装于底座上，所述驱动电机通过回转减速器驱动旋转台旋转。
在上述技术方案基础上，该钻台面摆管机械手还包括用于驱动底座作直线运动的直线移动机构，所述直线移动机构主要由直线导轨、马达、齿轮和齿条组成，所述直线导轨和齿条固定安装于钻井平台的甲板上，所述底座与直线导轨滑动连接，所述马达安装于底座上，所述齿轮由马达驱动并与齿条相啮合。
在上述技术方案基础上，所述前臂的底端向后延伸形成延伸部，所述前臂油缸的底端与延伸部相铰接，铰接点位于第二铰接点的后方；所述前臂油缸和后臂油缸均设置于后臂的后方。通过延伸部实现了可将前臂油缸设置于后臂的后方处，相比将前臂油缸设置于后臂的前方处，结构更紧凑，占用空间更小。
本发明具有如下优点：结构布局合理，通过直线移动机构可实现该钻台面摆管机械手的水平移动，实现钻台面摆管机械手正对指梁；旋转驱动机构采用回转减速器，结构可靠、紧凑；回转减速器上带有编码器，可以精确控制回转角度；通过第一平行四边形和第二平行四边形及它们共用的连接板可使夹爪始终保持水平状态，通过第一角度测量装置和第二角度测量装置及控制器可控制和调整前臂油缸和后臂油缸两者间的行程关系，实现夹爪的水平直线移动，使机械手的伸出和缩回更平稳；夹爪的结构紧凑，占用空间小。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一种实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。
图1：本发明的立体结构示意图；
图2：本发明的侧视结构示意图；
图3：本发明所述机械臂的结构示意图；
图4：本发明所述机械臂一个动作过程的机构简图；
图5：本发明所述夹爪的俯视结构示意图；
图6：图5的A-A向剖面结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步说明：
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“前”、“后”、“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1至图3所示，一种钻台面摆管机械手，其特征在于，包括：
底座1；
旋转台2，其可转动地安装于底座1上，所述旋转台2上固接有机架3；
用于驱动旋转台2相对底座1转动的旋转驱动机构；
夹爪4，其固接于夹爪座40上；
机械臂5，其主要由固定座17、前臂10、后臂11、前臂连杆12、后臂连杆13、用于驱动前臂相对后臂转动的前臂油缸14、用于驱动后臂相对固定座17转动的后臂油缸15和连接板16组成，所述固定座17固接于机架3上，所述后臂11顶端与固定座17相铰接，铰接点为第一铰接点A1；后臂11底端通过转轴18与前臂10的底端相铰接，铰接点为第二铰接点A2；所述连接板16转动连接于转轴18上，所述后臂连杆13顶端与固定座17相铰接，铰接点为第三铰接点A3；后臂连杆13底端与连接板16的第一端相铰接，铰接点为第四铰接点A4；所述前臂连杆12底端与连接板16的第二端相铰接，铰接点为第五铰接点B1，前臂连杆12顶端与夹爪座40相铰接，铰接点为第六铰接点B2；所述前臂10的顶端与夹爪座40相铰接，铰接点为第七铰接点B3；所述后臂油缸15一端与固定座17相铰接，另一端与后臂11相铰接，所述前臂油缸14一端与后臂11相铰接，另一端与前臂10相铰接；所述第一铰接点A1、第二铰接点A2、第四铰接点A4和第三铰接点A3依次连线组成第一平行四边形，所述第二铰接点A2、第五铰接点B1、第六铰接点B2和第七铰接点B3依次连线组成第二平行四边形；
和电控柜6。
优选的，所述夹爪4水平固定于夹爪座40上。
优选的，所述机架3为门型框架结构，其由两条立柱和一条横梁一体构成，所述固定座固定安装于横梁上。
优选的，所述第一平行四边形与第二平行四边形以通过第二铰接点A2的竖直线为对称轴轴对称。
为了提高前臂和后臂的结构强度，所述后臂和前臂为箱梁式结构，为了整体的美观，所述前臂连杆12位于前臂10中，所述后臂连杆13位于后臂11中；
为了进一步提高前臂和后臂的结构强度，所述后臂和前臂的内部固定设置有若干横向的加强板，在所述加强板上开设有供前臂连杆12和后臂连杆13穿过的通孔，所述通孔的长度大于前臂连杆12和后臂连杆13的直径。
优选的，所述固定座17和后臂11相铰接的位置处设置有用于测量后臂11相对固定座17角度值或角度变化值的第一角度测量装置，所述前臂10和后臂11相铰接的位置处设置有用于测量前臂10相对后臂11角度值或角度变化值的第二角度测量装置。
优选的，所述第一角度测量装置和第二角度测量装置均为编码器(绝对式编码器或增量式编码器)。
优选的，所述电控柜6中的控制器根据第一角度测量装置和第二角度测量装置所测量的值，控制前臂油缸14的伸缩量和后臂油缸15的伸缩量使夹爪4始终水平直线运动。
如图4所示，由于第一平行四边形的上短边A1A3是固定的，根据平行四边形特征第一平行四边形的两条短边相对水平线的角度始终是不变的，由于第一平行四边形和第二平行四边形共用同一连接板16，故第二平行四边形的下短边A2B1相对水平线的角度始终是不变的，根据平行四边形的特性，进而第二平行四边形的上短边B2B3相对水平线的角度也是始终不变的，故通过两个平行四边形的结构及共用的连接板16保证了在钻台面摆管机械手工作过程中，无论前臂油缸14和后臂油缸15如何动作，夹爪4始终保持水平状态。
同时，控制器通过第一角度测量装置和第二角度测量装置反馈的角度值，并根据预设于控制器中两角度之间的关系式，控制前臂油缸14的伸缩量和后臂油缸15的伸缩量使夹爪4始终水平直线运动。
如图5和图6所示，优选的，所述夹爪4包括：夹爪臂41、夹爪中间体42、夹爪油缸43、夹爪臂连杆44、连接件45和连接杆46，所述夹爪中间体42固接于夹爪座40上，所述夹爪油缸43固定设置于夹爪中间体42中，所述连接件45与夹爪油缸43活塞杆的自由端相连接，所述夹爪臂连杆44一端与连接件45相铰接，另一端与夹爪臂41相铰接；所述连接杆46一端与夹爪臂41相铰接，另一端与夹爪中间体42相铰接；以相互连接的夹爪臂连杆44、夹爪臂41和连接杆46为一组，共两组对称设置于夹爪中间体42两侧。结构紧凑，占用空间小。
优选的，所述连接杆46至少为四条，位于夹爪中间体42同一侧的连接杆46之间相互平行。通过虚约束可提高夹持的稳固性。
优选的，所述夹爪中间体42的前端面为弧形，其上固定有弧形的第一柔性垫50，所述夹爪臂41的夹持面为弧形，所述夹持面上固定有弧形的第二柔性垫51。当夹爪中间体42和夹爪臂41受到冲击力时，第一柔性垫50和第二柔性垫51进行缓冲保护夹爪中间体42和夹爪臂41。
优选的，所述夹爪4还包括用于观察夹爪臂41夹持状态的摄像头47，所述摄像头47安装于夹爪中间体42上。
优选的，所述夹爪4还包括接近开关48，所述接近开关48安装于夹爪座40上。
优选的，所述夹爪臂41的末端可拆卸连接有用于使夹爪臂41可适应夹持较小直径管柱的可更换拓展块49。
进一步，所述旋转驱动机构包括带有编码器的回转减速器8和驱动电机，所述驱动电机和回转减速器安装于底座1上，所述驱动电机通过回转减速器驱动旋转台2旋转。结构可靠、紧凑；回转减速器上带有的编码器，可以精确控制回转角度。
进一步，还包括用于驱动底座1作直线运动的直线移动机构，所述直线移动机构主要由直线导轨、马达、齿轮和齿条组成，所述直线导轨和齿条固定安装于钻井平台的甲板上，所述底座1与直线导轨滑动连接，所述马达安装于底座1上，所述齿轮由马达驱动并与齿条相啮合。如此可实现该钻台面摆管机械手的水平移动，实现钻台面摆管机械手正对指梁。
再进一步，所述前臂10的底端向后延伸形成延伸部100，所述前臂油缸14的底端与延伸部100相铰接，铰接点位于第二铰接点A2的后方；所述前臂油缸14和后臂油缸15均设置于后臂11的后方。通过延伸部实现了可将前臂油缸设置于后臂的后方处，相比将前臂油缸设置于后臂的前方处，结构更紧凑，占用空间更小。
上面以举例方式对本发明进行了说明，但本发明不限于上述具体实施例，凡基于本发明所做的任何改动或变型均属于本发明要求保护的范围。

Claims (1)

1.一种钻台面摆管机械手，其特征在于，包括：
底座(1)；
旋转台(2)，其可转动地安装于底座(1)上，所述旋转台(2)上固接有机架(3)；所述机架(3)为门型框架结构，其由两条立柱和一条横梁一体构成；
用于驱动旋转台(2)相对底座(1)转动的旋转驱动机构；
夹爪(4)，其固接于夹爪座(40)上；所述夹爪(4)水平固定于夹爪座(40)上；
机械臂(5)，其主要由固定座(17)、前臂(10)、后臂(11)、前臂连杆(12)、后臂连杆(13)、用于驱动前臂相对后臂转动的前臂油缸(14)、用于驱动后臂相对固定座(17)转动的后臂油缸(15)和连接板(16)组成，所述固定座(17)固接于机架(3)上，所述后臂(11)顶端与固定座(17)相铰接，铰接点为第一铰接点(A1)；后臂(11)底端通过转轴(18)与前臂(10)的底端相铰接，铰接点为第二铰接点(A2)；所述连接板(16)转动连接于转轴(18)上，所述后臂连杆(13)顶端与固定座(17)相铰接，铰接点为第三铰接点(A3)；后臂连杆(13)底端与连接板(16)的第一端相铰接，铰接点为第四铰接点(A4)；所述前臂连杆(12)底端与连接板(16)的第二端相铰接，铰接点为第五铰接点(B1)，前臂连杆(12)顶端与夹爪座(40)相铰接，铰接点为第六铰接点(B2)；所述前臂(10)的顶端与夹爪座(40)相铰接，铰接点为第七铰接点(B3)；所述后臂油缸(15)一端与固定座(17)相铰接，另一端与后臂(11)相铰接，所述前臂油缸(14)一端与后臂(11)相铰接，另一端与前臂(10)相铰接；所述第一铰接点(A1)、第二铰接点(A2)、第四铰接点(A4)和第三铰接点(A3)依次连线组成第一平行四边形，所述第二铰接点(A2)、第五铰接点(B1)、第六铰接点(B2)和第七铰接点(B3)依次连线组成第二平行四边形；所述第一平行四边形与第二平行四边形以通过第二铰接点(A2)的竖直线为对称轴轴对称；所述后臂和前臂为箱梁式结构，所述前臂连杆(12)位于前臂(10)中，所述后臂连杆(13)位于后臂(11)中；
和电控柜(6)；
所述固定座(17)和后臂(11)相铰接的位置处设置有用于测量后臂(11)相对固定座(17)的角度值或角度变化值的第一角度测量装置，所述前臂(10)和后臂(11)相铰接的位置处设置有用于测量前臂(10)相对后臂(11)的角度值或角度变化值的第二角度测量装置，所述第一角度测量装置和第二角度测量装置均为编码器，所述电控柜(6)中的控制器根据第一角度测量装置和第二角度测量装置所测量的值，控制前臂油缸(14)的伸缩量和后臂油缸(15)的伸缩量使夹爪(4)始终水平直线运动；所述夹爪(4)包括：夹爪臂(41)、夹爪中间体(42)、夹爪油缸(43)、夹爪臂连杆(44)、连接件(45)和连接杆(46)，所述夹爪中间体(42)固接于夹爪座(40)上，所述夹爪油缸(43)固定设置于夹爪中间体(42)中，所述连接件(45)与夹爪油缸(43)活塞杆的自由端相连接，所述夹爪臂连杆(44)一端与连接件(45)相铰接，另一端与夹爪臂(41)相铰接；所述连接杆(46)一端与夹爪臂(41)相铰接，另一端与夹爪中间体(42)相铰接；以相互连接的夹爪臂连杆(44)、夹爪臂(41)和连接杆(46)为一组，共两组对称设置于夹爪中间体(42)两侧，所述连接杆(46)至少为四条，位于夹爪中间体(42)同一侧的连接杆(46)之间相互平行，所述夹爪中间体(42)的前端面为弧形，其上固定有弧形的第一柔性垫(50)，所述夹爪臂(41)的夹持面为弧形，所述夹持面上固定有弧形的第二柔性垫(51)；所述夹爪(4)还包括用于观察夹爪臂(41)夹持状态的摄像头(47)，所述摄像头(47)安装于夹爪中间体(42)上；所述夹爪(4)还包括接近开关(48)，所述接近开关(48)安装于夹爪座(40)上；所述夹爪臂(41)的末端可拆卸连接有用于使夹爪臂(41)可适应夹持较小直径管柱的可更换拓展块(49)；所述旋转驱动机构包括带有编码器的回转减速器(8)和驱动电机，所述驱动电机和回转减速器安装于底座(1)上，所述驱动电机通过回转减速器驱动旋转台(2)旋转；该钻台面摆管机械手还包括用于驱动底座(1)作直线运动的直线移动机构，所述直线移动机构主要由直线导轨、马达、齿轮和齿条组成，所述直线导轨和齿条固定安装于钻井平台的甲板上，所述底座(1)与直线导轨滑动连接，所述马达安装于底座(1)上，所述齿轮由马达驱动并与齿条相啮合；所述前臂(10)的底端向后延伸形成延伸部(100)，所述前臂油缸(14)的底端与延伸部(100)相铰接，铰接点位于第二铰接点(A2)的后方；所述前臂油缸(14)和后臂油缸(15)均设置于后臂(11)的后方。
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