CN110077838A - 一种修井作业油管抓取移运试验装置 - Google Patents

Abstract

一种修井作业油管抓取移运试验装置。主要目的在于提供一种能够实现六个自由度的运动，可完成油管在管排架和井口间的可靠移运和准确就位的装置。该装置主要由夹管机械手、机械手摆动机构、机械臂回转机构、底盘旋转机构、折叠升降机构和底座运输机构组成；夹管机械手采用气缸驱动连杆机构，机械手摆动机构、机械臂回转机构均通过伺服电机驱动，前者电机输出轴与机械手气缸同轴线安装，后者电机输出轴与机械手气缸轴线垂直；底盘旋转机构利用两个伺服电机分别驱动蜗轮蜗杆机构和齿轮齿条机构；折叠升降机构利用液压缸驱动铰接杆件，可实现装置的升降；底座运输机构采用液压缸驱动直线滑轨的方式，可调节装置与井口的前后距离。

Description

一种修井作业油管抓取移运试验装置

技术领域

本发明涉及一种修井作业油管抓取移运装置，属于油管移运设备技术领域。

背景技术

现有钻修井作业管柱移运自动化系统主要可分为动力猫道移送型、平行连杆机构移送型、大臂旋转移送型、管柱垂直移送型和井架机械手移送型等几类，但是自由度较少，一般只能实现管柱从管排架到井口的移运，管柱就位井口的操作一般还需要井口作业工人手动拉靠就位或井口辅助机械手来实现管柱的对中。因此，为了研发新的修井作业机械化系统，本发明提供了一种修井作业机械化设备的试验研究平台，可以帮助试验人员对修井作业工艺及机械化作业设备的控制方法和性能进行研究和改进，从而进一步提高修井作业机械自动化实用程度，降低劳动强度，提高作业效率。

发明内容

为了解决背景技术中所提到的技术问题，本发明提供一种修井作业油管抓取移运试验装置，该种装置在空间可以实现六个自由度的运动，能够完成油管在管排架和井口间的可靠移运和准确就位，为现场修井作业中油管移运装置的研发提供了一种可靠的技术参考。

本发明的技术方案是：该种修井作业油管抓取移运试验装置，包括夹管机械手1、机械手摆动机构2、机械臂回转机构3、底盘旋转机构4、折叠升降机构5和底座运输机构6；其特征在于：

所述夹管机械手1，包括气缸8、支撑板9、套筒10、连接头11、上机械手爪12、下机械手爪13以及连接杆14组成；其中，支撑板9通过螺钉固定于气缸8的端盖端面处，连接头11先套在气缸8的活塞杆上，再由螺母与活塞杆外螺纹配合压紧；四根机械爪连接杆14的一端与连接头11相配合，通过螺母螺栓连接，另一端则分别与上机械手爪12和下机械手爪13配合，通过螺母螺栓连接；上机械手爪12、下机械手爪13与支撑板9通过螺母螺栓连接，手爪与支撑板9之间的套筒10起到机械手爪固定作用；

所述机械手摆动机构2，包括伺服电机17、箱体18、深沟球轴承20、连接盘21、端盖22、摆动输出轴23和深沟球轴承24；其中，伺服电机17与摆动机构箱体18通过螺钉固定连接，伺服电机17的输出轴与摆动输出轴23通过键19连接；深沟球轴承20、深沟球轴承24与摆动机构箱体18、摆动输出轴23配合安装；摆动机构端盖22与摆动机构箱体18通过螺钉固定连接；连接盘21凹槽与摆动输出轴23轴端配合起到定位作用，并通过螺钉固定；

所述机械臂回转机构3，包括连接盘28、前端盖29、前端盖垫片30、箱体31、后端盖33、伺服电机34、后端盖垫片35、深沟球轴承36、深沟球轴承37和回转输出轴38等；回转机构箱体31起固定支撑作用，回转机构后端盖33与回转机构箱体31通过螺钉固定连接，中间加有后端盖垫片35；伺服电机34与回转机构后端盖33通过螺钉固定连接；深沟球轴承36、深沟球轴承37与回转机构箱体31、回转输出轴38配合安装；伺服电机34的输出轴与回转输出轴38通过键32连接；回转机构前端盖29与回转机构箱体31通过螺钉固定连接，中间加有前端盖垫片30；连接盘28凹槽与回转输出轴38轴端配合起到定位作用，通过螺钉固定；

所述底盘旋转机构4，包括由伺服电机41、蜗杆48、深沟球轴承49、连接盘50、端盖51、挡圈52、箱盖53、涡轮54、旋转输出轴56、深沟球轴承57、箱体58和L型挡圈59组成的蜗轮蜗杆转动系统；其中，伺服电机41的输出轴与旋转输出轴56通过键55连接，为蜗杆提供动力从而使旋转机构连接盘50带动上方机构完成旋转动作；伺服电机47驱动齿条44和齿轮45；

所述的折叠升降机构5，包括上座62、下座64、通过螺栓63铰接的折叠机构杆件69和折叠机构杆件带横梁70、升降机构滑动导轨65和升降机构驱动液压缸66；其中，升降机构驱动液压缸66一端通过螺栓安装在所述折叠升降机构下座的固定铰座上，另一端通过螺栓固定在折叠机构杆件带横梁70的铰座上，为折叠架提供动力，以实现折叠架的升降从而使整个装置完成升降动作；

所述的底座运输机构6，包括运输机构驱动液压缸71、连接座72、滑块73、底座直线导轨74与固定底座75，底座直线导轨74与固定底座75通过螺钉固定连接；运输机构驱动液压缸71与固定底座75通过螺钉固定连接，液压缸71的活塞杆与连接座72通过螺纹配合连接；

所述底座运输机构6中的滑块73的螺纹孔与折叠升降机构5的底座运输机构安装连接孔68相配合，通过螺钉固定连接；连接座72上的通孔与折叠升降机构5下座上的底座运输机构安装孔67相配合，通过螺钉固定连接；在底座运输机构6的作用下，底座运输机构6上方机构可以沿着底座直线导轨74作直线运动；折叠升降机构安装连接孔60与底盘旋转机构4的旋转机构安装孔43相配合，通过螺钉固定连接；伺服电机47通过螺钉固定在电机座上，电机座固定孔46与折叠升降机构5上座的底盘旋转机构电机安装连接孔61相配合，通过螺钉固定连接；齿轮45与伺服电机47的输出轴固连，齿条44与底盘旋转机构4中的箱体58通过螺钉固定连接；伺服电机47带动齿轮45齿条44，使得底盘旋转机构4以上部分能沿着直线滑轨42作直线运动；机械臂回转机构3中的回转机构电机安装沉孔27与底盘旋转机构4中的连接盘50上的底盘旋转机构安装连接通孔39相配合，通过螺钉固定连接，回转机构中箱体上的第一定位孔26与旋转机构连接盘50上的第二定位孔40相配合，通过销钉连接定位；机械臂回转机构3中的连接盘28上的回转机构安装连接孔25与机械手摆动机构2的摆动机构电机安装螺孔15相配合，通过螺钉固定连接；机械手摆动机构2中的连接盘21上的摆动机构安装连接孔16与夹管机械手1的夹管机械手安装通孔7相配合，通过螺钉固定连接。

本发明具有如下有益效果：本装置的夹管机械手采用气缸驱动连杆机构。在活塞杆不同位移下，末端手爪可以获得不同张角，进而可对不同外径的油管实现抓取。机械手摆动机构中伺服电机的输出轴与夹管机械手驱动气缸同轴线安装，使夹管机械手可绕轴线实现横轴向的旋转；机械臂回转机构通过伺服电机驱动与机械手摆动机构连接在一起的回转输出轴，回转输出轴与机械手摆动机构中电机的输出轴垂直，使夹管机械手可以实现以回转输出轴轴线为旋转轴的纵轴向的旋转；底盘旋转机构中固定安装在折叠升降机构上的驱动伺服电机的输出轴上装有齿轮，利用齿轮齿条机构和直线滑轨，可使上方机构实现沿横向导轨的往复直线运动，进而可实现夹管机械手与井口的左右距离的调整，此外，利用蜗轮蜗杆机构将另一驱动伺服电机与蜗杆的同轴转动转化成装置竖直轴向的转动，进而可实现夹管机械手在竖直轴向的旋转；折叠升降机构采用液压缸驱动铰接杆件，利用平行四边形的不稳定性，可实现上方装置的升降，进而可实现夹管机械手在井口的上下距离的调整；折叠升降机构、底盘旋转机构、机械臂回转机构和机械手摆动机构装在底座运输机构上。底座运输机构采用液压缸驱动，利用直线滑轨使装置可沿纵向导轨往复运动，进而可实现夹管机械手与井口的前后距离的调整；至此，使夹管机械手在空间可以进行三个直向距离和三个轴向角度的调整。

综上所述，利用本装置可以在实验室中进行现场修井过程起下油管作业中的油管运移、排放和辅助就位操作的模拟试验，对外径与实际油管相同、长度1米的模拟油管实现可靠地夹取、运移和就位，为修井作业管柱运移装置的设计和研发提供参考方案，同时便于试验人员对修井作业油管运输装置的工艺、操作和不同的控制方法和性能进行探究。

附图说明：

图1是修井作业油管抓取移运试验装置三维结构示意图。

图2是本装置中夹管机械手三维示意图1。

图3是本装置中夹管机械手二维示意图2。

图4是本装置中夹管机械手二维示意图3。

图5是本装置中机械手摆动机构三维示意图。

图6是本装置中机械手摆动机构二维示意图。

图7是本装置中机械臂回转机构三维示意图。

图8是本装置中机械臂回转机构二维示意图。

图9是本装置中底盘旋转机构三维示意图1。

图10是本装置中底盘旋转机构三维示意图2。

图11是本装置中折叠升降机构三维示意图。

图12是本装置中底座运输机构三维示意图。

图13是修井作业油管抓取移运试验装置作业空间分布示意图。

图中：1-夹管机械手；2-机械手摆动机构；3-机械臂回转机构；4-底盘旋转机构；5-折叠升降机构；6-底座运输机构；7-夹管机械手安装通孔；8-气缸；9-支撑板；10-套筒；11-连接头；12-上机械手手爪；13-下机械手手爪；14-连接杆；15-摆动机构电机安装螺孔；16-摆动机构安装连接孔；17-第一伺服电机；18-摆动机构箱体；19-1号键；20-第一深沟球轴承；21-摆动机构连接盘；22-摆动机构端盖；23-摆动输出轴；24-第二深沟球轴承；25-回转机构安装连接孔；26-第一定位孔；27-回转机构电机安装沉孔；28-回转机构连接盘；29-回转机构前端盖；30-前端盖垫片；31-回转机构箱体；32-2号键；33-回转机构后端盖；34-第二伺服电机；35-后端盖垫片；36-第三深沟球轴承；37-第四深沟球轴承；38-回转输出轴；39-底盘旋转机构安装连接通孔；40-第二定位孔；41-第三伺服电机；42-直线滑轨；43-旋转机构安装孔；44-齿条；45-齿轮；46-电机座固定孔；47-第四伺服电机；48-蜗杆；49-第五深沟球轴承；50-旋转机构连接盘；51-旋转机构端盖；52-挡圈；53-旋转机构箱盖；54-涡轮；55-3号键；56-旋转输出轴；57-第六深沟球轴承；58-旋转机构箱体；59-L型挡圈；60-折叠升降机构安装连接孔；61-底盘旋转机构电机安装连接孔；62-上座；63-铰接螺栓；64-下座；65-升降机构滑动导轨；66-升降机构驱动液压缸；67-底座运输机构安装孔；68-底座运输机构安装连接孔；69-折叠机构杆件；70-折叠机构杆件带横梁；71-运输机构驱动液压缸；72-连接座；73-滑块；74-直线导轨；75-固定底座；76-模拟油管；77-井口；78-本试验装置；79-管排架。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步说明：

由图1至图12所示，本种试验装置主要包括夹管机械手1、机械手摆动机构2、机械臂回转机构3、底盘旋转机构4、折叠升降机构5和底座运输机构6。底座运输机构6中的滑块73的螺纹孔与折叠升降机构5的底座运输机构安装连接孔68相配合，通过螺钉固定连接，底座直线导轨74与固定底座75通过螺钉固定连接；运输机构驱动液压缸71与固定底座75通过螺钉固定连接，液压缸71的活塞杆与连接座72通过螺纹配合连接，连接座72上的通孔与折叠升降机构5下座上的底座运输机构安装孔67相配合，通过螺钉固定连接；在底座运输机构6的作用下，其上方机构可以沿着底座直线导轨74作直线运动；折叠升降机构安装连接孔60与底盘旋转机构4的旋转机构安装孔43相配合，通过螺钉固定连接；伺服电机47通过螺钉固定在电机座上，电机座固定孔46与折叠升降机构5上座的底盘旋转机构电机安装连接孔61相配合，通过螺钉固定连接；齿轮45与伺服电机47的输出轴固连，齿条44与底盘旋转机构4中的箱体58通过螺钉固定连接；伺服电机47带动齿轮45齿条44，使得底盘旋转机构4以上部分能沿着直线滑轨42作直线运动；机械臂回转机构3中的回转机构电机安装沉孔27与底盘旋转机构4中的连接盘50上的底盘旋转机构安装连接通孔39相配合，通过螺钉固定连接，回转机构中箱体上的第一定位孔26与旋转机构连接盘50上的第二定位孔40相配合，通过销钉连接定位；机械臂回转机构3中的连接盘28上的回转机构安装连接孔25与机械手摆动机构2的摆动机构电机安装螺孔15相配合，通过螺钉固定连接；机械手摆动机构2中的连接盘21上的摆动机构安装连接孔16与夹管机械手1的夹管机械手安装通孔7相配合，通过螺钉固定连接。

所述的夹管机械手1，主要由气缸8、支撑板9、套筒10、连接头11、机械手手爪12和13以及连接杆14组成；支撑板9通过螺钉固定于气缸8的端盖端面处，连接头11先套在气缸8的活塞杆上，再由螺母与活塞杆外螺纹配合压紧；四根机械爪连接杆14的一端与连接头11相配合，通过螺母螺栓连接，另一端则分别与上机械手爪12和下机械手爪13配合，通过螺母螺栓连接；上机械手爪12、下机械手爪13与支撑板9通过螺母螺栓连接，手爪与支撑板9之间的套筒10起到机械手爪固定作用。

所述的机械手摆动机构2，包括伺服电机17、箱体18、深沟球轴承20、连接盘21、端盖22、摆动输出轴23和深沟球轴承24等。伺服电机17与摆动机构箱体18通过螺钉固定连接，伺服电机17的输出轴与摆动输出轴23通过键19连接；深沟球轴承20、深沟球轴承24与摆动机构箱体18、摆动输出轴23配合安装；摆动机构端盖22与摆动机构箱体18通过螺钉固定连接；连接盘21凹槽与摆动输出轴23轴端配合起到定位作用，并通过螺钉固定。

所述的机械臂回转机构3，包括连接盘28、前端盖29、前端盖垫片30、箱体31、后端盖33、伺服电机34、后端盖垫片35、深沟球轴承36、深沟球轴承37和回转输出轴38等。回转机构箱体31起固定支撑作用，回转机构后端盖33与回转机构箱体31通过螺钉固定连接，中间加有后端盖垫片35；伺服电机34与回转机构后端盖33通过螺钉固定连接；深沟球轴承36、深沟球轴承37与回转机构箱体31、回转输出轴38配合安装；伺服电机34的输出轴与回转输出轴38通过键32连接；回转机构前端盖29与回转机构箱体31通过螺钉固定连接，中间加有前端盖垫片30；连接盘28凹槽与回转输出轴38轴端配合起到定位作用，通过螺钉固定。

所述的底盘旋转机构4，箱体中主要由伺服电机41、蜗杆48、深沟球轴承49、连接盘50、端盖51、挡圈52、箱盖53、涡轮54、旋转输出轴56、深沟球轴承57、箱体58和L型挡圈59组成蜗轮蜗杆转动系统。伺服电机41的输出轴与旋转输出轴56通过键55连接，为蜗杆提供动力从而使旋转机构连接盘50带动上方机构完成旋转动作。伺服电机47驱动由齿条44、齿轮45组成的机构，使其上方机构能在直线滑轨42上进行往复的直线运动。

所述的折叠升降机构5，由上座62、下座64、通过螺栓63铰接的折叠机构杆件69和折叠机构杆件带横梁70、升降机构滑动导轨65和升降机构驱动液压缸66构成。升降机构驱动液压缸66一端通过螺栓安装在折叠升降机构下座的固定铰座上，另一端通过螺栓固定在折叠机构杆件带横梁70的铰座上，为折叠架提供动力，可实现折叠架的升降从而使整个装置完成升降动作。

所述的底座运输机构6，包括运输机构驱动液压缸71、连接座72、滑块73、底座直线导轨74与固定底座75，底座直线导轨74与固定底座75通过螺钉固定连接；运输机构驱动液压缸71与固定底座75通过螺钉固定连接，液压缸71的活塞杆与连接座72通过螺纹配合连接；

图13是修井作业油管抓取移运试验装置作业空间分布示意图。本装置的工作过程分为从管排架夹取油管、运移至井口及从井口夹取油管、运移至管排架。当装置从管排架夹取油管运移至井口时，工作流程如下：底座运输机构中驱动液压缸活塞杆伸出，折叠升降机构及其以上机构移动至管排架附近，折叠升降机构降至最低，机械手摆动机构与夹管机械手在机械臂回转机构的旋转运动下调整抓取的角度为斜向上。在折叠升降机构以上的机构随着折叠升降机构的升起而向上运动，机械臂回转机构及其以上机构沿着直线滑轨在齿轮齿条机构的作用下向靠近管排架方向运动，这两个运动合成使得机械手爪能够准确地运动至油管排列的位置，并从油管与油管的间隙处伸入手爪，此时夹管机械手中的气缸带动连杆运动使得上下机械手爪合拢，抓紧油管。在折叠升降机构以上的机构继续随着折叠升降机构的起升而向上运动，机械臂回转机构及在其以上机构沿着滑轨向远离管排架方向运动，当油管离开管排架后，整体机构在滑轨液压缸的作用下移动至管排架与井口间的空旷地带，首先机械手摆动机构旋转使得夹管机械手由斜向上的状态变为水平，然后底盘旋转机构带动在其之上的机构旋转90°，接着机械手摆动机构带动夹管机械手旋转90°，使油管从水平变为竖直状态。整体机构再经滑轨液压缸驱动下移动至井口附近，并通过折叠升降机构及两个滑轨方向的三个运动调整油管相对于井口的位置，使油管正对于口井，至此，完成从管排架夹取油管并运移至井口的动作。装置从井口夹取油管运移至管排架的工作流程与从管排架夹取油管运移至井口时工作流程正好相反。

Claims (1)

1.一种修井作业油管抓取移运试验装置，包括夹管机械手、机械手摆动机构、机械臂回转机构、底盘旋转机构、折叠升降机构和底座运输机构；其特征在于：

所述夹管机械手，包括气缸、支撑板、套筒、连接头、上机械手爪、下机械手爪以及连接杆组成；其中，支撑板通过螺钉固定于气缸的端盖端面处，连接头先套在气缸的活塞杆上，再由螺母与活塞杆外螺纹配合压紧；四根机械爪连接杆的一端与连接头相配合，通过螺母螺栓连接，另一端则分别与上机械手爪和下机械手爪配合，通过螺母螺栓连接；上机械手爪、下机械手爪与支撑板通过螺母螺栓连接，手爪与支撑板之间的套筒起到机械手爪固定作用；

所述机械手摆动机构，包括第一伺服电机、箱体、第一深沟球轴承、连接盘、端盖、摆动输出轴和第二深沟球轴承；其中，第一伺服电机与摆动机构箱体通过螺钉固定连接，第一伺服电机的输出轴与摆动输出轴通过1号键连接；第一深沟球轴承、第二深沟球轴承与摆动机构箱体、摆动输出轴配合安装；摆动机构端盖与摆动机构箱体通过螺钉固定连接；连接盘凹槽与摆动输出轴轴端配合起到定位作用，并通过螺钉固定；

所述机械臂回转机构，包括连接盘、前端盖、前端盖垫片、箱体、后端盖、第二伺服电机、后端盖垫片、第三深沟球轴承、第四深沟球轴承和回转输出轴；回转机构箱体起固定支撑作用，回转机构后端盖与回转机构箱体通过螺钉固定连接，中间加有后端盖垫片；第二伺服电机与回转机构后端盖通过螺钉固定连接；第三深沟球轴承、第四深沟球轴承与回转机构箱体、回转输出轴配合安装；第二伺服电机的输出轴与回转输出轴通过2号键连接；回转机构前端盖与回转机构箱体通过螺钉固定连接，中间加有前端盖垫片；连接盘凹槽与回转输出轴轴端配合起到定位作用，通过螺钉固定；

所述底盘旋转机构，包括由第三伺服电机、蜗杆、第五深沟球轴承、连接盘、端盖、挡圈、箱盖、涡轮、旋转输出轴、第六深沟球轴承、箱体和L型挡圈组成的蜗轮蜗杆转动系统；其中，第三伺服电机的输出轴与旋转输出轴通过3号键连接，为蜗杆提供动力从而使旋转机构连接盘带动上方机构完成旋转动作；第四伺服电机驱动齿条和齿轮；

所述的折叠升降机构，包括上座、下座、通过螺栓铰接的折叠机构杆件和折叠机构杆件带横梁、升降机构滑动导轨和升降机构驱动液压缸；其中，升降机构驱动液压缸一端通过螺栓安装在所述折叠升降机构下座的固定铰座上，另一端通过螺栓固定在折叠机构杆件带横梁的铰座上，为折叠架提供动力，以实现折叠架的升降，从而使整个装置完成升降动作；

所述的底座运输机构，包括运输机构驱动液压缸、连接座、滑块、底座直线导轨与固定底座，底座直线导轨与固定底座通过螺钉固定连接；运输机构驱动液压缸与固定底座通过螺钉固定连接，液压缸的活塞杆与连接座通过螺纹配合连接；

所述底座运输机构中的滑块的螺纹孔与折叠升降机构的底座运输机构安装连接孔相配合，通过螺钉固定连接；连接座上的通孔与折叠升降机构下座上的底座运输机构安装孔相配合，通过螺钉固定连接；在底座运输机构的作用下，底座运输机构上方机构可以沿着底座直线导轨作直线运动；折叠升降机构安装连接孔与底盘旋转机构的旋转机构安装孔相配合，通过螺钉固定连接；第四伺服电机通过螺钉固定在电机座上，电机座固定孔与折叠升降机构上座的底盘旋转机构电机安装连接孔相配合，通过螺钉固定连接；齿轮与第四伺服电机的输出轴固连，齿条与底盘旋转机构中的箱体通过螺钉固定连接；第四伺服电机带动齿轮齿条，使得底盘旋转机构以上部分能沿着直线滑轨作直线运动；机械臂回转机构中的回转机构电机安装沉孔与底盘旋转机构中的连接盘上的底盘旋转机构安装连接通孔相配合，通过螺钉固定连接，回转机构中箱体上的第一定位孔与旋转机构连接盘上的第二定位孔相配合，通过销钉连接定位；机械臂回转机构中的连接盘上的回转机构安装连接孔与机械手摆动机构的摆动机构电机安装螺孔相配合，通过螺钉固定连接；机械手摆动机构中的连接盘上的摆动机构安装连接孔与夹管机械手的夹管机械手安装通孔相配合，通过螺钉固定连接。