CN203452682U - 钻具搬运机械手 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种钻具搬运机械手，其包括竖直的导轨、可沿导轨滑动的上滑车和下滑车、伸缩油缸、夹持钻具的夹钳、机械臂和连接臂，所述伸缩油缸一端与上滑车连接，另一端与下滑车连接；所述机械臂一端与上滑车铰接，另一端与夹钳铰接；所述连接臂一端与下滑车铰接，另一端与机械臂的中部铰接，且该连接臂与机械臂的铰接处到机械臂两端部的距离相等，同时所述连接臂的长度为机械臂长度的二分之一。本实用新型的钻具搬运机械手，不但机械结构简单，而且简化了电控结构，降低了产品的生产成本，同时还能够实现对钻具的平稳运输和精确定位。

Description

钻具搬运机械手

技术领域

本实用新型涉及石油钻采机械设备，尤其涉及一种石油钻机作业中用于搬运钻具的机械手。

背景技术

石油钻机作业中用于搬运钻具的机械手主要包括滑车、夹钳和机械臂连杆机构。通常采用绞车、滑轮组和钢丝绳系统来带动滑车沿导轨移动，使其完成整个机械手搬运钻具过程中的上下移动和导向功能；夹钳主要负责夹持钻具；机械臂连杆机构主要完成钻具的举升和搬运。

现有的钻具搬运机械手的机构原理图如图1所示：该机构主要由一个刚性机械臂a、驱动油缸b、滑车架c、轨道立柱d、夹钳e和提升装置h组成，其中轨道立柱d为竖直设置，滑车架c滑动设置在轨道立柱d上，提升装置h可以带动滑车架c沿轨道立柱d上下移动；机械臂a一端与滑车架c铰接，另一端与夹钳e铰接，驱动油缸b一端与滑车架c连接，另一端与机械臂a连接。该机械手在搬运钻具的时候，依靠驱动油缸b的伸缩，使机械臂a绕其与滑车架c的铰接点转动，从而带动夹钳e上夹持的钻具f运动，实现对钻具f的搬运。

上述钻具搬运机械手存在以下缺点，如图1所示：

（1）在钻具f的搬运过程中，夹钳e的初始位置K和终止位置K′不在同一水平线上，其运动轨迹呈弧形，这就造成夹钳e的位置在整个运动过程中高度位置和水平位置都在时刻发生变化。若要仅实现钻具f的水平搬运，即在搬运前后，钻具f的高度位置一致。这就需要在驱动油缸b驱动机械臂a的同时，通过提升装置h来带动滑车架c向上或向下进行补偿，实现该补偿需要非常复杂的控制系统才能协同完成，同时机械手的效率也较低；

（2）机械臂a和夹钳e之间仅有一个铰接点，同时如前述分析的夹钳e的运动轨迹为弧形，这就造成夹钳e在整个运动过程中，可能会造成来回摆动，进而使夹钳e夹持钻具f时不稳定，存在一个不稳定的摆动角度β，钻具f在搬运过程中呈倾斜状态，同时还容易造成钻具f脱落或者碰撞到钻机上的其它装置。若要想钻具f在整个搬运过程中呈竖直状态，就必须增加许多附加装置，如在夹钳e上再增加一个驱动油缸，来调整夹钳e或者钻具f的位置。无论增加哪种附加装置，都给操作增加了难度，而且控制系统也更复杂，造成机械手的成本高；

（3）在一些需要精确控制夹钳e和钻具f速度的工况中，若要求钻具f和夹钳e做匀速运动，现有的机械手结构很难做到。即使能够做到，对电液控制系统的配合精度要求非常高，控制系统复杂，控制成本高。

实用新型内容

为了解决现有技术中的问题，本实用新型的目的是提供一种电液系统简单、自动控制的成本低，同时还能够让钻具做匀速直线的水平运动，进而实现钻具精准定位的钻具搬运机械手。

为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：一种钻具搬运机械手，包括竖直的导轨、可沿导轨滑动的上滑车和下滑车、伸缩油缸、夹持钻具的夹钳、机械臂和连接臂，所述伸缩油缸一端与上滑车连接，另一端与下滑车连接；所述机械臂一端与上滑车铰接，另一端与夹钳铰接；所述连接臂一端与下滑车铰接，另一端与机械臂的中部铰接，且该连接臂与机械臂的铰接处到机械臂两端部的距离相等，同时所述连接臂的长度为机械臂长度的二分之一。

采用以上结构，伸缩油缸分别和可沿竖直的导轨上下滑动的上滑车和下滑车连接；机械臂分别和上滑车和夹持钻具的夹钳铰接；连接臂分别和机械臂的中部和下滑车铰接；即可沿竖直导轨上下滑动的上滑车和下滑车、机械臂、夹钳构成一个三角形结构。连接臂与机械臂的铰接处到机械臂的两端部距离相等，也即是该连接臂相当于前述三角形的机械臂边上的中线。由于连接臂长度等于机械臂长度的二分之一，同时上滑车和下滑车在竖直的导轨上滑动，也即前述三角形的上滑车和下滑车所在边为竖直边。根据三角形三边定律、中线定律、以及三角形内角和为180度定律，可知夹钳与下滑车的连线所在边始终会垂直于上滑车和下滑车所在的竖直边，也即是下滑车和夹钳会始终保持在水平线上。使用过程中，绞车先通过下滑车将抓取了钻具的整个机械手吊到需要的预定高度，然后伸缩油缸驱动上滑车运动，改变上滑车和下滑车之间的距离，也即改变上、下滑车所在三角形的直角边长度（此时，下滑车由绞车吊着，在自重的作用下保持恒定位置不变），直角三角形的另外一条直角边（下滑车和夹钳所在边）和斜边（机械臂所在边）随之开始同步变形，根据三角形三边和中线定律可知，夹钳会随之相应的做水平直线运动。当伸缩油缸带动上滑车向上做均速直线运动时，夹钳随之带动钻具向靠近下滑车的方向做水平匀速直线运动；当伸缩油缸带动上滑车向下做匀速直线运动时，夹钳随之带动钻具向远离下滑车的方向做水平匀速直线运动。总之此结构，能够轻松实现夹钳和钻具的水平直线运动。运动定位精准，能够减少钻具的摆动，自动控制简单。

优选方案为，所述机械臂由主臂和姿态臂组成，且主臂和姿态臂长度相等；所述主臂和姿态臂的一端分别与上滑车铰接于A点和B点，所述主臂和姿态臂的另一端分别与夹钳铰接于D点和C点，且AB、BC、CD、DA的连线形成平行四边形；所述主臂的中部与连接臂的另一端铰接于E点，该E点到A点和D点的距离相等。利用机械臂由两个相互平行且等长的主臂和姿态臂组成，上滑车和夹钳分别和主臂与姿态臂都铰接，四个铰接点之间形成一个平行四边形，即上滑车、主臂、姿态臂和夹钳形成一个平行四边形，利用平行四边形的易变形结构，在夹钳的运动过程中，实现夹钳的平稳过渡，保证夹钳始终做的是水平运动。同时由于夹钳分别和主臂和姿态臂都铰接，增加了夹钳在运动过程中的稳定性。相对于现有技术，夹钳和钻具在运动过程中不会摆动，避免了钻具容易松脱的现象出现，同时也不会造成钻具倾斜，在整个运动过程中，钻具始终保持竖直，不会对钻机上的其它装置造成碰撞，安全性能更好。

进一步的优选方案，所述伸缩油缸上设有位移传感器，所述位移传感器和外接的控制系统电连接。通过设置于伸缩油缸上的位移传感器，位移传感器能够感应到伸缩油缸的位移，并将感应到的位移信号传递给控制系统，控制系统再通过对伸缩油缸的流量进行控制，从而实现对伸缩油缸的速度和位移控制，根据直角三角形三边关系定律可以得出，夹钳能够实现对应的匀速直线水平运动，使钻具在整个搬运过程中的位置更加精准。

更进一步的优选方案，所述下滑车还与绞车的绞绳相连。显然，下滑车也可带由锁紧装置，防止到预定位置后下滑。

综上所述，本实用新型的钻具搬运机械手，不但机械结构简单，而且简化了电控结构，同时还能够实现对钻具的平稳运输和精确定位。该机械手操作灵活、快速，所需电液控制系统简单、可靠，降低了产品的生产成本。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步详细说明本实用新型：

图1为现有钻具搬运机械手的机构原理示意图；

图2为本实用新型钻具搬运机械手的机构原理示意图；

图3为本实用新型钻具搬运机械手的立体结构示意图；

图4为本实用新型钻具搬运机械手的运动轨迹的正视示意图。

具体实施方式

如图2所示，本实用新型钻具搬运机械手的机构原理示意图。其中，AB连杆相当于上滑车，F点相当于下滑车，AF连杆相当于伸缩油缸，CD连杆相当于夹钳，EF连杆相当于连接臂，AD连杆相当于主臂，BC连杆相当于姿态臂。下滑车F点固定，AF竖直，AFD构成一个三角形，EF为AD上的中线，且EF的长度等于AD的一半，由三角形三边定律和中线的关系，可以得出FD的连线必然垂直于AF。同时因为AF是竖直的，即说明FD始终保持水平。ABCD构成一个平行四边形，根据三角形的三边定律和平行四边形定律，我们可以得出其运动轨迹如图2所示，当伸缩油缸AF收缩带动上滑车AB竖直运动到A′B′时，连接臂EF运动到E′F，夹钳CD水平运动到C′D′。

如图2至图4所示，一种钻具搬运机械手，包括竖直的导轨1、可沿导轨1滑动的上滑车2和下滑车3、伸缩油缸4、夹持钻具5的夹钳6、机械臂7和连接臂8，所述伸缩油缸4一端与上滑车2连接，另一端与下滑车3连接；所述机械臂7由主臂71和姿态臂72组成，所述主臂71与姿态臂72平行，且主臂71和姿态臂72长度相等；所述主臂71和姿态臂72的一端分别与上滑车2铰接于A点和B点，所述主臂71和姿态臂72的另一端分别与夹钳6铰接于D点和C点，且AB、BC、CD、DA的连线形成平行四边形；所述主臂71的中部与连接臂8的另一端铰接于E点，该E点到A点和D点的距离相等。同时所述连接臂8的长度为主臂71长度的二分之一；所述下滑车3还与绞车（图中未画出）的绞绳9相连。

利用机械臂7由两个相互平行且等长的主臂71和姿态臂72组成，上滑车2和夹钳6分别和主臂71与姿态臂72都铰接，四个铰接点之间形成一个平行四边形，即上滑车2、主臂71、姿态臂72和夹钳6形成一个平行四边形，利用平行四边形的易变形结构，不干涉夹钳6的运动过程，实现夹钳6的平稳过渡，保证夹钳6始终做的是水平运动。同时由于夹钳6分别和主臂71和姿态臂72都铰接（也就是夹钳6上的铰接点至少两个），增加了夹钳6在运动过程中的稳定性。相对于现有技术，夹钳6和钻具5在运动过程中不会摆动，避免了钻具5容易松脱的现象出现，同时也不会造成钻具倾斜，在整个运动过程中，钻具5始终保持竖直，不会对钻机上的其它装置造成碰撞，安全性能更好。

所述伸缩油缸4上还设有位移传感器41，所述位移传感器41和外接的控制系统（图中未画出）电连接。通过设置于伸缩油缸4上的位移传感器41，位移传感器41能够感应到伸缩油缸4的位移，并将感应到的位移信号传递给控制系统，控制系统再通过对伸缩油缸4的流量进行控制，从而实现对伸缩油缸4的速度和位移控制，根据直角三角形三边关系定律可以得出，夹钳6能够实现对应的匀速直线水平运动，使钻具6在整个搬运过程中的位置更加精准。本实用新型的钻具搬运机械手，不但机械结构简单，而且简化了电控结构，同时还能够实现对钻具的平稳运输和精确定位。该机械手操作灵活、快速，所需电液控制系统简单、可靠，降低了产品的生产成本。

本实用新型的机械手搬运钻具的过程如下：使用过程中，绞车（图中未画出）先带动下滑车3将抓取了钻具5的整个机械手吊到需要的预定高度，绞车停止驱动。然后伸缩油缸4驱动上滑车2运动，改变上滑车2和下滑车3之间的距离，也即改变上、下滑车2、3所在三角形的直角边长度（此时，下滑车3由绞车吊着，在自重的作用下保持恒定位置不变），直角三角形的另外一条直角边（下滑车3和夹钳6所在边）和斜边（机械臂7所在边）随之开始同步变形，根据三角形三边和中线相互关系的定律（而且根据平行四边形的易变形规律，可知主臂71和姿态臂72随之变形，由它们71、72组成的机械臂7不会产生干涉作用）可知，夹钳6会随之相应的做水平直线运动。当伸缩油缸4带动上滑车2向上做均速直线运动时，夹钳6随之带动钻具5向靠近下滑车3的方向做水平匀速直线运动；如图4：当伸缩油缸4带动上滑车2向下做匀速直线运动时，夹钳6随之带动钻具5向远离下滑车3的方向做水平匀速直线运动；其中上滑车2为初始位置，连接臂8、主臂71、姿态臂72、夹钳6和钻具5是各自对应初始位置；上滑车2′为对应运动结束位置，连接臂8′、主臂71′、姿态臂72′、夹钳6′和钻具5′是各自对应运动结束位置。

Claims (4)

1.钻具搬运机械手，包括竖直的导轨（1）、可沿导轨（1）滑动的上滑车（2）和下滑车（3）、伸缩油缸（4）、夹持钻具（5）的夹钳（6）、机械臂（7）和连接臂（8），其特征在于：所述伸缩油缸（4）一端与上滑车（2）连接，另一端与下滑车（3）连接；所述机械臂（7）一端与上滑车（2）铰接，另一端与夹钳（6）铰接；所述连接臂（8）一端与下滑车（3）铰接，另一端与机械臂（7）的中部铰接，且该连接臂（8）与机械臂（7）的铰接处到机械臂（7）两端部的距离相等，同时所述连接臂（8）的长度为机械臂（7）长度的二分之一。

2. 根据权利要求1所述钻具搬运机械手，其特征在于:所述机械臂（7）由主臂（71）和姿态臂（72）组成，且主臂（71）和姿态臂（72）长度相等；所述主臂（71）和姿态臂（72）的一端分别与上滑车（2）铰接于A点和B点，所述主臂（71）和姿态臂（72）的另一端分别与夹钳（6）铰接于D点和C点，且AB、BC、CD、DA的连线形成平行四边形；所述主臂（71）的中部与连接臂（8）的另一端铰接于E点，该E点到A点和D点的距离相等。

3.根据权利要求1所述钻具搬运机械手，其特征在于:所述伸缩油缸（4）上设有位移传感器（41），所述位移传感器（41）和外接的控制系统电连接。

4.根据权利要求1所述钻具搬运机械手，其特征在于:所述下滑车（3）还与绞车的绞绳（9）相连。

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