一种管具移运机械手的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种管具移运机械手，属于石油钻采设备机械【技术领域】。本实用新型的管具移运机械手，包括导轨、上机械手和下机械手，导轨安装在排管机主梁上；上机械手和下机械手安装在导轨上。本实用新型的管具移运机械手，夹紧钳和扶正钳始终沿水平方向移动，在抓持立根的前后，立根高度不变，立根移运过程简单。另外，由于上下机械手工作原理相同，在采用相同规格的第一伸缩油缸和第二伸缩油缸条件下，只需在控制软件中对第一伸缩油缸与第二伸缩油缸采用相同的控制曲线，即可实现上、下机械手的伸出速度和位移保持同步；装置的控制系统，编程和控制简单、容易实现且调试简单，装置的成本低、维护简单。
【专利说明】一种管具移运机械手
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种管具移运机械手，特别涉及一种海洋石油钻井平台排放立根钻杆、钻铤作业用的新型管具移运机械手，属于石油钻采设备机械【技术领域】。
【背景技术】
[0002]排管机是一种石油钻机管子处理系统中的运输机具。在钻井作业中为了快速钻井作业，通常需要提前将钻杆，钻铤和套管多根连接成立根，存放在井架指梁内部。排管机就是在立根被抓取、移运、拆立根和接钻柱的过程中夹持移运立根的机械手。
[0003]陆地钻机上的排管机因受作业空间限制基本是单机械手操作。但单机械手抓持立根时只能夹持最上端单根靠上的1/3高度位置，机械手夹持位置下方将近20m长的管具处于失控状态，整个立根在移运过程中晃动很大，难以准确定位。在移运过程中始终需要台面上有一个人扶着立根下段。排管处于半自动化阶段。
[0004]海洋钻井平台上作业空间大，需要的管具直径范围广，且国际石油协会要求凡是作业于海上的钻机必须配备自动化管具处理系统，所以排管机的基本都是具备上、下双机械手结构，只有双机械手才能将27米多的管具抓牢。上、下机械手作用的两点位置分别位于立根的第一根和第三根单根的中间位置。上机械手夹持管具，下机械手扶正管具，避免立根左右甩动，尤其是在浮动式平台上，扶正机械手的作用尤为必要。但现有设备上的机械手的机械臂结构形式基本是以下两形式:第一种是上、下机械手的机械臂采用完全相同的2连杆机构(如图17)。该机构上、下机械臂均由一个刚性连杆a、驱动液缸b、滑车架C、轨道立根d和提升装置h组成。其中连杆a的D点固定在滑车架c上，E点与油缸b铰接，A点连接抓持管具的夹钳e ;驱动液缸b的F点也固定在滑车架c上；滑车架c通过提升装置可上下运动，各铰接点D、E、A、F通过销轴连接。在运输管具时整个机构靠液缸b的伸缩驱动连杆a的A铰点运动，从而实现夹钳运输夹持的管具的功能。第二种是上、下机械手的机械臂结构不同，上机械臂是平行四边形结构，下机械臂采用双平行四边形连杆机构(如图18)。该机构上臂由一个竖直方向上长度可变的驱动杆FD、一个刚性连杆FE及一个形状为平行四边形的刚性构件ABCD组成，其中AB杆和CD杆等长，BC杆和AD杆等长；并且B点相对A点位置固定，C点相对D点位置固定；E点到A、D两点的距离相等且EF = AD/2，AF在一条直线上且与DF垂直，ADF形成一直角三角形。⑶杆的C、D点铰接在上滑车a上，F点铰接在下滑车b上，下滑车固定在主梁d上，上滑车a可沿主梁d上下滑动；AB杆的A、B连接上机械手ql。驱动杆F点在整个机构运用过程中固定，当仅驱动杆长度发生变化时，上滑车a沿主梁d上下滑动，从而带动上机械手ql在水平方向做直线运动。下臂由一个可绕铰点旋转的驱动杆XY、两个形状可变但始终是平行四边形的刚性构件GHKI和LMON组成，其中GI杆、HM杆、MO杆和LN杆等长；IK杆、GH杆、LM杆和NO杆等长；ΗΚ杆和MO杆的四个较点Η、Κ、Μ、Ν铰接在一个刚性构件上，且构成与水平面平行的等腰梯形；L、N连接下机械手q2 ;驱动杆XY的Y点铰接在连杆NO上。当驱动杆XY长度发生变化时，X点位置固定，XY杆围绕X点旋转，从而带动下机械手q2在水平方向做直线运动。上、下机械手同时同步动作，即可实现移运管具f的工作(如f到f ’)。
[0005]上述两种结构机械手存在以下不足:1、图17所示的机械臂结构中上、下机械臂的结构完全相同，看似简单但在机械臂缩回和伸出过程中，连杆a的A点起始位置与终止位置A’不在同一直线上，其运动轨迹AA’呈弧形，这就造成夹钳的起始位置和终止位置不在同一高度上，也就导致管具在伸出和缩回过程中距离台面的高度不一致。若达到起始位置和终止位置时夹钳高度上的一致，需要在油缸驱动机械臂伸出的同时还要通过提升装置完成D、F点(即滑车架c)竖直方向上的位置调整，控制复杂且速度慢。2、图18所示的机械臂结构中，上、下机械臂的结构不同，上臂是单平行四边形机构；下臂是双平行四边形机构。这种机构克服了图1机构中存在的机械臂在伸出和缩回的同时还要通过提升装置配合调整管具高度的不足，但其又引发了另一个控制上的难题。在移运管具的过程中需要保持上、下机械手同步运动，而这个同步运动的实现是通过位移传感器检测驱动杆的伸缩距离来实现的，通过控制驱动杆的速度来控制机械手伸出的速度。从结构中可以看出上、下机械臂结构不同，驱动杆的位置不同。在运动中上、下两个驱动杆的伸缩距离也是不一样的。进而编程和控制还是很复杂，且调试难度大。3、另外，上述两种结构排管机在单根上卸扣时，整个管具重量都会作用在下边的钻柱上，易造成钻具螺纹损坏。在排放立根时，机械手松开立根的瞬间，立根会对台面造成很大冲击。
[0006]另外，由于管具在指梁内排放成整列形，管具之间的距离很小，为避免作业中干涉，夹持管具的上机械手夹钳基本都做的很巧妙。现有技术中的钳牙(y)都是固定在夹持臂(X)上的(图19、图20)，在夹持不同直径管具时，调整夹持臂(X)的开度实现夹持管具的功能。但是上述结构的机械手夹钳夹持管具的范围小(3in?6 5/8in)，且存在安全隐患；钳牙固定在夹持臂上，在夹持不同直径管具时作用点不同，会出现在钳牙的边缘处(如图20)，影响夹持效果和钳牙的寿命；且在抓取管具时不能判断管具是否已经进入机械手的夹持中心，如尚未进入，钳子就开始关闭动作，这时管具反而会被推离倾倒。
实用新型内容
[0007]本实用新型的发明目的在于克服现有技术中所存在的上述不足，提供一种管具被夹持的起始位置和终止位置高度一致的管具移运机械手，且这种管具移运机械手的编程和控制简单、调试容易。
[0008]本实用新型的另一发明目的还在于提供一种可用于抓持不同长度的立根的管具移运机械手，且这种管具移运机械手能对立根进行大行程的提升或下降。
[0009]本实用新型的进一步目的还在于提供一种可用于减小立根管具螺纹损坏的管具移运机械手。
[0010]进一步地，本实用新型的发明目的还在于提供一种具有钳牙自动对中功能的管具移运机械手夹紧钳。
[0011]本实用新型的另一目的还在于提供一种可检测管具是否进入夹持中心的管具移运机械手。
[0012]为了实现上述发明目的，本实用新型提供了以下技术方案:
[0013]一种管具移运机械手，包括导轨、上机械手和下机械手，所述导轨安装在排管机主梁上；所述上机械手和所述下机械手安装在所述导轨上，所述上机械手包括第一上滑车架和第一下滑车架，所述第一上滑车架和所述第一下滑车架通过第一伸缩油缸连接，所述第一上滑车架安装在所述导轨上并能沿所述导轨上下移动；所述第一上滑车架上铰接有第一主臂，所述第一主臂的另一端铰接有夹紧钳；所述第一下滑车架上铰接有第一连杆，所述第一连杆的一端铰接在所述第一下滑车架上，另一端铰接在所述主臂的中间；所述第一连杆的长度为所述第一主臂长度的一半；所述下机械手包括第二上滑车架、第二伸缩油缸、下固定架、扶正钳、第二连杆和第二主臂；所述下固定架固定在排管机主梁下端，所述第二上滑车架安装在所述导轨上并可以沿所述导轨上下移动；所述下固定架和所述第二上滑车架通过所述第二伸缩油缸连接；所述第二主臂一端铰接在所述第二上滑车架上，另一端铰接有所述扶正钳；所述第二连杆的一端铰接在所述下固定架上，另一端铰接在所述第二主臂的中间，所述第二连杆为所述第二主臂长度的一半。上述结构的管具移运机械手，工作时，所述第一伸缩油缸和所述第二伸缩油缸同时同步收缩，分别带动所述第一上滑车架相对所述第一下滑车架向下运动，所述第二上滑车架相对所述下固定架向下运动。所述第一上滑车架和所述第二上滑车架分别通过所述第一主臂和所述第二主臂带动所述夹紧钳和所述扶正钳向目标立根位置移动。由于第一连杆和第二连杆的作用(所述第一连杆和所述第二连杆分别为，以所述第一主臂和所述第二主臂为斜边、以竖直直线和水平直线分别为直角边的两个直角三角形的斜边中线)，由三角形斜边中线定理得知，这个过程中，所述夹紧钳和所述扶正钳始终沿水平方向移动，在抓持立根的前后，立根在竖直方向上的位移不变，立根移运过程不需要另外对立根进行竖直高度调整，管具移运机械手工作过程控制简单且工作效率高。另外，由于上下机械手工作原理相同，在设计时，仅需要设置第一主臂和第二主臂长度相同，第一伸缩油缸和第二伸缩油缸采用相同规格的油缸，只需在控制软件中对第一伸缩油缸与第二伸缩油缸采用相同的控制曲线，即可实现上、下机械手的伸出速度和位移保持同步。装置的控制系统，编程和控制简单、容易实现且调试简单，装置的成本低、维护简单。
[0014]作为本实用新型的优选方案，所述第一下滑车架安装在所述导轨上并能沿所述导轨上下移动；所述管具移运机械手还包括提升装置，所述提升装置驱动所述第一下滑车架沿所述导轨上下移动。上述结构的管具移运机械手，通过所述提升装置可以调节所述上机械手整体在竖直方向上的高度，管具移运机械手可以抓持不同长度的立根，且能够对所抓持的立根进行大行程的提升或下降。
[0015]作为本实用新型的优选方案，所述提升装置包括绞车和钢丝绳；所述绞车固定在所述排管机主梁的上端；所述钢丝绳一端连接在所述绞车上，另一端与所述第一下滑车架连接。上述结构的提升装置，结构简单、操作方便且装置成本低。
[0016]作为本实用新型的优选方案，所述管具移运机械手还包括平衡重装置，所述钢丝绳通过所述平衡重装置与所述第一下滑车架连接；所述平衡重装置包括拉架、平衡重液缸、摆杆和平衡连杆；所述平衡连杆水平放置，所述钢丝绳的下端连接在所述平衡连杆的中部；所述平衡连杆的两端分别连接一个所述摆杆，所述摆杆的下端均连接有平衡重液缸；所述平衡重液缸的上端与所述摆杆下端连接，所述平衡重液缸的下端安装在拉架上；所述拉架的下端安装在所述第一下滑车架上。上述结构的管具移运机械手，立根单根上\卸扣或将立根放到二层台上时，在立根7的运输过程中，单根上\卸扣或将立根放到二层台上等，会使平衡重液压缸内的压力减小，两个平衡重液压缸同时进油使油缸压力上升到液压系统的设定值，液压缸复位运输过程状态。此时夹紧钳夹持立根上端管具，平衡重液压缸承担立根的部分重力，立根下部管具承担上部管具极小部分的重力，可减小两根管具间的管具螺纹的受力。
[0017]作为本实用新型的优选方案，所述平衡重装置的两个平衡重液缸采用同一个安全阀和比例减压溢流阀，所述比例减压溢流阀用于控制两个所述平衡重液缸的进油，所述安全阀用于控制所述平衡重液缸的回油。两个平衡重液缸采用同一个安全阀和比例减压溢流阀，可以保证两个平衡重液缸的同步进行，避免上机械手在左右不平衡的条件下工作，损坏机械手和被夹持立根的管具螺纹。
[0018]作为本实用新型的优选方案，所述夹紧钳包括夹持钳和夹持钳驱动装置，所述夹持钳包括夹持钳夹紧臂和牙板总成，所述牙板总成安装在所述夹持钳夹紧臂上；所述夹持钳驱动装置驱动所述夹持钳夹紧臂打开与闭合；所述牙板总成包括牙板座、旋转座和钳牙板；所述钳牙板固定在所述旋转座上；所述旋转座上设有腰形孔，所述腰形孔内设有连接螺栓，所述旋转座通过所述连接螺栓安装在所述牙板座上；所述旋转座与所述钳牙板的接触面为弧面，所述旋转座可以沿所述弧面相对所述牙板座和所述连接螺栓转动。上述结构的夹持钳，夹持不同管径的立根时，立根与钳牙板接触时会迫使旋转座转动，自动对中立根中心。钳牙板与立根的为面接触，接触面积大，既能提高夹持钳对立根的夹持效果，又能延长夹持钳的使用寿命。另外，由于钳牙板的自动对中功能，能避免立根和钳牙板的在钳牙板边缘处接触，夹持钳夹持立根管径的范围增大。
[0019]作为本实用新型的优选方案，所述夹紧钳还包括滚子钳，所述滚子钳安装在所述夹持钳的正上方；所述滚子钳包括滚子钳夹持臂和滚子钳驱动装置，所述滚子钳驱动装置驱动所述滚子钳夹持臂打开与闭合；所述滚子钳夹持臂上安装有多组纵向排列的滚子，所述滚子位于所述钳牙板正上方，且所述滚子能沿自身轴线转动。上述结构夹紧钳，在夹持钳上方设置所述滚子钳，夹紧钳夹持立根是，所述滚子以组为单位，两两对称的四组滚子配和对立根进行定位，同时提供足够大的夹持力，用来来平衡立根的重量。另外，由于所述滚子能沿自身轴线转动，打开所述夹持钳并保持所述滚子钳闭合，立根的旋转自由度被释放，可以辅助拆立根时。
[0020]作为本实用新型的优选方案，所述夹紧钳还包括安全钳，所述安全钳位于所述夹持钳的正下方。辅助拆立根时，保持所述安全钳关闭可以防止立根在滚子钳中做旋转运作时脱落，提高装置的操作安全性。
[0021]作为本实用新型的优选方案，所述夹紧钳上安装有管子探测器；夹紧立根时，所述管子探测器用于检测所述夹紧钳是否运动到位。在夹紧钳上安装管子探测器，当管子探测器与立根发生关系时，管子探测器会将信息反馈给控制系统，表明立根进入夹紧钳，夹紧钳运动到位。本实用新型的管具移运机械手，在夹紧钳上安装管子探测器用于检测夹紧钳是否运动到位，可以防止出现夹紧钳运动不到位将立根推离夹紧钳的现象发生，管具移运机械手夹持立根定位准确，移运立根的效率高。
[0022]作为本实用新型的优选方案，所述管子探测器铰接安装在所述夹紧钳的顶部并位于所述滚子钳的上方，所述管子探测器和所述夹紧钳之间还安装有弹簧，所述弹簧和所述管子探测器处于平衡状态时，所述管子探测器与竖直方向有一锐角夹角。上述机构的管子探测器，可以用于检测不同管径的立根夹持。当较大管径的立根被夹持时，管子探测器可以绕其与夹紧钳的铰接轴转动，自动适应立根的对中位置，释放立根时，所述弹簧带动所述管子探测器复位；当夹持较小管径的立根时，管子探测器与立根接触即可检测出立根是否进入夹紧钳到位。上述结构的管子探测器，结构简单、安装方便，可以自动适应不同管径的立根。
[0023]与现有技术相比，本实用新型的有益效果:
[0024]1、本实用新型的管具移运机械手，夹紧钳和扶正钳始终沿水平方向移动，在抓持立根的前后，立根在竖直方向上的位移不变，立根移运过程不需要另外对立根进行竖直高度调整，管具移运机械手工作过程控制简单且工作效率高。另外，由于上下机械手工作原理相同，在采用相同规格的第一伸缩油缸和第二伸缩油缸、长度相同的第一主臂和第二主臂的条件下，只需在控制软件中对第一伸缩油缸与第二伸缩油缸采用相同的控制曲线，即可实现上、下机械手的伸出速度和位移保持同步；装置的控制系统，编程和控制简单、容易实现且调试简单，装置的成本低、维护简单。
[0025]2、本实用新型的管具移运机械手，上机械手整体可以沿导轨在竖直方向上移动，管具移运机械手可以抓持不同长度的立根且能够对所抓持的立根进行大行程的提升或下降。
[0026]3、本实用新型的管具移运机械手，提升装置通过平衡重装置平衡上机械手的重量，在立根单根上\卸扣或将立根放到二层台上时，平衡重液压缸进油恢复至系统设定值，保持夹紧钳夹持立根、平衡重液压缸承担立根部分重力的状态，立根下部管具承担上部管具极小部分的重力，可减小两根管具间的管具螺纹的受力。
[0027]4、本实用新型的管具移运机械手，夹紧钳的夹持钳，夹持不同管径的立根时，立根与钳牙板接触时会迫使旋转座转动，自动对中立根中心。钳牙板与立根的为面接触，接触面积大，既能提高夹持钳对立根的夹持效果，又能延长夹持钳的使用寿命。另外，由于钳牙板的自动对中功能，能避免立根和钳牙板的在钳牙板边缘处接触，夹持钳夹持立根管径的范围增大。
[0028]5、本实用新型的管具移运机械手，在夹紧钳上安装有管子探测器，可用于检测夹紧钳是否运动到位，防止出现夹紧钳运动不到位将立根推离夹紧钳的现象发生，管具移运机械手夹持立根定位准确，移运立根的效率高。
【专利附图】
【附图说明】
:
[0029]图1是本实用新型的管具移运机械手的轴视图；
[0030]图2是本实用新型的管具移运机械手的动作原理示意图；
[0031]图3是本实用新型的管具移运机械手的上机械手结构示意图；
[0032]图4是本实用新型的管具移运机械手的下机械手结构示意图；
[0033]图5是本实用新型的管具移运机械手的零部件示意图(平衡重装置)；
[0034]图6是本实用新型的管具移运机械手的平衡重液压缸液压原理示意图；
[0035]图7是本实用新型的管具移运机械手的零部件示意图(夹紧钳)；
[0036]图8是本实用新型的管具移运机械手的零部件示意图(牙板总成)；
[0037]图9是本实用新型的管具移运机械手的零部件示意图(牙板总成)；
[0038]图10是夹紧钳夹持管径为13 5/8in的立根的俯视图；
[0039]图11是图10中夹持钳各部件连接结构剖视图；
[0040]图12是夹紧钳夹持管径为2 l/4in的立根的俯视图；
[0041]图13是图12中夹持钳各部件连接结构剖视图；
[0042]图14是本实用新型的管具移运机械手夹持立根的主视图一(机械手处于伸出状态)；
[0043]图15是本实用新型的管具移运机械手夹持立根的主视图二(机械手处于收回状态)；
[0044]图16是本实用新型的管具移运机械手夹持立根的主视图三(上机械手运动至排管机主梁中部)；
[0045]图17是现有技术中第一种结构的排管机机械手的动作原理示意图；
[0046]图18是现有技术中第二种结构的排管机机械手的动作原理示意图；
[0047]图19是现有技术中的一种夹持钳夹持管径为3〃的立根俯视剖视图；
[0048]图20是图19中所述夹持钳夹持管径为6 5/8〃的立根俯视剖视图.
[0049]图中标记:1-提升装置，11-绞车，12-钢丝绳，2-导轨，3_平衡重装置，31-拉架，32-平衡重液缸，33-摆杆，34-平衡连杆，35-接近开关，36-连接销轴，37-安全阀，38-比例减压溢流阀，4-上机械手，41-第一上滑车架，42-第一伸缩油缸，43-第一下滑车架，44-夹紧钳，441- 一体式油缸，4411-夹持钳油缸，442-管子探测器，443-滚子钳，4431-滚子钳夹持臂，444-夹持钳，445-保护钳，4451-基座，4452-指头驱动液缸，4453-指头，446-连杆，447-滚子，448-夹持钳夹紧臂，449-牙板总成，4491-牙板座，4492-旋转座，4493-连接螺杆，4494-钳牙板，4410-弹簧，45-第一连杆，46-第一主臂，47-第一姿态连杆，5-下机械手，51-第二上滑车架，52-第二伸缩油缸，53-下固定架，54-扶正钳，55-第二连杆，56-第二主臂，57-第二姿态连杆，6-排管机主梁，7-立根。
【具体实施方式】
[0050]下面结合试验例及【具体实施方式】对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。
[0051]实施例1
[0052]图1至图4中所示的排管机主梁6为本实施例管具移运机械手的安装载体。排管机主梁6的上下两端分别铰接在上、下行走装置上，可以实现整个管具移运机械手的整体移动和旋转。
[0053]本实施例的管具移运机械手如图1所示，包括提升装置1、导轨2、平衡重装置3、上机械手4和下机械手5。导轨2固定在排管机主梁6的前方两侧，上机械手4和下机械手5通过滚轮安装在导轨2上，导轨2为上机械手4和下机械手5的滑动提供移动线路。提升装置I包括绞车11和钢丝绳12，绞车11固定在主梁6的前方上端，钢丝绳12的一端连接在绞车11上，另一端连接平衡重装置3，平衡重装置3的下端安装在上机械手4上。提升装置I可以通过钢丝绳12带动上机械手4整体沿导轨2上下移动。
[0054]如图5所示，平衡重装置3包括拉架31、平衡重液缸32、摆杆33、平衡连杆34、接近开关35和连接销轴36。平衡连杆34水平放置，钢丝绳12的下端连接在平衡连杆34的中部，平衡连杆34的两端分别连接一个摆杆33，摆杆33的下端均连接有平衡重液缸32。平衡重液缸32的液缸轴与摆杆33的下端通过连接销轴36铰接，平衡重液缸32的液缸安装在拉架31上。拉架31上设有沿竖直方向延伸的滑槽，连接销轴36安装在拉架31的所述滑槽内，并能沿所述滑槽上下滑动。接近开关35安装在拉架31上，用于检测连接销轴36的位置。拉架31的下端安装在上机械手4上，提升装置I的绞车11旋转驱动钢丝绳12收缩，可以带动上机械手4整体沿导轨2上下滑动，实现上机械手4的整体移动。图6为本实用新型管具移运机械手的平衡重装置3的两个平衡重液缸32液压原理图。其中，A是进油口，B是回油口，C是泄油口。两个平衡重液缸32使用同一个比例减压溢流阀38和安全阀37以保证其同步性。平衡重装置3始终能补偿掉上机械手4和立根7的约70%的重量，在此过程中平衡重液缸32始终处于受拉状态。在立根7的运输过程中，单根上\卸扣或将立根放到二层台上等，会使平衡重液压缸32内的压力减小的情况发生，此时，平衡重液压缸32进油使油缸压力上升到液压系统的设定值，连接销轴36复位至连接开关35处，此时平衡重液压缸32承担立根上部管具的大部分甚至全部重力，减小立根7下部管具承担立根7上部管具的重力，可减小两根管具间的管具螺纹的受力，保护管具螺纹不被损坏。
[0055]上机械手4的结构如图3所示，包括第一上滑车架41、第一伸缩油缸42、第一下滑车架43、夹紧钳44、第一连杆45、第一主臂46和第一姿态连杆47。第一上滑车架41和第一下滑车架43通过滚轮安装在导轨2上，第一上滑车架41和第一下滑车架43可以沿导轨2上下移动。第一伸缩油缸42的一端安装在第一上滑车架41上，另一端安装在第一下滑车架43上。第一主臂46的一端通过销轴铰接在第一上滑车架41上，另一端通过销轴与夹紧钳44铰接；第一姿态连杆47位于第一主臂46的正上方，第一姿态连杆47的一端通过销轴铰接在第一上滑车架41上，另一端通过销轴与夹紧钳44铰接。第一上滑车架41、夹紧钳44、第一主臂46和第一姿态连杆47通过各铰点组成在竖直平面呈平行四边形的刚性平行四边形连杆机构。这样通过第一姿态连杆47和第一主臂46与夹紧钳44发生两个铰接点，并与第一上滑车架41形成刚性平行四边形结构，可以保证夹紧钳44的姿态始终处于竖直状态，避免夹紧钳44围绕与第一主臂46唯一的一个铰点做钟摆运动，无法准确定位立根的问题发生。同时在机械手移运立根的过程中，夹紧钳44在刚性平行四边形结构中形成两个铰接点，能避免立根运输过程中，夹紧钳44和立根7在惯性力或船体运动加速度左右下来回甩动，立根7移运过程中操控容易实现、移运安全系数高。第一连杆45的一端铰接在第一下滑车架43上，另一端铰接在第一主臂46的底部中心部位且第一连杆45的长度为第一主臂46长度的一半，即以第一主臂46为斜边、以水平和竖直方向为直角边组成三角形，第一连杆45为该三角形的斜边中线。管具移运机械手工作时，第一下滑车架43在导轨2上固定不动，第一伸缩油缸42伸缩带动第一上滑车架41沿导轨2上下运动。此过程中，第一连杆45绕第一连杆45与第一下滑车架的铰接轴转动，进而带动第一上滑车架41、夹紧钳44、第一主臂46和第一姿态连杆47组成的刚性平行四边形连杆机构整体在竖直平面内的转动。由直角三角形斜边中线定理可知，第一上滑车架41沿导轨2在竖直方向上运动，可以保证夹紧钳44沿水平方向来回运动，完成立根7的运输，且立根7被移运前后的高度一致。管具移运机械手工作过程控制简单且工作效率高。
[0056]图2所示为管具移运机械手的工作过程示意图，图中上半部分的原理示意图为上机械手4的工作原理示意图。图中E(E’)为第一连杆45与第一主臂46的铰接点；F为第一下滑车架43与第一连杆45的铰接点，同时也是第一伸缩油缸42与第一下滑车架43的铰接点；D(D’ )为第一主臂46与第一上滑车架41的铰接点；A(A’ )为第一主臂46与夹紧钳44的铰接点；B(B’ )为第一姿态连杆46与夹紧钳44的铰接点；C(C’ )为第一姿态连杆46与第一上滑车架41的铰接点。其中，AB⑶在竖直平面内形成刚性平行四边形结构，即运动过程中AB⑶各点的相对位置不变，AB =⑶，AD = BCo E为AD的中点，AE = ED = FE，FD丄FA0在机械手整个工作过程中F点位置不变。ABCDE为机械手各铰接点的初始位置，此时第一伸缩油缸42伸长至最大行程(FD)，夹紧钳44达到最小伸出行程；A’ B’ C’ D’ E’为夹紧钳44位于最大伸出行程位置时，各铰接点的位置关系图，此时第一伸缩油缸42收缩至最小行程(FD)。夹紧钳44可夹持其行程内(AB至A’B’的行程范围内)的目标立根7。第一伸缩油缸42伸缩过程中，⑶随第一上滑车架41则沿导轨2在竖直方向上下移动，由直角三角形斜边中线定理可知，此过程中可以保证AB沿水平方向来回移动。
[0057]下机械手5如图4所示，包括第二上滑车架51、第二伸缩油缸52、下固定架53、扶正钳54、第二连杆55、第二主臂56和第二姿态连杆57。下机械手5的工作原理与上机械手4的完全相同。上机械手4和下机械手5的各个机构的各个铰点位置相对应，即图2中，夹紧钳44的运动行程内，上机械手4和下机械手5的各个绞点(ABCDEF)运动速度、运动方向以及某一时刻各铰接点的所处的位置均一一对应。第二主臂56的长度与第一主臂46的长度相同；第一伸缩油缸42与第二伸缩油缸52也是同一规格(均内置直线位移传感器，并通过位移传感器检测伸缩油缸驱动杆的伸缩距离)。下机械手5与上机械手4的不同之处在于:1、下固定架53固定在排管机固定在主梁6上，下机械手5整体不能沿导轨2上下移动；2、下机械手5的扶正钳55用于立根的扶正而并不用于夹紧立根，扶正钳中的立根可以上下移动。
[0058]上述结构的管具机械手工作时，上下机械手工作原理相同，只需在控制软件中对第一伸缩油缸42与第二伸缩油缸52采用相同的控制曲线，即可实现上、下机械手的伸出速度和位移保持同步。本实用新型的管具移运机械手，上机械手4和下机械手5的控制系统，编程和控制简单、容易实现且调试简单，装置的成本低、维护简单。
[0059]如图7所示，夹紧钳44包括一体式油缸441、管子探测器442、滚子钳443、夹持钳444和保护钳445。一体式油缸441为滚子钳443、夹持钳444提供夹持动力，用于夹紧立根7。管子探测器442铰接安装在夹紧钳44的顶部并位于滚子钳443的上方，管子探测器442上还安装有弹簧4410，弹簧4410的另一端安装在夹紧钳44上，弹簧4410和管子探测器442处于平衡状态时，管子探测器442与竖直方向有一锐角夹角。当夹紧钳44夹持立根7时，立根7与管子探测器442有接触则表示夹紧钳44运动到位，立根7进入夹紧钳44中了。当较大管径的立根7被夹持时，管子探测器442可以绕其与夹紧钳44的铰接轴转动，自动适应立根7的对中位置，释放立根7时，弹簧4410带动管子探测器442复位；当夹持较小管径的立根7时，管子探测器442与立根7接触即可检测出立根7是否进入夹紧钳44到位。上述结构的管子探测器442，结构简单、安装方便，用于探测立根7位置，可以实现夹紧钳44对立根7的精确夹持。
[0060]滚子钳443包括滚子钳夹持臂4431，滚子钳夹持臂4431上安装有多组纵向排列的滚子447，滚子447能绕自身轴线转动。滚子钳443夹紧立根7时，多组纵向排列的滚子447用于立根7的定位。连杆446包括两根，以滚子钳443的对称中心面为对称面，两根连杆446对称分布在滚子钳443中心面的两侧，连杆446的一端铰接在滚子钳443的滚子钳夹持臂4431上，另一端铰接在滚子钳油缸的液缸轴上。滚子钳油缸的液缸轴伸缩带动连杆446的一端沿滚子钳油缸的液缸轴轴向前后运动，进而带动滚子钳443的滚子钳夹持臂4431张开与闭合，实现滚子钳446打开或关闭。本实施例中的滚子钳443同时由一体式油缸441上的三个滚子钳油缸驱动，能提供足够大的夹持力，使多组滚子447产生足够的摩擦力来平衡立根7的重量。
[0061 ] 夹持钳444位于滚子钳443的下方，夹持钳444包括夹持钳夹紧臂448和牙板总成449，牙板总成449安装在夹持钳夹紧臂448上，夹持钳444由一体式油缸441中的夹持钳油缸4411驱动，能提供1MT的夹持能力。一体式油缸441中的夹持钳油缸4411驱动夹持钳444张开与闭合的原理与滚子钳443的夹持原理相同。牙板总成449随夹持钳夹紧臂448的张开合并夹紧立根7，牙板总成449位于滚子钳443上的滚子447对应位置的下方，滚子447对立根7夹持定位后，夹持钳夹紧臂448闭合带动牙板总成449夹持立根7。牙板总成449的在夹持钳夹紧臂448上的安装结构如图8、图9所示，包括牙板座4491，旋转座4492，连接螺杆4493和钳牙板4494。钳牙板4494固定在半圆形旋转座4492上，旋转座4492上开有一个腰型孔，连接螺栓4493穿过旋转座4492中间的腰型孔将旋转座4492安装在牙板座4491上，旋转座4492通过腰形孔和连接螺栓4493配合，既能相对牙板座4491有一定的旋转角度，又不会脱离牙板座4491。当夹持钳444夹持不同管径的钻杆时，钳牙板4494和旋转座4492整体可以沿旋转座4492上的腰形孔周向方向转动，实现钳牙板4494相对滚子钳443定位后的立根7自动对中。这样夹持钳444夹持立根7时，牙板总成449与被夹持立根7的接触面积大。管具移运机械手夹持立根7时，不会出现立根7与钳牙板4494的作用点会出现在钳牙板4494的边缘处，管具移运机械手夹持立根7的夹持效果好、机械手工作安全性高，钳牙的使用寿命长。另外，钳牙板4494自动对中立根7，夹持钳444可以自动适应不同管径的管具，可以扩大夹持钳444的应用范围且夹持钳444夹持多种管径的立根7的效果和安全性高。图10和图12为本实用新型的夹紧钳44夹持两种不同管径的立根7俯视图；图11为图10的夹持钳444各部件的连接关系剖视图；图13为图12的夹持钳444各部件的连接关系剖视图。
[0062]保护钳445安装在夹持钳444的下方，随夹持钳444运动；保护钳445由独立的驱动油缸实现保护钳445的打开或关闭。如图7，保护钳445包括基座4451、指头驱动液缸4452和指头4453。基座4451通过螺栓连接在夹持钳444的夹持臂448上，保护钳444整体随夹持钳444向前或开合运动。指头4453包括两个，分别安装在两个基座4451上，左右两个指头4453的布置上下高度错开，不在同一水平高度。指头驱动液缸4452 —端连在基座4451上，另一端连在指头4453上。保护钳445工作时，保护钳445的开关状态由传感器检测。上述结构的保护钳445通过螺栓连接在夹持钳上，指头驱动液缸4452只需提供很小的驱动力驱动指头4453翻转就可实现立根7的抱紧功能。另外保护钳445关于轴线对称布置，将指头4453在空间上错位布置，在空间上错开保护钳445的动作范围，减小保护钳445的外形尺寸，整个保护钳445的体积小。
[0063]以下具体介绍本实施例管具移运机械手的作过程:
[0064]通过提升装置I调节上机械手4在导轨2上的位置。夹紧钳44在夹持立根7时，上机械手4和下机械手5同步朝向立根7伸出，扶正钳54、夹紧钳44依次打开，并由管子探测器442检测夹紧钳44是否运动到位。夹紧钳44运动到位后，夹紧钳44的滚子钳443先夹紧，通过滚子447将立根7定位。然后依次关闭夹持钳444、保护钳445和扶正钳54夹紧立根7，如图14所示。然后通过伸缩油缸(42、52)带动上下平行四边形连杆机构缩回，进而带动夹紧钳44和扶正钳54缩回，如图15所示。伸缩油缸(42、52)达到缩回行程时，旋转排管机主梁6对准目标位置。继而(42、52)缩回，通过平行四边形连杆机构带动夹紧钳44和扶正钳45伸出至目标位置，下放立根7，在此过程中，下机械手5的伸出和收回动作与上机械手4保持一致。如此循环进行下一次立根的夹持运输操作。上述管具机械手工作过程中，在夹紧钳44夹持管具7的过程中，夹紧钳44夹持立根7后，可通过内置在第一伸缩油缸42底部的直线位移传感器感应伸缩油缸43的位移，并将其传递给控制系统，控制系统通过对第一伸缩油缸42的流量进行模糊控制，从而控制第一伸缩油缸42的速度，下机械手5的控制原理与上机械手4的控制原理相同。
[0065]移运机械手辅助拆立根时:机械手夹持立根7送入鼠洞位置，在拆立根时机械手将夹持钳444打开一定开度，保持滚子钳443、保护钳445、扶正钳54关闭姿态。立根7的旋转自由度被释放，等立根7拆下单根后再关闭夹持钳444将剩下的管具移运。立根夹持机械手辅助接钻柱采用相反的流程。在立根夹持机械手将夹持钳444打开一定开度时，保护钳445关闭姿态将防止立根在滚子钳443中做旋转运作时脱落。
[0066]当需要对立根7进行大行程的提升或下降时，需在上机械手4和下机械手5都处于收回的状态下进行，如图15。提升装置I的绞车11旋转驱动钢丝绳12收缩，带动上机械手4整体沿导轨2上下滑动，调节夹紧钳44在竖直方向上的位置，当立根7到达所需的高度时，再将机械手伸出。同时，由于在机械手夹持双立根和三立根时夹紧钳44夹持立根的位置不同，设置提升装置I调节夹紧钳44在竖直方向上的位置还可以满足管具移运机械手抓持不同长度的立根(如双立根或三立根)的要求。
[0067]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种管具移运机械手，包括导轨、上机械手和下机械手，所述导轨安装在排管机主梁上；所述上机械手和所述下机械手安装在所述导轨上，其特征在于: 所述上机械手包括第一上滑车架和第一下滑车架，所述第一上滑车架和所述第一下滑车架通过第一伸缩油缸连接，所述第一上滑车架安装在所述导轨上并能沿所述导轨上下移动；所述第一上滑车架上铰接有第一主臂，所述第一主臂的另一端铰接有夹紧钳；所述第一下滑车架上铰接有第一连杆，所述第一连杆的一端铰接在所述第一下滑车架上，另一端铰接在所述主臂的中间；所述第一连杆的长度为所述第一主臂长度的一半； 所述下机械手包括第二上滑车架、第二伸缩油缸、下固定架、扶正钳、第二连杆和第二主臂；所述下固定架固定在排管机主梁下端，所述第二上滑车架安装在所述导轨上并可以沿所述导轨上下移动；所述下固定架和所述第二上滑车架通过所述第二伸缩油缸连接；所述第二主臂一端铰接在所述上滑车架上，另一端铰接有所述扶正钳；所述第二连杆的一端铰接在所述下固定架上，另一端铰接在所述第二主臂的中间，所述第二连杆为所述第二主臂长度的一半。
2.根据权利要求1所述的管具移运机械手，其特征在于:所述第一下滑车架安装在所述导轨上并能沿所述导轨上下移动；所述管具移运机械手还包括提升装置，所述提升装置驱动所述第一下滑车架沿所述导轨上下移动。
3.根据权利要求2所述的管具移运机械手，其特征在于:所述提升装置包括绞车和钢丝绳；所述绞车固定在所述排管机主梁的上端；所述钢丝绳一端连接在所述绞车上，另一端与所述第一下滑车架连接。
4.根据权利要求3所述的管具移运机械手，其特征在于: 所述管具移运机械手还包括平衡重装置，所述钢丝绳通过所述平衡重装置与所述第一下滑车架连接； 所述平衡重装置包括拉架、平衡重液缸、摆杆和平衡连杆；所述平衡连杆水平放置，所述钢丝绳的下端连接在所述平衡连杆的中部；所述平衡连杆的两端分别连接一个所述摆杆，所述摆杆的下端均连接有平衡重液缸；所述平衡重液缸的上端与所述摆杆下端连接，所述平衡重液缸的下端安装在拉架上；所述拉架的下端安装在所述第一下滑车架上。
5.根据权利要求4所述的管具移运机械手，其特征在于:所述平衡重装置的两个平衡重液缸采用同一个安全阀和比例减压溢流阀，所述比例减压溢流阀用于控制两个所述平衡重液缸的进油，所述安全阀用于控制所述平衡重液缸的回油。
6.根据权利要求1所述的管具移运机械手，其特征在于: 所述夹紧钳包括夹持钳和夹持钳驱动装置，所述夹持钳包括夹持钳夹紧臂和牙板总成，所述牙板总成安装在所述夹持钳夹紧臂上；所述夹持钳驱动装置驱动所述夹持钳夹紧臂打开与闭合； 所述牙板总成包括牙板座、旋转座和钳牙板；所述钳牙板固定在所述旋转座上；所述旋转座上设有腰形孔，所述腰形孔内设有连接螺栓，所述旋转座通过所述连接螺栓安装在所述牙板座上；所述旋转座与所述钳牙板的接触面为弧面，所述旋转座可以沿所述弧面相对所述牙板座和所述连接螺栓转动。
7.根据权利要求6所述的管具移运机械手，其特征在于:所述夹紧钳还包括滚子钳，所述滚子钳安装在所述夹持钳的正上方；所述滚子钳包括滚子钳夹持臂和滚子钳驱动装置，所述滚子钳驱动装置驱动所述滚子钳夹持臂打开与闭合；所述滚子钳夹持臂上安装有多组纵向排列的滚子，所述滚子位于所述钳牙板正上方且所述滚子能沿自身轴线转动。
8.根据权利要求7所述的管具移运机械手，其特征在于:所述夹紧钳还包括安全钳，所述安全钳位于所述夹持钳的正下方。
9.根据权利要求6?8任意一项所述的管具移运机械手，其特征在于:所述夹紧钳上安装有管子探测器；夹紧立根时，所述管子探测器用于检测所述夹紧钳是否运动到位。
10.根据权利要求9所述的管具移运机械手，其特征在于:所述管子探测器铰接安装在所述夹紧钳的顶部并位于所述滚子钳的上方，所述管子探测器和所述夹紧钳之间还安装有弹簧，所述弹簧和所述管子探测器处于平衡状态时，所述管子探测器与竖直方向有一锐角夹角。
【文档编号】E21B19/14GK204238881SQ201420703191
【公开日】2015年4月1日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】于芳, 魏双会, 常健, 高杭, 何波 申请人:四川宏华石油设备有限公司