一种全自动石油修井杆管作业工业机器人的制作方法

本发明涉及石油修井设备智能控制技术领域，具体涉及一种全自动石油修井杆管作业工业机器人。

背景技术：

在油田生产过程中，由于油井或设备故障减产或停产时，或者由于油井工作条件发生变化，需要根据新情况改变生产工艺措施时，必须对油井进行修井作业施工。如自喷井转抽油井、改变抽油泵下入深度、型号或遇到油管漏失、抽油杆断裂等情况时都需要起下油管进行修井作业。这些工作通常需修井机设备来完成。现有技术中原有的井口修井机是每班现场至少要有4-6人组成，其中1人开绞车，井口2人交替操作油管卡瓦及更换油管吊卡并操作液压油管钳，现场油管人工排放1-2人，存在工人劳动强度大，工作环境恶劣，现场安全性差，工作效率低，容易造成环境污染等，技术工人流情况严重。

近几年来国内针对这种情况陆续推出了杆管远程控制自动排放系统和半自动的修井机器人，例如申请号为201320473958.3的实用新型专利公开了一种修井油套管输送装置，包括管柱、移动小车、机架主体、下料机构、升降支腿、小车夹紧液缸、小车移动滚筒机构、上料机构、液压管汇、液压站及控制柜总成、折叠机构。所述移动小车安装于机架主体上，移动小车内安装有小车夹紧液缸，下料机构安装在机架主体内侧，小车移动滚筒机构安装于移动小车一边的机架主体内，升降支腿安装于机架主体的两端部，上料机构安装于机架主体的一侧，折叠机构安装于机架主体的一端，液压管汇分别与小车夹紧液缸和液压站及控制柜总成相连接。该文献公开的技术虽然一定程度上降低了现场人工排放油套管的劳动强度，但井口作业人员的数量并没有得到减少。又如申请号为201210370190.7的发明专利文献公开了一种设有油管接送滑道的半自动油管机械手装置，依靠遥控方法实现的开环控制修井作业自动化生产线，但是仍没有从根本上减少工人劳动强度，提高作业效率，井队工人数量配置也没有变化。再如申请号为201410584164.3的发明专利文献公开了一种具有撬装底座和传送装置的修井作业辅机，提高了修井作业自动化程度，但其料库主体只能暂时储存一定数量的油管抽油杆，不具备处理全部抽油杆和油管的能力，且该发明也没有针对抽油杆起下和拆卸的专用设备，没有实现对所有油管和抽油杆的全自动修井作业施工。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的问题，针对现有技术所存在的缺陷，本发明提供了一种适用于全部油管和抽油杆的闭环控制的全自动石油修井杆管作业工业机器人。

为实现上述目的，本发明所述的全自动石油修井杆管作业工业机器人包括主体杆管处理机构、杆管码垛机构、杆管输送装置、附属液压油管卡瓦、抽油杆卡瓦、杆管在线探伤装置和gps定位装置；所述主体杆管处理机构包括主体底盘、导轨装置和机械臂装置；所述主体底盘底部通过液压支腿支撑在地面上，所述导轨装置上安装有液压吊卡和液压杆管钳，导轨装置铰接在主体底盘的前端，所述机械臂装置包括大臂摆动装置和柔性机械手装置，所述大臂摆动装置铰接安装于主体底盘前端的摆动座上，所述柔性机械手装置铰接在大臂摆动装置的顶端，柔性机械手装置可以随大臂摆动装置摆动至完全水平或完全竖直的位置；所述杆管码垛装置设有码垛底座、移动机构和机械手装置；所述码垛底座上设有用于搁置油管和抽油杆的横担，所述移动机构连接在码垛底座的后端可以前后移动，所述机械手装置设置在移动机构上；所述杆管输送装置包括输送装置一和输送装置二；所述输送装置一和输送装置二分别固定在主体杆管处理机构和杆管码垛机构上，所述输送装置一设置在主体底盘的左侧且位于柔性机械手装置的下方，在输送装置一的后侧设置有编码器测长装置，所述输送装置二位于杆管码垛机构的前端，与输送装置一处于同一直线上实现油管和抽油杆的传输，下油管或下抽油杆操作时，所述杆管码垛装置上的机械手装置将油管或抽油杆抓取到输送装置二上，油管或抽油杆由输送装置二经输送装置一输送给主体杆管处理机构并由机械臂装置完成下放；反之，起油管或抽油杆操作时，主体杆管处理机构将从井内起出的油管或抽油杆经输送装置一送出到杆管码垛装置的输送装置二上，杆管码垛装置对起出的杆管进行排列码垛并自动存储到计算机系统。

所述附属液压油管卡瓦安装在井口法兰或防喷器法兰上，所述液压抽油杆卡瓦安装在井口固定的油管接箍上。

所述杆管在线监测探伤装置安装在井口液压油管卡瓦或液压抽油杆卡瓦上部位置，gps定位装置设在主体杆管处理机构的底部可以实现远程定位。

特别的，所述杆管码垛装置上的码垛底座包括码垛底架和立柱，立柱固定在码垛底架后端；所述杆管码垛装置上的移动机构包括固定导架、移动导架和方框形机械手支架，固定导架水平焊接在立柱上，移动导架设置在固定导架下方，移动导架通过齿条传动可沿固定导架前后移动，所述移动导架两边的外侧均设有滑块，所述方框形机械手支架内侧设有滑槽，机械手支架通过滑槽与移动导架外侧的滑块连接，机械手支架在液压缸带动下可沿移动导架上、下移动；所述杆管码垛装置上的机械手装置包括机械手臂和码垛机械手，机械手臂的一端设置有码垛机械手，机械手臂的另一端铰接在机械手支架的两侧下方并可绕铰接轴水平转动，码垛机械手可以将油管或抽油杆输送到输送装置二上。

特别的，所述主体杆管处理机构上的导轨装置包括导正导轨、液压吊卡、液压杆管钳，所述液压吊卡和液压杆管钳设置在导正导轨上，所述导正导轨由上导轨、下导轨和折叠机构三部分折叠而成，所述上导轨和下导轨之间通过折叠机构连接，上导轨在液压缸二的驱动下通过折叠机构可折叠180°，所述导正导轨底部铰接在导轨底座上，导轨底座固定在主体底盘上，所述导正导轨在液压缸一的驱动下可摆动90°。

特别的，所述大臂摆动装置包括机械臂、摆座、摆动油缸和锁紧油缸，所述摆座固定在主体底盘上，所述机械臂铰接在摆座上并由摆动油缸驱动绕摆座旋转；所述柔性机械手装置通过摆轴与机械臂连接。

特别的，所述输送装置一和输送装置二均包括固定导轨，所述固定导轨上方设有多组输送辊。

特别的，所述的杆管在线探伤装置固定安装在附属液压油管卡瓦上或抽油杆卡瓦，杆管在线探伤装置采集信号自动输入到后台计算机管理系统。

特别的，gps定位装置设置在主体杆管处理机构的底部，能够实现全自动石油修井杆管作业工业机器人的远程定位和控制。

特别的，所述的测长装置的端部设置有杆管身份识别装置，通过在抽油杆或油管接箍处预留识别标识，能够有效地在线识别不同抽油杆或油管的身份并摆放到不同位置，并实时输入到后台计算机系统，建立油井杆管全生命周期管理数据库。

本发明具有如下优点：本发明所述的全自动石油修井杆管作业工业机器人与现有技术相比，自动化程度高、全闭环控制且控制监控功能齐全，配合修井机绞车的上、下动作可以实现井口油管和抽油杆的全自动起、下操作和杆管使用状态在线监测建立数据库工作，彻底克服了修井作业人员劳动强度大、井口安全性能差、生产效率低、能耗高、操作性差等缺陷，有利于建立油井杆管的全生命周期管理，同时将井口4-5人的传统体力操作型模式转为1人的辅助看管型操作模式，实现生产过程的自动化、智能化，实现了设备的物联网远程监控。

附图说明

图1为本发明的全自动石油修井杆管作业工业机器人的总体结构示意图。

图2为本发明的主体杆管处理机构的结构示意图；

图3为本发明的杆管码垛机构的总体结构示意图；

图4为本发明的杆管码垛机构的结构示意主视图；

图5为本发明的导轨装置的结构示意图；

图6为本发明的机械臂装置的结构示意图；

图7为本发明的输送装置二的结构示意图。

图8为本发明的附属液压油管卡瓦和抽油杆卡瓦的结构示意图。

图中：i主体杆管处理机构、ii杆管码垛机构、iii杆管输送装置、液压油管卡瓦iv、抽油杆卡瓦v、1主体底盘、2导轨装置、3机械臂装置、4输送装置一、5液压吊卡、6液压杆管钳、7大臂摆动装置、8柔性机械手装置、9码垛底座、10移动机构、11机械手装置、12输送装置二、13油管和抽油杆、14横担、15底架、16立柱、17固定导架、18移动导架、19机械手支架、20机械手臂、21码垛机械手、22导正导轨、23液压吊卡、24液压杆管钳、25导轨底座、26机械臂、27摆座、28摆动油缸、29锁紧油缸、30固定导轨、31输送辊、32链条。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1为本发明的全自动石油修井杆管作业工业机器人的总体结构示意图。

本发明所述的全自动石油修井杆管作业工业机器人包括主体杆管处理机构i、杆管码垛机构ii、杆管输送装置iii、附属油管液压卡瓦iv、抽油杆卡瓦v、在线监测装置vi和gps定位装置等，每个部分均由若干个功能模块组成，每个模块采用各种机构、液压、电气等单独控制；杆管输送装置iii包括输送装置一4和输送装置二12，输送装置一4和输送装置二12分别设置在主体杆管处理机构i和杆管码垛机构ii上，油管和抽油杆13通过输送装置一4和输送装置二12实现由杆管码垛机构ii传送给主体杆管处理机构i，或由主体杆管处理机构i传送给杆管码垛机构ii。

图2所示为本发明的主体杆管处理机构的结构示意图。

所述主体杆管处理机构i包括主体底盘1、导轨装置2和机械臂装置3，所述主体底盘1底部通过液压支腿支撑在地面上，所述导轨装置2上安装有液压吊卡5和液压杆管钳6，所述导轨装置2铰接在主体底盘1的前端；所述机械臂装置3包括大臂摆动装置7和柔性机械手装置8，所述大臂摆动装置7铰接安装于主体底盘1前端的摆动座上，所述柔性机械手装置8铰接在大臂摆动装置7的顶端，柔性机械手装置8可随大臂摆动装置7摆动至完全水平或完全竖直的位置；所述输送装置一4设置在主体底盘1的左侧且位于柔性机械手装置8的下方，在输送装置一4的后侧设置有编码器测长装置。

所述主体杆管处理机构i的主体底盘1用于支撑整个主体部分，其它的主体部分模块均安装在主体底盘1上，凭借液压支腿的伸缩功能可以把整个主体部分升高到工程运输车底盘上面，方便运输；井场安装时，驱动液压支腿伸缩的液压缸，可以调整液压支腿的展开位置。可根据作业现场的情况调整驱动液压缸位置并调整展开，根据井口高度可以调整液压支腿的相对高度，实现主体与井口的对接，主体杆管处理机构i液压支腿具有收缩范围广(收缩后体积小，展开面积可调)，运输方便，场地实用性强等特点。

图3所示为本发明的杆管码垛机构的总体结构示意图。

图4所示为本发明的杆管码垛机构的结构示意主视图。

所述杆管码垛装置ii设有码垛底座9、移动机构10和机械手装置11，码垛底座9上方设有用于搁置油管和抽油杆13的横担14，移动机构10固定在码垛底座9的后端且可以前后移动，机械手装置11设置在移动机构10上，输送装置二12设置在码垛底座9的前端。

所述输送装置二12与输送装置一4处于同一直线上实现油管和抽油杆13的传输；机械手装置11将油管和抽油杆13送到输送装置二12上，油管和抽油杆13由输送装置二12经输送装置一4输送给主体杆管处理机构i并完成下放；反之，主体杆管处理机构i将从井内起出的油管和抽油杆13经输送装置一4送出到杆管码垛装置ii的输送装置二12上，杆管码垛装置ii对接受的油管和抽油杆13进行排列码垛并将信息自动存储到后台计算机系统。

特别的，所述杆管码垛装置ii上的码垛底座9包括码垛底架15和立柱16，立柱16固定在码垛底架15后端；所述杆管码垛装置ii上的移动机构10包括固定导架17、移动导架18和方框形的机械手支架19，固定导架17水平焊接在立柱16上，移动导架18设置在固定导架17下方，移动导架18通过齿条传动可沿固定导架17前后移动，所述移动导架18两外侧均设有滑块，所述方框形机械手支架19内侧设有滑槽；所述杆管码垛装置ii上的机械手支架19通过滑槽与移动导架18两侧的滑块连接，机械手支架19在液压缸带动下可沿移动导架18上、下移动；所述杆管码垛装置ii上的机械手装置11包括机械手臂20和码垛机械手21，码垛机械手21设置在机械手臂20的端部，机械手臂20的另一端铰接在机械手支架19的两侧下方、并可绕铰接轴水平转动；码垛机械手21将油管和抽油杆13输送到输送装置二12上。

特别的，所述杆管码垛装置ii的主要作用是存储油管和抽油杆13，当工业机器人对油井进行维修时，需要先把油管和抽油杆13从井内起出并输送到杆管码垛装置ii，杆管码垛装置ii通过自动化机械手装置11对接收的油管和抽油杆13进行有序排列，完成修井作业后再通过机械手把杆管输送给主机完成下放。

本发明结构简单、合理、可靠，可以自动接收或送出杆管系统，在存储杆管的过程中码垛机械手自动排放杆管系统并自动输入到后台计算机管理系统。该装置的特点是能够较大幅度地降低工人劳动强度，系统全闭环控制，安全可靠性高，不需要操作人员摆放和运输油管或抽油杆，节省了大量的人力、物力，减少了石油杆管排放时间，提高了杆管系统计算机信息管理水平。

图5所示为本发明的导轨装置的结构示意图。

所述主体杆管处理机构i上的导轨装置2包括导正导轨22、液压吊卡23、液压杆管钳24，所述液压吊卡23和液压杆管钳24设置在导正导轨22上，所述导正导轨22由上导轨、下导轨和折叠机构三部分折叠而成，所述上导轨和下导轨之间通过折叠机构连接，上导轨在液压缸二的驱动下通过折叠机构可折叠180°；所述导正导轨22底部铰接在导轨底座25上，导轨底座25固定在主体底盘1上，所述导正导轨22在液压缸一的驱动下可摆动90°。

特别的，所述导轨装置2的主要作用是调整井口位置，对液压吊卡23的提升和下放起到导向作用，导轨装置2集成了液压吊卡导轨、上下移动导轨、液压杆管钳24、导轨调整装置等。导轨装置摆动范围0-90°，可以旋转90°后平放到主体杆管处理机构i上，结构简单、合理、可靠，显著特点是劳动强度降低，安全可靠性提高，不需要操作人员站到井口操作，节省了大量的人力、物力，提高了起下油管或抽油杆工作效率。

图6所示为本发明的机械臂装置的结构示意图。

所述机械臂装置3包括大臂摆动装置7和柔性机械手装置8。

所述大臂摆动装置7包括机械臂26、摆座27、摆动油缸28和锁紧油缸29，所述摆座27固定在主体底盘1上，所述机械臂26铰接在摆座27上并由摆动油缸28驱动绕摆座27旋转；所述柔性机械手装置8通过摆轴与机械臂26连接。

特别的，所述机械臂装置3在起油管或抽油杆时，将杆管自井口立式状态下用柔性机械手8夹紧杆管，通过大臂从105°开始摆动，到85°时，柔性机械手8开始从90°转动，当大臂摆动装置7摆动到40°时，柔性机械手8转动到水平0°状态，大臂摆动装置7继续摆动到水平0°状态。大臂摆动装置7和柔性机械手8均是水平状态后，把油管和抽油杆13水平放到输送装置接、送杆管的位置；下油管或抽油杆过程中杆管进入到输送装置后，柔性机械手8将杆管从输送装置摆放杆管位置抓取并夹紧杆管，大臂摆动装置7开始从水平0°开始摆动，当大臂摆动装置7摆动到35°时，柔性机械手8开始从0°转动，当大臂摆动装置7摆动到85°时柔性机械手8完成90°转动，大臂摆动装置7继续摆动到105°将杆管送到井口垂直位置。大臂摆动装置7摆动范围0-105°，柔性机械手8转动范围0-90°。所述机械臂装置3结构简单、合理、可靠，可以轻松将杆管从水平位置放到井口垂直位置，显著降低劳动强度，提高安全可靠性，不需要操作人员到井口操作，节省了大量的人力、物力，提高了工作效率。

图7所示为本发明的输送装置二的结构示意图。

所述杆管输送装置iii包括输送装置一4和输送装置二12。所述输送装置一4和输送装置二12均包括固定导轨30，所述固定导轨30上方设有多组输送辊31。所述输送辊(31)通过链条(32)传动。

特别的，所述杆管输送装置iii在使用杆管码垛装置ii部分的情况下，把油管和抽油杆13从杆管码垛装置ii输送到主体杆管处理机构i的左侧，当杆管端部碰触测长装置的固定端开关后随即发出测长信号，杆管测长完成后输送装置一4的顶升液压缸顶起杆管到指定位置，接下来即可运行机械臂模块的动作。杆管输送装置iii适用于起、下杆管两种模式，有效地将输送和测长两种功能结合到一起，缩短起下杆管时间，提高工作效率，结构更紧凑合理。

特别的，所述测长装置在起、下杆管过程中对杆管实现测长功能，包含测长固定装置和测长移动装置两部分，当油管和抽油杆13进入到输送装置二12后，测长移动装置在液压缸驱动下把推杆摆到辊道上方，液压马达驱动丝杠，丝杠带动推杆移动，配合输送辊道的动作，测长固定装置在液压缸驱动下向移动端伸出并到达指定位置，当推动的油管或抽油杆顶到固定端的法兰盘时，压缩弹簧的空间使接触开关发讯，移动端得到信号后停止动作，编码器输出推动杆的移动距离，这样就可以得到每根油管或抽油杆的长度，测长装置应用于起、下油管或抽油杆的两种模式，自动测量油管或抽油杆的长度，具有测长精度高、记录数据快等特点，抽油杆或油管接箍处预留识别标识，在测长装置端部设置有杆管身份识别装置，能够有效识别不同抽油杆或油管的身份，建立油井杆管全生命周期管理数据库，提高油井物联网管理水平。该杆管输送装置iii有效地将杆管输送和测长、在线识别三种功能结合到一起，降低了工人劳动强度，提高了工作效率，结构更紧凑合理。

图8是本发明的附属液压油管卡瓦和抽油杆卡瓦的结构示意图。

所述液压油管卡瓦iv和抽油杆卡瓦v均包括卡瓦座、卡瓦体和卡瓦牙等，液压油管卡瓦iv通过油管卡瓦座法兰固定安装在井口法兰或防喷器法兰上，利用计算机控制液压缸升降起到自动卡持油管的作用，抽油杆卡瓦v通过油管接箍固定安装在油管上，通过自动控制液压缸的起升动作起到卡持抽油杆本体的作用。卡持不同尺寸的油管或抽油杆均可通过更换不同尺寸的卡瓦牙来实现。所述在线探伤装置固定在卡瓦装置的上部位置，在起升油管或抽油杆时可以在线监测杆管的使用情况，对有损伤的杆管及时报警并特殊处理。

本发明所述的全自动石油修井杆管作业工业机器人的自动化程度高，可实现石油修井作业的自动化、智能化操作，克服了传统石油修井工人劳动强度大、现场安全性能差、工效率低、能耗高，操作性差、污染环境等缺陷，同时将多人体力操作型(4-5人)转换为1人的看管性操作，实现了生产过程的自动化和智能化控制和物联网监控。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。