海底钻机用多位多功能移管机械手的制作方法

本发明属于海底钻机技术领域，尤其是涉及海底钻机用多位多功能移管机械手。

背景技术：

海底钻机是开展海底矿产资源勘探、海底工程地质勘察及海洋科学研究的重要装备。为满足更深海底地层的勘探取样需求，海底钻机上需携带有钻管库，钻管库内放置有多根钻管（包括钻杆、钻具及岩芯管，但钻杆、钻具及岩芯管的外径不同）。在钻杆、钻具及岩芯管从钻管库的不同层位抓取并移动至钻进位置过程中，移管机械手必须紧握钻杆、钻具及岩芯管，而在钻杆、钻具接卸过程、以及岩芯管下放和回收过程中，为了能使钻杆、钻具及岩芯管可以上下移动和旋转，传统的移管机械手只能置于完全张开状态，由于机械手完全张开，受海底洋流运动以及海底钻机自身振动的影响，使得上下两根钻杆、钻具的对中性变差，如果在此状态下进行钻杆、钻具接卸，极易发生钻杆、钻具接卸丝扣的磨损，导致钻杆、钻具失效报废。同时，受海底洋流运动以及海底钻机自身振动的影响，此时岩芯管处于摆动状态，这就使得将岩芯管放入孔口的操控难度剧增，大幅降低岩芯管下放与回收的成功率和工作效率。为此，亟待发明一种既可以抓取不同外径的钻杆、钻具及岩芯管，同时还可以在钻杆、钻具接卸过程、岩芯管下放和回收过程中，微握钻杆、钻具及岩芯管（即，移管机械手的握紧力很小，此时移管机械手只对钻杆、钻具及岩芯管起保护作用，钻杆、钻具及岩芯管可以在移管机械手内自由上下移动和旋转）的结构简单紧凑、操控方便的海底钻机用多位多功能移管机械手。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单紧凑、操控方便，易于加工制造，成本低的海底钻机用多位多功能移管机械手，它适用于不同层位和不同直径的钻杆、钻具及岩芯管的抓取和保护，适应性好。

本发明采用的技术方案是：一种海底钻机用多位多功能移管机械手，包括外框架、导轨、伸臂油缸、伸缩臂组件、位置传感器及机械手组件；所述的导轨固定在外框架上；所述伸缩臂组件固定在导轨滑块，导轨滑块套在导轨上；所述伸臂油缸的一端与外框架铰接，另一端与伸缩臂组件铰接，伸臂油缸的轴线与导轨平行；

所述机械手组件包括机械手油缸、油缸铰耳、两手爪连杆及两机械手爪，所述的机械手油缸包括机械手油缸筒、弹簧及活塞，所述的活塞置于机械手油缸筒内，活塞的两侧分别设有碟簧组ⅰ和碟簧组ⅱ；活塞与活塞杆连接；所述的弹簧设置在机械手油缸筒的无杆腔内，弹簧的中心线与活塞杆的中心线平行；弹簧的两端分别与机械手油缸筒内壁及活塞连接；机械手油缸筒固定安装在伸缩臂组件上，机械手油缸的活塞杆与油缸耳连接，两手爪连杆的一端与油缸耳铰接，两手爪连杆的另一端分别与两个机械手爪铰接，两个机械手爪通过爪销铰接，爪销固定安装在伸缩臂组件上，机械手油缸的伸缩能够驱动两个机械手爪的开合。

上述的海底钻机用多位多功能移管机械手中，所述的外框架包括两块外框架侧板、侧板导流孔、外框架底板、伸缩臂油缸耳ⅰ及传感器固定环，两块外框架侧板、外框架顶板及外框架底板围成截面为方形的筒状结构；所述外框架底板和外框架顶板上分别安装有法兰，且外框架底板上的法兰和外框架顶板上的法兰同轴；所述伸缩臂油缸耳ⅰ固定在两块平行的外框架侧板上；所述外框架侧板上设有多个侧板导流孔及多个传感器固定孔，所述传感器固定孔内分别安装有传感器固定环，所述位置传感器固定在传感器固定环内；所述外框架顶板开设有多个顶板导流孔。

上述的海底钻机用多位多功能移管机械手中，所述的导轨包括两个导轨固定块、两个导轨滑块及两个导轨滑杆，两个导轨滑杆平行设置，两个导轨滑杆的两端分别设有两个导轨固定块上，所述导轨滑块上设有两个通孔，通过两个通孔套装在两个导轨滑杆上，两个导轨滑块相对设置，所述导轨滑块上设有四个螺纹孔；所述的两个导轨固定块固定安装在外框架底板上。

上述的海底钻机用多位多功能移管机械手中，所述的伸臂油缸包括伸臂油缸筒ⅰ、伸臂油缸筒ⅱ及伸臂油缸筒接头，伸臂油缸筒ⅰ与伸臂油缸筒ⅱ通过伸臂油缸筒接头连接，伸臂油缸筒接头上设有两个油孔，两个油孔分别与伸臂油缸筒ⅰ、伸臂油缸筒ⅱ的无杆腔连通，伸臂油缸筒ⅰ、伸臂油缸筒ⅱ内分别设有活塞杆ⅰ、活塞杆ⅱ，伸臂油缸筒ⅰ侧壁上设有一个与伸臂油缸筒ⅰ有杆腔连通的进油孔，伸臂油缸筒ⅱ侧壁上设有一个伸臂油缸筒ⅱ有杆腔连通的进油孔，活塞杆ⅰ、活塞杆ⅱ的端部分别设有一个关节轴承ⅰ、关节轴承ⅱ。

上述的海底钻机用多位多功能移管机械手中，所述的伸缩臂组件包括伸缩臂底板、两伸缩臂侧板、伸缩臂面板、磁铁及伸缩臂油缸耳ⅱ，伸缩臂底板、两伸缩臂侧板及伸缩臂面板围成一截面为方形的筒状结构，该筒状结构置于外框架内，伸缩臂底板与两个导轨滑块通过螺栓连接；所述伸缩臂侧板上开设有多个伸缩臂侧板导流孔，所述伸缩臂油缸耳ⅱ固定在所述两伸缩臂侧板的右侧端面上；磁铁座固定在伸缩臂面板上，磁铁座上安装有磁铁，磁铁与位置传感器位于同一水平面内；机械手油缸座固定在伸缩臂面板上，伸缩臂顶板固定在机械手油缸座上，且伸缩臂顶板与伸缩臂面板平行设置。

上述的海底钻机用多位多功能移管机械手中，所述机械手爪上固定有卡瓦。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明利用伸臂油缸的伸缩驱动伸缩臂组件到达钻管库不同层位钻杆、钻具及岩芯管位置；利用机械手油缸内的弹簧和碟簧组合结构既可以实现对不同管径的钻杆、钻具及岩芯管的抓取功能，而且还可以实现在钻杆、钻具接卸以及岩芯管下放和回收过程中的护管功能，适应性好；本发明还具有结构简单紧凑、操控方便，易于加工制造，成本低等优点。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的外框架的结构示意图。

图3是本发明去除外框架和位置传感器后的结构示意图。

图4是本发明的导轨的结构示意图。

图5是本发明的伸臂油缸的剖视图。

图6是本发明的机械手组件的结构示意图。

图7是本发明的机械手油缸的剖视图。

图中：1-外框架，101-外框架侧板，102-侧板导流孔，103-外框架底板，104-油缸铰耳ⅰ，105-传感器固定孔，106-传感器固定环，107-外框架顶板，108-法兰，109-顶板导流孔，2-导轨，201-导轨固定块，202-导轨滑块，203-螺纹孔，204-导轨滑杆，3-伸臂油缸，301-关节轴承ⅰ，302-油缸端盖ⅰ，303-过渡接头ⅰ，304-伸臂油缸筒ⅰ，305-活塞杆ⅰ，306-过渡接头ⅱ，307-过渡接头ⅲ，308-伸臂油缸筒接头，309-伸臂油缸筒ⅱ，310-活塞杆ⅱ，311-过渡接头ⅳ，312-油缸端盖ⅱ，313-关节轴承ⅱ，4-伸缩臂组件，401-伸缩臂底板，402-伸缩臂侧板，403-伸缩臂侧板导流孔，404-伸缩臂面板，405-磁铁座，406-磁铁，407-机械手油缸座，408-伸缩臂顶板，409-油缸铰耳ⅱ，5-位置传感器，6-机械手组件，601-机械手油缸，6011-机械手油缸筒，6012-弹簧，6013-碟簧组ⅰ，6014-活塞，6015-碟簧组ⅱ，6016-活塞杆，6017-端盖，6018-有杆腔，6019-无杆腔，6020-硬管，6021-过渡接头ⅴ，6022-过渡接头ⅵ，602-机械手油缸法兰，603-锁紧螺母，604-油缸耳，605-手爪连杆，606-连杆轴，607-爪销，608-机械手爪，609-卡瓦。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，本发明包括外框架1、导轨2、伸臂油缸3、伸缩臂组件4、位置传感器5及机械手组件6；所述的导轨2固定在外框架1上；所述伸缩臂组件4固定在导轨滑块202，导轨滑块套在导轨2上；所述伸臂油缸3的一端与外框架1铰接，另一端与伸缩臂组件4铰接，伸臂油缸3的轴线与导轨平行。

如图2所示，所述的外框架1包括两块外框架侧板101、侧板导流孔102、外框架底板103、伸缩臂油缸耳ⅰ104及传感器固定环106，两块外框架侧板101、外框架顶板106及外框架底板103围成截面为方形的筒状结构。所述外框架底板103和外框架顶板106上分别安装有法兰108，且外框架底板103上的法兰108和外框架顶板107上的法兰108同轴。所述伸缩臂油缸耳ⅰ104固定在两块平行的外框架侧板101上。所述外框架侧板101上设有多个侧板导流孔102及多个传感器固定孔105，所述传感器固定孔105内分别安装有传感器固定环106，所述位置传感器5固定在传感器固定环106内；所述外框架顶板107开设有多个顶板导流孔109。

如图4所示，所述的导轨2包括两个导轨固定块201、两个导轨滑块202及两个导轨滑杆204，两个导轨滑杆204平行设置，两个导轨滑杆204的两端分别设有两个导轨固定块201上，所述导轨滑块202上设有两个通孔，通过两个通孔套装在两个导轨滑杆204上，两个导轨滑块202相对设置，所述导轨滑块202上设有四个螺纹孔203；所述的两个导轨固定块201固定安装在外框架底板103上。

如图3所示，所述的伸缩臂组件4包括伸缩臂底板401、两伸缩臂侧板402、伸缩臂面板404、磁铁406及伸缩臂油缸耳ⅱ409，伸缩臂底板401、两伸缩臂侧板402及伸缩臂面板404围成一截面为方形的筒状结构，该筒状结构置于外框架1内，伸缩臂底板401与两个导轨滑块202通过螺栓连接；所述伸缩臂侧板402上开设有多个伸缩臂侧板导流孔403，所述伸缩臂油缸耳ⅱ409固定在所述两伸缩臂侧板402的右侧端面上；磁铁座405固定在伸缩臂面板404上，磁铁座405上安装有磁铁406，磁铁406与位置传感器5位于同一水平面内；机械手油缸座407固定在伸缩臂面板404上，伸缩臂顶板408固定在机械手油缸座407上，且伸缩臂顶板408与伸缩臂面板406平行设置。

如图5所示，所述的伸臂油缸3包括伸臂油缸筒ⅰ304、伸臂油缸筒ⅱ309及伸臂油缸筒接头308，伸臂油缸筒ⅰ304与伸臂油缸筒ⅱ309通过伸臂油缸筒接头308连接，伸臂油缸筒接头308上设有两个油孔，两个油孔分别与伸臂油缸筒ⅰ304、伸臂油缸筒ⅱ309的无杆腔连通，两个油孔内分别设有过渡接头ⅱ306和过渡接头ⅲ307。伸臂油缸筒ⅰ304、伸臂油缸筒ⅱ309内分别设有活塞杆ⅰ305、活塞杆ⅱ310，伸臂油缸筒ⅰ304、伸臂油缸筒ⅱ309的端部分别设有油缸端盖ⅰ302、油缸端盖ⅱ312，油缸端盖ⅰ302、油缸端盖ⅱ312对活塞杆ⅰ305、活塞杆ⅱ310密封。伸臂油缸筒ⅰ304、伸臂油缸筒ⅱ309侧壁上分别设有一个与伸臂油缸筒ⅰ304有杆腔、伸臂油缸筒ⅱ309有杆腔连通的进油孔，伸臂油缸筒ⅰ304侧壁上的进油孔内设有过渡接头ⅰ303，伸臂油缸筒ⅱ309侧壁上的进油孔内设有过渡接头ⅳ311。活塞杆ⅰ305、活塞杆ⅱ310的端部分别设有一个关节轴承ⅰ301、关节轴承ⅱ313，关节轴承ⅰ301、关节轴承ⅱ313分别与油缸铰耳ⅰ104、油缸铰耳ⅱ409连接。

如图3、图6-7所示，所述机械手组件6包括机械手油缸601、油缸铰耳、两手爪连杆及两机械手爪608，机械手油缸601固定安装在伸缩臂组件4上，机械手油缸601的活塞杆与油缸耳604连接，两手爪连杆的一端与油缸耳604铰接，两手爪连杆的另一端分别与两个机械手爪608铰接，两个机械手爪通过爪销607铰接，爪销固定安装在伸缩臂组件4的伸缩臂顶板408上，机械手油缸601的伸缩能够驱动两个机械手爪608的开合。所述机械手爪608上固定有卡瓦609。所述的机械手油缸601包括机械手油缸筒6011、弹簧6012及活塞6014，所述的活塞6014置于机械手油缸筒6011内，活塞6014的两侧分别设有碟簧组ⅰ6013和碟簧组ⅱ6015，碟簧组ⅰ6013和碟簧组ⅱ6015的轴线与活塞6014轴线平行。活塞6014与活塞杆6016连接；所述的弹簧6012设置在机械手油缸筒6011的无杆腔内，弹簧6012的中心线与活塞杆6016的中心线平行；弹簧6012的两端分别与机械手油缸筒6011内壁及活塞6014连接。机械手油缸筒6011的无杆腔6019的端面上设有一油孔连通无杆腔6019，该油孔内设有过渡接头ⅵ6022。机械手油缸筒6011的侧壁上设有一连通有杆腔6018的油孔，该油孔连接硬管6020，硬管6020的轴线与机械手油缸筒6011的轴线平行，硬管6020的进油口处设有一个过渡接头ⅴ6021。

本发明的工作过程如下：

（1）通过过渡接头ⅴ6021向机械手油缸筒6011的有杆腔6018供液压油，活塞6014将向左侧移动并压缩弹簧6012和碟簧组ⅰ6013，使两个机械手爪608张开最大。

（2）通过过渡接头ⅱ306向伸臂油缸筒ⅰ304的无杆腔供液压油，驱动活塞杆ⅰ305伸出，带动伸缩臂组件4进入钻管库内；同时，通过过渡接头ⅲ307向伸臂油缸筒ⅱ309的无杆腔供液压油，驱动活塞杆ⅱ310伸出，带动伸缩臂组件4继续进入钻管库内的不同层位，并通过位置传感器5来检测伸缩臂组件4进入钻管库的层位数。

（3）移管机械手对准需要抓取的钻杆、钻具或岩芯管。

（4）通过过渡接头ⅵ6022向机械手油缸筒6011的无杆腔6019供液压油，活塞6014将向右侧移动，两个机械手爪608将握紧钻杆、钻具或岩芯管；即可实现钻杆、钻具或岩芯管的抓取。由于岩芯管外径较小且管壁较薄，活塞6014向右侧移动时将压缩碟簧组ⅱ6015，碟簧组ⅱ6015的弹性恢复力将抵消两个机械手爪608作用在岩芯管上的部分握紧力。

（5）通过驱动伸臂油缸3的活塞杆ⅰ305和活塞杆ⅱ310回收，移管机械手将所抓取的钻杆、钻具或岩芯管带出钻管库，再利用海底钻机上的摆臂机构将移管机械手转动至钻杆、钻具接卸位置或岩芯管下放和回收位置。

（6）在钻杆、钻具接卸前或岩芯管下放和回收前，先控制机械手油缸601处于卸载状态，此时机械手油缸601的活塞6014将向左侧移动，两个机械手爪608作用在钻杆、钻具或岩芯管上的握紧力将减小，仅存在由弹簧6012提供给两个机械手爪608很小的握紧力，这时两个机械手爪608只对钻杆、钻具及岩芯管起保护作用，钻杆、钻具及岩芯管可以在两个机械手爪608内自由上下移动和旋转。