小修平台油管推扶机械手装置及使用方法与流程

本发明涉及到油田修井井口作业辅助机械装置，特别涉及一种小修平台油管推扶机械手装置及使用方法。

背景技术：

目前，国内修井小修作业是一项投资巨大的风险性工程，修井装备的优劣直接影响着修井速度、作业工人的健康、安全及作业经济效益。目前，国内修井小修作业起下油管时井口作业以人工操作为主。起钻时，司钻利用修井机将油管从井口起出管柱，由2名井口工利用井口工具完成油管卸扣，并用手将油管推至猫道托盘或者拉至地面；下钻时，由2名井口工将管柱从灌排架或猫道托盘拉至井口位置，对准连接螺纹，通过井口工具完成上扣连接后完成下钻。完成上述起下管柱作业中管柱的抓取、释放、定位、移动、排放等工作，井口工人劳动强度大，另外由于修井工作油污大，工人作业存在着安全风险及健康风险。在一些油田近年来在小修作业上已经开始尝试机械手代替人工作业的应用，但市场上的小修作业机械手仍存在着占地大、安装、运输难、效率低等问题，且现有技术的机械手往往采用电驱动方式，用于井口作业时不符合防爆要求，存在一定危险性。

本发明的目的在于提供一种小修平台油管推扶机械手装置，装置便于安装运输，能够与井口作业平台一体化运输，无需拆除。它是在井口平台上安装一套一种新型小修平台油管推扶机械手装置，通过控制机械手抓手内的油缸伸出、缩回完成对管柱的抓取和释放，通过控制装置控制机械臂油缸伸出、缩回，机械臂带动机械手抓手做水平方向运动及井口定位，替代人工作业。移运时，通过锁销装置将机械手主机臂及抓手机械臂固定，打开支撑座上端后部的插销，完成机械手的折叠，移运时对机械手通过支架固定，实现与作业平台的一体化运输。该装置与井口作业平台、动力猫道、井口自动化工具等装置配合可实现井口无人作业。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种小修平台油管推扶机械手装置及使用方法，该装置解决了现有井口作业机械手占地空间大，运输时需要进行拆卸，来回拆装使用不便、效率较低的问题，具有占地空间小，无需拆卸、可折叠后与作业平台一体化运输的特点。

为实现上述设计，本发明所采用的技术方案是，一种小修平台油管推扶机械手装置，包括作业平台，作业平台上表面连接有安装板，安装板上表面连接有支撑座，支撑座底部通过回转轴承与套管转动配合；套管外表面套接有第一齿轮，第一齿轮与作业平台上的液压马达配合；套管下部连接有固定板，固定板通过螺栓与安装板连接；支撑座侧表面上部连接有向两侧伸出的翼板，翼板两侧开孔；支撑座上表面设置有连接座，连接座上表面为倾斜的斜面；连接座下表面通过销轴与翼板插接配合，固定在支撑座上；连接座侧表面一端开设有销孔，销孔与主机械臂的一端铰接；主机械臂另一端铰接有平衡拐臂；平衡拐臂与抓手机械臂的一端铰接，抓手机械臂另一端与抓手铰接；主机械臂与抓手机械臂之间通过油缸连接；支撑座侧表面还连接有控制管线，控制管线一端连接至控制箱，另一端与油缸、抓手和液压马达连接。

优选地，销轴包括固定销和插销。

进一步地，连接座下表面一端通过固定销与翼板一侧的通孔铰接，另一端通过插销与翼板另一侧的通孔插接配合。

优选地，连接座侧表面开设有多个销孔，不同的销孔内分别铰接有主机械臂拉杆和抓手后平衡拉杆。

进一步地，抓手后平衡拉杆位于主机械臂和主机械臂拉杆之间。

优选地，平衡拐臂表面开设有数个铰接孔，包括两端的第一铰接孔和第二铰接孔，第一铰接孔和第二铰接孔之间开设有顶点铰接孔。

进一步地，第一铰接孔、第二铰接孔和顶点铰接孔不处于同一直线上。

优选地，主机械臂一端，以及抓手机械臂一端均通过顶点铰接孔与平衡拐臂铰接。

优选地，抓手后平衡拉杆另一端与平衡拐臂的第一铰接孔铰接；主机械臂拉杆另一端铰接有连杆，连杆另一端与顶点铰接孔铰接。

优选地，抓手侧表面设置有凸出的耳座，耳座与抓手前平衡拉杆一端铰接；抓手前平衡拉杆另一端与平衡拐臂的第二铰接孔铰接。

优选地，主机械臂上部连接有上端固定座，油缸的缸筒尾端与上端固定座铰接；抓手机械臂的下部连接有下端固定座，油缸的活塞杆前端与下端固定座铰接。

优选地，主机械臂中部连接有安装座，锁销通过安装座上与主机械臂连接。

优选地，液压马达输出端连接有第二齿轮与第一齿轮啮合配合，液压马达转轴上设置有数字编码器；抓手上表面连接有摄像头，摄像头上连接有指向灯，指向灯与摄像头的镜头朝向相同，均与抓手的轴向方向平行；抓手下表面连接有激光距离传感器和定位激光灯，作业平台上表面连接有定位凸台与激光距离传感器和定位激光灯配合；油缸内设置有位移传感器；数字编码器、摄像头、激光距离传感器和位移传感器均与控制箱电性连接。

进一步地，油缸内的位移传感器选用gefran品牌型号为ik4-a-b-300-e-1的油缸内置位移传感器；激光距离传感器选用di-soric品牌型号为lat51的激光距离传感器。

优选地，小修平台油管推扶机械手装置的使用方法包括如下步骤：

s1，通过安装板和固定板的螺栓连接，将装置本体安装在作业平台上，正式工作前进行调试和定位：开启激光距离传感器和定位激光灯，然后通过控制管线调整油缸的伸缩量以及液压马达的转动量，使抓手的夹钳位于井口中心位置正上方；然后调整定位凸台的位置，使定位激光灯射出的可见光线位于定位凸台的正中心，并记录激光距离传感器反馈的距离数据传输至控制箱；记录此时油缸内置位移传感器的位移数据以及液压马达转轴上数字编码器反馈的转动角度作为初始值，将初始值数据反馈并记录至控制箱；定位凸台上表面喷涂环状的刻度线指示中心位置以及偏移角度；

s2，工作时，操作人员在控制终端开启摄像头和指向灯，通过控制管线控制液压马达转动，在控制终端的显示器上实时查看摄像头的视野，当需要抓取的管柱出现在视野中心位置，且指向灯射出的光点出现在管柱表面时，通过阀门切换控制管线至油缸；数字编码器实时记录此时的转动角度；

s3，当角度确定后，操作人员通过控制管线控制油缸伸出，使主机械臂与抓手机械臂产生夹角；因连接座与主机械臂、抓手后平衡拉杆以及平衡拐臂组成平行四边形连杆结构；抓手与抓手机械臂、抓手前平衡拉杆以及平衡拐臂也组成平行四边形连杆结构；当油缸伸出时，主机械臂会绕连接座的铰接处转动，因此抓手可以沿着水平方向伸出；通过摄像头的视野判断位置是否准确，通过液压马达可以进行角度微调；确定达到位置后，由抓手抓取管柱；然后通过控制箱进行自动复位定位操作；

s4，进行自动复位定位操作时，控制箱首先根据此时油缸内置位移传感器的位移量与初始位移量的差值，自动回复油缸行程至初始位置，然后通过数字编码器此时的转动角度值与初始角度值的差值，自动控制液压马达回正至初始位置；然后进行定位判断，将此时激光距离传感器的距离数据与s1中初始记录的距离数据进行比对，当若误差不大于0.5mm时，可判定回正后的抓手位于井口中心位置正上方；完成自动定位后，作业平台上的操作人员可通过观察定位激光灯在定位凸台上表面的光点位置进行二次确认，若光点位置无偏移，则配合修井机油吊系统，将管柱完成上扣；上扣完成后由抓手释放管柱，完成扶管操作；若光点位置有偏移，则通知控制室的操作人员进行手动微调；当操作平台上无工作人员时，可在激光距离传感器一侧增设摄像装置，摄像装置朝向正下方，可供控制室的操作人员观察定位激光灯的光点位置；

s5，扶管完成后，装置进入待机状态：油缸继续回缩，将抓手机械臂回收至与主机械臂重合的位置；此时主机械臂和抓手机械臂处于竖直状态，收缩在作业平台一侧，将作业平台的空间留出供其余工具和人员进行作业；

s6，运输时，装置本体可折叠运输：将油缸收回，使抓手机械臂与主机械臂直立重合，插入锁销将抓手机械臂与主机械臂连接固定，确保折叠运输时不会散开；然后取掉插销，此时连接座可绕固定销旋转，从而使连接座上方的机械臂整体绕支撑座旋转进行放倒，机械臂整体放倒后，采用支架将放倒的机械臂固定在作业平台上，将装置本体与作业平台一体运输。

本发明的有益效果是：

1，采用小修平台油管推扶机械手装置与人工操作相比，工作强度低，自动化程度高，工作效率提高明显；避免了操作时的机械部件或油污对井口工造成人身安全危害。

2，相比于现有的小修平台油管推扶机械手，本发明通过单个油缸带动主机械臂与抓手机械臂相对转动即可控制抓手前伸或回缩，装置体积大幅减小，且行程增大，在安装使用时，将装置本体安装在作业平台一侧，抓手可以延伸至平台另一侧的边缘；当待机状态时，可以将机械臂收缩在平台一侧，将作业平台上的空间空出供其余人员和机械作业，无需将机械手拆除来空出空间。

3，小修平台油管推扶机械手装置体积较小、重量较轻，安装在井口作业平台后即无需拆除；当需要进行运输时可以将机械手折叠放倒，有效降低运输高度，降低运输重心，使机械手装置可以与作业平台一体化运输；解决了现有技术在需要运输或空出作业平台空间时需要将机械手装置拆卸，从而带来的反复拆装的问题，且现有的机械手装置重量较大，拆装十分不便。

4，小修平台油管推扶机械手装置控制采用液压控制，安全、可靠，操作方便，符合钻井作业防爆要求，不会因电气部件故障导致出现安全问题。

5，小修平台油管推扶机械手装置结构简单，体积较小，所用成本远低于市面上现有的井口机械手设备，便于在现有新制及在役的小型修井机自动化升级改造，实现小修井口无人作业，有很广阔的推广前景。

6，装置通过自身可平行伸出缩回的特点，设置了便捷的自动复位定位系统，通过在油缸内设置位移传感器用于记录行程，通过在液压马达设置数字编码器用于记录转动量，以及在回正位置正下方的作业平台设置定位凸台；当抓取完成后，控制器可以通过位移量和转动量的实时数据与初始数值之间的差值实现自动复位，激光距离传感器可以通过定位凸台带来的与作业平台的高度差产生距离数据变化，从而根据距离变化值确定是否回正，减小了人工操作带来误差，降低了作业人员的工作强度。

7，装置采用摄像头以及指向灯，对抓手接近管柱并到达抓取位置的过程进行实时地可视化监测，指向灯全程提供辅助定位的作用，使定位过程直观且简单，操作人员可以快速精准地将抓手移动到管柱位置，并在移动过程中及时进行位置微调；激光距离传感器一旁的定位激光灯可以为复位后的井口定位提供第二重保障，从而避免机械运动产生的误差以及电子设备失灵等意外情况造成定位不准的问题，提高了定位的准确定，保证了后续工序的安全和稳定。

附图说明

图1为本发明的主视结构示意图。

图2为本发明的侧视结构示意图。

图3为本发明工作状态时的结构示意图。

图4为本发明待机状态时的结构示意图。

图5为本发明运输状态时的结构示意图。

图中附图标记为：作业平台1，安装板11，支撑座2，翼板21，固定板22，套管23，第一齿轮24，液压马达25，第二齿轮26，连接座3，固定销31，插销32，主机械臂4，主机械臂拉杆41，抓手后平衡拉杆42，上端固定座43，连杆44，平衡拐臂5，第一铰接孔51，第二铰接孔52，顶点铰接孔53，抓手机械臂6，抓手61，摄像头611，激光距离传感器612，定位激光灯613，定位凸台614，耳座62，抓手前平衡拉杆63，下端固定座64，油缸7，控制管线8，锁销9。

具体实施方式

下面结合附图对发明提供具体的实施例。

如图1~图5中，一种小修平台油管推扶机械手装置，包括作业平台1，作业平台1上表面连接有安装板11，安装板11上表面连接有支撑座2，支撑座2底部通过回转轴承与套管23转动配合；套管23外表面套接有第一齿轮24，第一齿轮24与作业平台1上的液压马达25配合；套管23下部连接有固定板22，固定板22通过螺栓与安装板11连接；支撑座2侧表面上部连接有向两侧伸出的翼板21，翼板21两侧开孔；支撑座2上表面设置有连接座3，连接座3上表面为倾斜的斜面；连接座3下表面通过销轴与翼板21插接配合，固定在支撑座2上；连接座3侧表面一端开设有销孔，销孔与主机械臂4的一端铰接；主机械臂4另一端铰接有平衡拐臂5；平衡拐臂5与抓手61机械臂6的一端铰接，抓手61机械臂6另一端与抓手61铰接；主机械臂4与抓手61机械臂6之间通过油缸7连接；支撑座2侧表面还连接有控制管线8，控制管线8一端连接至控制箱，另一端与油缸7、抓手61和液压马达25连接。

优选地，销轴包括固定销31和插销32。

进一步地，连接座3下表面一端通过固定销31与翼板21一侧的通孔铰接，另一端通过插销32与翼板21另一侧的通孔插接配合。

优选地，连接座3侧表面开设有多个销孔，不同的销孔内分别铰接有主机械臂4拉杆和抓手61后平衡拉杆42。

进一步地，抓手61后平衡拉杆42位于主机械臂4和主机械臂4拉杆之间。

优选地，平衡拐臂5表面开设有数个铰接孔，包括两端的第一铰接孔51和第二铰接孔52，第一铰接孔51和第二铰接孔52之间开设有顶点铰接孔53。

进一步地，第一铰接孔51、第二铰接孔52和顶点铰接孔53不处于同一直线上。

优选地，主机械臂4一端，以及抓手61机械臂6一端均通过顶点铰接孔53与平衡拐臂5铰接。

优选地，抓手61后平衡拉杆42另一端与平衡拐臂5的第一铰接孔51铰接；主机械臂4拉杆另一端铰接有连杆44，连杆44另一端与顶点铰接孔53铰接。

优选地，抓手61侧表面设置有凸出的耳座62，耳座62与抓手61前平衡拉杆一端铰接；抓手61前平衡拉杆另一端与平衡拐臂5的第二铰接孔52铰接。

优选地，主机械臂4上部连接有上端固定座43，油缸7的缸筒尾端与上端固定座43铰接；抓手61机械臂6的下部连接有下端固定座64，油缸7的活塞杆前端与下端固定座64铰接。

优选地，主机械臂4中部连接有安装座，锁销9通过安装座上与主机械臂4连接。

优选地，液压马达25输出端连接有第二齿轮26与第一齿轮24啮合配合，液压马达25转轴上设置有数字编码器；抓手61上表面连接有摄像头611，摄像头611上连接有指向灯，指向灯与摄像头611的镜头朝向相同，均与抓手61的轴向方向平行；抓手61下表面连接有激光距离传感器612和定位激光灯613，作业平台1上表面连接有定位凸台614与激光距离传感器612和定位激光灯613配合；油缸7内设置有位移传感器；数字编码器、摄像头611、激光距离传感器612和位移传感器均与控制箱电性连接。

进一步地，油缸7内的位移传感器选用gefran品牌型号为ik4-a-b-300-e-1的油缸7内置位移传感器；激光距离传感器612选用di-soric品牌型号为lat51的激光距离传感器612。

优选地，小修平台油管推扶机械手装置的使用方法包括如下步骤：

s1，通过安装板11和固定板22的螺栓连接，将装置本体安装在作业平台1上，正式工作前进行调试和定位：开启激光距离传感器612和定位激光灯613，然后通过控制管线8调整油缸7的伸缩量以及液压马达25的转动量，使抓手61的夹钳位于井口中心位置正上方；然后调整定位凸台614的位置，使定位激光灯613射出的可见光线位于定位凸台614的正中心，并记录激光距离传感器612反馈的距离数据传输至控制箱；记录此时油缸7内置位移传感器的位移数据以及液压马达25转轴上数字编码器反馈的转动角度作为初始值，将初始值数据反馈并记录至控制箱；定位凸台614上表面喷涂环状的刻度线指示中心位置以及偏移角度；

s2，工作时，操作人员在控制终端开启摄像头611和指向灯，通过控制管线8控制液压马达25转动，在控制终端的显示器上实时查看摄像头611的视野，当需要抓取的管柱出现在视野中心位置，且指向灯射出的光点出现在管柱表面时，通过阀门切换控制管线8至油缸7；数字编码器实时记录此时的转动角度；

s3，当角度确定后，操作人员通过控制管线8控制油缸7伸出，使主机械臂4与抓手61机械臂6产生夹角；因连接座3与主机械臂4、抓手61后平衡拉杆42以及平衡拐臂5组成平行四边形连杆44结构；抓手61与抓手61机械臂6、抓手61前平衡拉杆以及平衡拐臂5也组成平行四边形连杆44结构；当油缸7伸出时，主机械臂4会绕连接座3的铰接处转动，因此抓手61可以沿着水平方向伸出；通过摄像头611的视野判断位置是否准确，通过液压马达25可以进行角度微调；确定达到位置后，由抓手61抓取管柱；然后通过控制箱进行自动复位定位操作；

s4，进行自动复位定位操作时，控制箱首先根据此时油缸7内置位移传感器的位移量与初始位移量的差值，自动回复油缸7行程至初始位置，然后通过数字编码器此时的转动角度值与初始角度值的差值，自动控制液压马达25回正至初始位置；然后进行定位判断，将此时激光距离传感器612的距离数据与s1中初始记录的距离数据进行比对，当若误差不大于0.5mm时，可判定回正后的抓手61位于井口中心位置正上方；完成自动定位后，作业平台1上的操作人员可通过观察定位激光灯613在定位凸台614上表面的光点位置进行二次确认，若光点位置无偏移，则配合修井机油吊系统，将管柱完成上扣；上扣完成后由抓手61释放管柱，完成扶管操作；若光点位置有偏移，则通知控制室的操作人员进行手动微调；当操作平台上无工作人员时，可在激光距离传感器612一侧增设摄像装置，摄像装置朝向正下方，可供控制室的操作人员观察定位激光灯613的光点位置；

s5，扶管完成后，装置进入待机状态：油缸7继续回缩，将抓手61机械臂6回收至与主机械臂4重合的位置；此时主机械臂4和抓手61机械臂6处于竖直状态，收缩在作业平台1一侧，将作业平台1的空间留出供其余工具和人员进行作业；

s6，运输时，装置本体可折叠运输：将油缸7收回，使抓手61机械臂6与主机械臂4直立重合，插入锁销9将抓手61机械臂6与主机械臂4连接固定，确保折叠运输时不会散开；然后取掉插销32，此时连接座3可绕固定销31旋转，从而使连接座3上方的机械臂整体绕支撑座2旋转进行放倒，机械臂整体放倒后，采用支架将放倒的机械臂固定在作业平台1上，将装置本体与作业平台1一体运输。

实施例1：

如图3所示，此时装置处于工作状态，控制箱通过控制管线8控制油缸7伸出，使主机械臂4与抓手61机械臂6产生夹角；因连接座3与主机械臂4、抓手61后平衡拉杆42以及平衡拐臂5组成平行四边形连杆44结构；抓手61与抓手61机械臂6、抓手61前平衡拉杆以及平衡拐臂5也组成平行四边形连杆44结构；当油缸7伸出时，主机械臂4会绕连接座3的铰接处转动，因此抓手61可以沿着水平方向伸出；到达指定位置后，由抓手61抓取管柱，抓取管柱后控制油缸7缩回，使管柱移动至井口中心位置，然后配合修井机油吊系统，将管柱完成上扣；上扣完成后由抓手61释放管柱，完成扶管操作。

实施例2：

如图4所示，此时装置本体处于待机状态，油缸7回缩，将抓手61机械臂6回收至与主机械臂4重合的位置；此时主机械臂4和抓手61机械臂6处于竖直状态，收缩在作业平台1一侧，将作业平台1的空间留出供其余工具和人员进行作业。

实施例3：

如图5所示，此时装置处于运输状态，装置上部的机械手放倒折叠；将油缸7收回，使抓手61机械臂6与主机械臂4直立重合，插入锁销9将抓手61机械臂6与主机械臂4连接固定，确保折叠运输时不会散开；然后取掉插销32，此时连接座3可绕固定销31旋转，从而使连接座3上方的机械臂整体绕支撑座2旋转进行放倒，机械臂整体放倒后，采用支架将放倒的机械臂固定在作业平台1上，将装置本体与作业平台1一体运输。

上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本申请中的实施例及实施例中的特征在不冲突的情况下，可以相互任意组合。本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。

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