本文通过调查分析国内外钻机的管柱处理系统的发展现状，提出了一种适合配备在斜直井钻机上的管柱处理系统，其管柱处理方式为旋转机械臂式，可将水平放置的管柱立起到井眼轴线位置并与顶部驱动装置配合完成钻杆或套管的连接工作，该系统适用的井身斜度为0～45o（0o为直井状态）。该机械臂主要由机械臂起升系统、距离补偿机构、夹紧机械手、扶正机械手等组成。本文根据齿轮齿条斜直井钻机提出了配套的管具处理系统的相应设计方案，并使用三维设计软件SolidWorks完成了机械臂机械系统的结构设计，通过计算分析工作中机械臂的运动和受力情况，使用COSMOSWorks软件对机械臂的关键部件进行了强度校核计算，确定了机械臂的总体结构，完成了机械臂的详细设计。通过多刚体运动学和动力学理论推导出了机械臂起升的运动学和动力学方程。将设计三维模型简化后导入到动力学分析软件ADAMS中，得到了机械臂各部件位移、速度、加速度、液压缸输出力等曲线研究机械臂起升、机械手夹紧管柱和距离补偿机构起升时的工作特性，同时验证了结构设计计算中数据选择的合理性。本文利用ADAMS/Hydraulics模块创建机械臂起升系统的液压回路，将机械系统与液压系统联合进行仿真研究，得出机械臂在恒流量泵的驱动下的起升特性。同时分析液压回路中控制元件对机械臂起升性能的影响，针对单向节流阀的开口度进行设计研究，分析其对机械臂起升速度的影响，根据工况选择合理的节流阀开口度使机械臂起升、下行降落等运动平稳。本文通过虚拟样机技术完成了机械臂式管柱处理系统的设计与仿真分析，验证了机械臂在斜直井钻机上处理管柱的可行性，同时得到了液压系统参数，缩短了产品调试时间。