通过充分的调研，研究修井作业工艺并借鉴国内先进钻修井作业设备基础上，提出了修井作业井口自动化装置的设计方案，该装置主要由扶正机械手、主背钳联合总成、动力卡瓦、工作支架四部分组成。该装置能够实现移动工作台自动定位、扶正机械手对管柱的初扶正、液压背钳对管柱的二次扶正并夹紧管柱、开口式液压主钳自动换挡、开口式液压主钳非接触式自动对缺口、动力卡瓦自动夹持管柱等功能。完成了对背钳、动力卡瓦的结构设计和主钳颚板的结构改进，将传统的主钳颚板分成两个部分母颚板和公颚板。应用SolidWorks软件建立背钳模型、动力卡瓦模型和主钳改进后结构的三维模型，并根据背钳和动力卡瓦的受力情况进行了受力分析，满足受力要求。基于ADAMS的运动学和动力学理论，建立了动力卡瓦开合的运动学数学模型，推导出动力卡瓦连杆的位移、速度和加速度方程。通过对动力卡瓦连杆的运动分析，验证连杆的张开带动卡瓦体张开的角度可以使管柱顺利通过卡瓦。采用ADAMS/Hydraulics模块进行机液联合仿真，通过对动力卡瓦空载动作、动力卡瓦加紧管柱过程、主背钳上扣过程仿真分析，得出动力卡瓦及背钳的液压油缸的安装位置和工作情况、系统的工作压力等，并通过仿真来检验了动力卡瓦和液压背钳满足工作要求。采用西门子S7-200PLC对整机进行远程控制，根据修井工艺流程提出关键操作的自动化控制方法。采用开关型霍尔传感器实现开口式液压动力钳的自动对缺口和使用NS-WL2拉压力传感器测量主钳扭矩，为实现修井作业操作井口无人化提供了方案。