修井作業(yè)過程中油管抓取移運(yùn)機(jī)器人研究

安 然

（中國石油大學(xué) 勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院，遼寧遼中 257000）

作為天然氣、石油開采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，修井作業(yè)發(fā)揮著重要作用，其中井口起下管柱作業(yè)是常見作業(yè)形式，但是因?yàn)楣ぷ鳝h(huán)境相對惡劣，人工勞動(dòng)強(qiáng)度較大，危險(xiǎn)性較高，影響了修井作業(yè)的順利完成。隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)修井作業(yè)模式的弊端日益呈現(xiàn)出來，智能化、自動(dòng)化已經(jīng)成為油田進(jìn)口作業(yè)裝備的主要發(fā)展趨勢。對于修井作業(yè)下的油管作業(yè)任務(wù)，因?yàn)槿蝿?wù)量相對較大，工時(shí)較長，研制出符合油管作業(yè)的自動(dòng)化設(shè)備能夠顯著改善作業(yè)效率。開展修井作業(yè)過程中油管抓取移運(yùn)機(jī)器人研究具有非常重要的意義，能夠充分發(fā)揮機(jī)器人設(shè)備的價(jià)值，更好地指導(dǎo)自動(dòng)化修井作業(yè)的開展。

1 油管抓取移運(yùn)機(jī)器人設(shè)計(jì)要求

1.1 任務(wù)需求

在開展修井作業(yè)的過程中，結(jié)合油管的拉送、排放、抓取、扶正和對中、上卸扣等相關(guān)操作，所設(shè)計(jì)的油管抓取移運(yùn)機(jī)器人必須要具有多樣化的功能，具有系統(tǒng)底盤、排管系統(tǒng)、抓放管機(jī)械臂、上卸扣裝置以及井口作業(yè)起下裝置等，這樣才能夠滿足實(shí)際作業(yè)的需求[1]。油管抓取移運(yùn)機(jī)器人運(yùn)行的關(guān)鍵就在于能夠提高修井作業(yè)效率，所以必須要擁有優(yōu)化結(jié)構(gòu)，保證設(shè)計(jì)的輕量化，依靠小型系統(tǒng)來縮短作業(yè)部署實(shí)踐，盡快適應(yīng)實(shí)際工作環(huán)境。修井作業(yè)環(huán)節(jié)中較慢的任務(wù)就是機(jī)械臂抓放管，需要科學(xué)控制運(yùn)動(dòng)軌跡，并開展動(dòng)力學(xué)控制工作，使運(yùn)動(dòng)速度加快，優(yōu)化協(xié)調(diào)修井工作節(jié)奏。因?yàn)樾蘧鳂I(yè)任務(wù)量比較繁重，涉及多方面要素，要求油管抓取移運(yùn)機(jī)器人借助多種傳感器對作業(yè)信息、工件進(jìn)行感知，包括激光傳感器、視覺傳感器等，及時(shí)調(diào)整狀態(tài)，緩解人工勞動(dòng)量，使作業(yè)安全程度得到提升。

1.2 技術(shù)難點(diǎn)

油管抓取移運(yùn)機(jī)器人系統(tǒng)在進(jìn)行修井移動(dòng)作業(yè)的過程中，必須要符合輕量化和小型化的標(biāo)準(zhǔn)，能夠可靠、穩(wěn)定的運(yùn)行，而且還要做到安全系數(shù)較高，能夠應(yīng)對多種不同的自然環(huán)境，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境，持續(xù)、穩(wěn)定的運(yùn)行作業(yè)。同時(shí)結(jié)合上述任務(wù)需求，必須要優(yōu)化油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的結(jié)構(gòu)；對于油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的抓放管機(jī)械臂，也要擁有良好的精準(zhǔn)控制力，要保障大長徑比，很好地適應(yīng)加速、減速、起降等不同運(yùn)動(dòng)，動(dòng)載荷要達(dá)到實(shí)際運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，但是受震動(dòng)、彈性形變的影響，在設(shè)計(jì)過程中還應(yīng)盡可能地提高運(yùn)動(dòng)控制的精確程度；該系統(tǒng)要保證管柱自動(dòng)上卸扣的安全程度，應(yīng)結(jié)合螺紋裝配操作要求，利用液壓管鉗對扭矩變化進(jìn)行采集，對裝配扭矩變化特性進(jìn)行研究，明確上卸扣操作的柔順控制算法；系統(tǒng)也要具有在線監(jiān)測管柱參數(shù)、數(shù)據(jù)管理的功能[2]。在開展修井作業(yè)操作的實(shí)際過程中，應(yīng)全面掌握管柱參數(shù)，因?yàn)檫\(yùn)行損耗會(huì)導(dǎo)致參數(shù)出現(xiàn)改變，必須要實(shí)時(shí)獲取最新參數(shù)信息，分析其中存在的問題，包括信息融合、方位分布以及選取傳感器類型等。同時(shí)還要借助離線采集數(shù)據(jù)的方式，對作業(yè)過程中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，解決作業(yè)難題；因?yàn)橛凸茏ト∫七\(yùn)機(jī)器人的功能模塊較多，所以還要實(shí)現(xiàn)機(jī)電液系統(tǒng)的高效集成，將不同模塊有效地連接起來，實(shí)現(xiàn)彼此聯(lián)通，具有實(shí)時(shí)性的通信，在系統(tǒng)集成技術(shù)支持下才能夠形成統(tǒng)一的整體，更好地協(xié)調(diào)各項(xiàng)操作，完成修井作業(yè)任務(wù)。

2 油管抓取移運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

油管作業(yè)是修井作業(yè)中最主要的環(huán)節(jié)，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，開展起下油管智能化作業(yè)能夠顯著改善整個(gè)作業(yè)效率。當(dāng)前在修井作業(yè)過程中，井架機(jī)械手移送型、垂直移送型和大臂旋轉(zhuǎn)移送型等是應(yīng)用最多的移動(dòng)裝置，在對修井作業(yè)機(jī)械化系統(tǒng)進(jìn)行分析時(shí)，基于研究平臺(tái)設(shè)計(jì)出油管抓取移運(yùn)機(jī)器人，該裝置建立在PLC控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，擁有多個(gè)自由度，油管自動(dòng)定位、抓取長度為1m。油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的研發(fā)能夠優(yōu)化修井作業(yè)工藝，具有較強(qiáng)的性能。

用于修井作業(yè)的油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)主要包括：底座運(yùn)輸、夾管機(jī)械手、機(jī)械臂回轉(zhuǎn)、機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)、折疊升降以及底盤旋轉(zhuǎn)六部分，詳見圖1。

油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行部分主要是夾管機(jī)械手，借助氣缸驅(qū)動(dòng)連桿的途徑進(jìn)行作業(yè)。氣缸活塞桿伸長位移發(fā)生變化時(shí)，機(jī)器人手爪的張角也會(huì)出現(xiàn)改變，能夠?qū)Σ煌睆降墓茏舆M(jìn)行抓取。

圖1 油管抓取移運(yùn)機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

機(jī)器人裝置的機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的是北京和利時(shí)森創(chuàng)130MB-100B 型伺服電機(jī)，夾管機(jī)械手氣缸、電機(jī)輸出軸二者是同軸的。在法蘭的連接和固定下，油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械手能夠以y軸為中心進(jìn)行全方位的旋轉(zhuǎn)。

在該裝置的底盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)中，伺服電機(jī)（北京和利時(shí)森創(chuàng)150HMB360B型）能夠?qū)ξ佪單仐U傳動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而使上方結(jié)構(gòu)能夠以z軸為中心進(jìn)行全方位的旋轉(zhuǎn)。同時(shí)伺服電機(jī)（北京和利時(shí)森創(chuàng)110MP-120C 型）還可以對齒輪齒條結(jié)構(gòu)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并進(jìn)行直線滑軌，能夠順著y軸方向在150mm的位移范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)控。

油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的折疊升降結(jié)構(gòu)，主要功能就是對機(jī)械手的空間高度進(jìn)行調(diào)節(jié)，能夠順著z軸方向發(fā)生位移。借助剪叉結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，能夠利用液壓缸對鉸接桿件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，垂直方向上的抓管機(jī)械手的調(diào)整范圍為300mm。

機(jī)器人裝置的底座運(yùn)輸結(jié)構(gòu)能夠借助液壓缸對直線滑軌進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在螺釘作用下，能夠?qū)⒌鬃?、滑塊（直線滑軌內(nèi)）進(jìn)行固定和連接，同時(shí)利用連接座、螺釘，還可以將折疊升降機(jī)構(gòu)座、液壓缸活塞桿二者連接起來，這樣就能夠支持油管抓取移運(yùn)機(jī)器人在井口位置處，再沿x軸方向上發(fā)生位移改變，位移范圍為1 000mm。

3 油管抓取移運(yùn)機(jī)器人運(yùn)行原理分析

基于管排架、實(shí)驗(yàn)井口二者中的油管抓取移運(yùn)機(jī)器人，在開展修井作業(yè)時(shí)，具體運(yùn)行流程為：在管排架處對油管進(jìn)行抓取，并在實(shí)驗(yàn)井口處進(jìn)行移運(yùn)和定位；在井口處對油管進(jìn)行抓取，向管排架進(jìn)行移運(yùn)和排放。

首先，在管排架處對油管進(jìn)行抓取，并在實(shí)驗(yàn)井口處進(jìn)行移運(yùn)和定位操作的過程中，將機(jī)器人裝置的折疊升降降低到最低值，對機(jī)械臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，以特定角度對機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)結(jié)構(gòu)、夾管機(jī)械手進(jìn)行移動(dòng)；對液壓缸伸長進(jìn)行升降處理，在裝置的齒輪調(diào)結(jié)構(gòu)的作用下，可以使機(jī)械臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和之上結(jié)構(gòu)順著直線滑軌，不斷移動(dòng)到接近管排架；油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械手爪能夠向著油管處進(jìn)行精確的移動(dòng)，將手爪伸到油管間隙內(nèi)，之后在氣缸的驅(qū)動(dòng)作用下，就能夠使夾管機(jī)械手的手爪合攏，對油管進(jìn)行抓取。伺候可以伸長機(jī)器人的滑軌液壓缸，可以移至井架、管排架間；該裝置的機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，能夠使油管、機(jī)械手爪二者保持水平的狀態(tài)；將機(jī)器人的機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)結(jié)構(gòu)、操作底盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)均進(jìn)行正向的直角旋轉(zhuǎn)，能夠?qū)⑺椒较虻挠凸苻D(zhuǎn)變成豎直方向；機(jī)器人滑軌液壓缸在不斷向井口移動(dòng)的過程中，參考裝置折疊升降結(jié)構(gòu)、齒輪齒條的位移變化狀況，統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)控，確保在井口處對油管進(jìn)行定位，最終結(jié)束相關(guān)操作任務(wù)。

其次，開展在井口處對油管進(jìn)行抓取，向管排架進(jìn)行移運(yùn)和排放操作的過程中，具體流程為：對滑軌液壓缸和升降液壓缸均進(jìn)行伸長處理，在齒輪齒條結(jié)構(gòu)的作用下，使機(jī)械臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和之上結(jié)構(gòu)順著直線滑軌進(jìn)行移動(dòng)；將機(jī)器人的機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)結(jié)構(gòu)、操作底盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)均進(jìn)行正向直角旋轉(zhuǎn)，對夾管機(jī)械手方向統(tǒng)一進(jìn)行調(diào)整，保證夾管與井口相對，使機(jī)械手爪將油管抓緊。之后可以回縮機(jī)器人底座運(yùn)輸結(jié)構(gòu)的滑軌液壓缸，在井架、管排架中間移動(dòng)油管抓取移運(yùn)機(jī)器人；將機(jī)器人的機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)結(jié)構(gòu)、操作底盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)均進(jìn)行反向直角旋轉(zhuǎn)，將油管調(diào)整成水平狀態(tài)；向管排架特定位置處移動(dòng)滑軌液壓缸，參考調(diào)整后的齒輪齒條、折疊升降結(jié)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀況，向管排架預(yù)定位置處放置油管，松開夾管機(jī)械手，結(jié)束下管任務(wù)。

4 修井作業(yè)過程中油管抓取移運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)

結(jié)合油管抓取移運(yùn)機(jī)器人在修井作業(yè)過程中的操作步驟，對控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)所包括的元件主要有：紅外信號(hào)接收器、電源、位移傳感器、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、繼電器、工控機(jī)、電磁閥以及PLC等。該裝置的上位機(jī)是工控機(jī)，下位機(jī)應(yīng)用西門子S7-200 CPU226和擴(kuò)展模塊。借助機(jī)器人的位移傳感器，能夠在可編程控制器PLC內(nèi)的模擬量輸入模塊內(nèi)輸入相關(guān)信號(hào)，包括：機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)結(jié)構(gòu)角度、機(jī)械手回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)角度、底盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)位置、底盤旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)角度、折疊升降結(jié)構(gòu)位置和底座運(yùn)輸結(jié)構(gòu)位置等，之后借助通訊向工控機(jī)進(jìn)行傳輸，顯示出系統(tǒng)狀態(tài)，并處理、保存操作過程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)。機(jī)器人的工控機(jī)組態(tài)監(jiān)控程序，能夠依據(jù)PLC控制程度，在PLC的作用下，以模擬量、數(shù)字量的形式來輸出控制指令，對執(zhí)行結(jié)構(gòu)進(jìn)行管控，根據(jù)指令執(zhí)行相關(guān)操作，有效控制裝置，完成數(shù)據(jù)采集工作。

控制系統(tǒng)編制控制程序的過程中，要結(jié)合機(jī)器人的具體操作步驟，發(fā)揮態(tài)神Windows 3D版組態(tài)軟件的作用，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，將相關(guān)參數(shù)信息的設(shè)置和顯示呈現(xiàn)在組態(tài)界面中，包括：機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)轉(zhuǎn)角參數(shù)、機(jī)械手回轉(zhuǎn)角度參數(shù)、底盤旋轉(zhuǎn)角度參數(shù)、折疊升降位移參數(shù)和底座運(yùn)輸位移參數(shù)等。油管抓取移運(yùn)機(jī)器人控制系統(tǒng)也能夠一鍵自動(dòng)進(jìn)行對正、移動(dòng)及夾取等操作，非常便利化和智能化。

5 結(jié)語

本研究所設(shè)計(jì)的油管抓取移運(yùn)機(jī)器人憑借智能化和可移動(dòng)式的特征，擁有六大自由度運(yùn)動(dòng)，憑借多種功能模塊，在閉環(huán)控制模式下能夠穩(wěn)定調(diào)節(jié)不同運(yùn)動(dòng)，將油管的抓取、扶正以及對中等操作的自動(dòng)化完成變?yōu)榱爽F(xiàn)實(shí)，有效改善了修井作業(yè)整體效率，知道了修井作業(yè)的有序開展和進(jìn)行，為相關(guān)研究提供了參考意見。