李 倩 ，趙宏杰

（1.齊魯工業(yè)大學(xué)（山東省科學(xué)院），山東 濟(jì)南250014；2.山東省科學(xué)院自動(dòng)化研究所，山東 濟(jì)南250014；3.山東省機(jī)器人與制造自動(dòng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 濟(jì)南 250014；4.濟(jì)南同日數(shù)控設(shè)備有限公司，山東 濟(jì)南 250014）

0 引言

修井作業(yè)是石油與天然氣開采過程中的重要環(huán)節(jié)[1]，井口起下管柱作業(yè)是修井過程中頻率最高的作業(yè)形式[2]。我國(guó)油氣田每年進(jìn)行10多萬次各類修井任務(wù)[3]，尤其是井口起下管作業(yè)，以修井機(jī)提供動(dòng)力+人工操作方式為主，人工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)危險(xiǎn)性高、工作環(huán)境惡劣。隨著勞動(dòng)力成本不斷上升、供給逐漸減少，企業(yè)迫切需要自動(dòng)化、智能化的井口作業(yè)裝備，提升現(xiàn)有技術(shù)水平，改變傳統(tǒng)作業(yè)模式。

目前，歐美發(fā)達(dá)國(guó)家的油田井口作業(yè)裝備正在向模塊化、可移動(dòng)化、自動(dòng)化、智能化、機(jī)器人化的方向發(fā)展，在未來的油氣田，智能化的機(jī)器人將完全替代人工，完成復(fù)雜的井口作業(yè)任務(wù)。本文面向油氣田井口作業(yè)任務(wù)，設(shè)計(jì)一種移動(dòng)式、智能化的井口作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，融合了修井、作業(yè)多種功能，實(shí)現(xiàn)了對(duì)修井作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的自動(dòng)化操作。

1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求

1.1 任務(wù)需求分析

油氣田修井作業(yè)，尤其井口作業(yè)，主要是對(duì)油管進(jìn)行操作，包括：油管的拉、送和排放，油管抓取、扶正、對(duì)中及上卸扣等。據(jù)此，需開發(fā)系統(tǒng)底盤、排管系統(tǒng)、抓放管機(jī)械臂、用于井口作業(yè)的起下裝置和螺紋上卸扣裝置等功能模塊，構(gòu)成完整的機(jī)器人系統(tǒng)[4-6]。

作業(yè)效率，包括部署時(shí)間和工作節(jié)拍，是該系統(tǒng)能否實(shí)用的關(guān)鍵因素。進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化設(shè)計(jì)，有助于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化，提高其環(huán)境適應(yīng)和快速部署能力；機(jī)械臂抓放管是整個(gè)工作過程中最慢的環(huán)節(jié)，對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行軌跡規(guī)劃和動(dòng)力學(xué)控制，將提高機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)速度，提升整體工作節(jié)拍。

井口作業(yè)任務(wù)復(fù)雜，不確定因素多，通過視覺、激光、力覺等傳感器感知工件及作業(yè)信息，結(jié)合信息進(jìn)行控制策略動(dòng)態(tài)調(diào)整，能夠提高系統(tǒng)柔性，減少作業(yè)中的人工干預(yù)，提高生產(chǎn)的安全性。

1.2 主要技術(shù)難點(diǎn)

（1）兼顧可靠性的小型化、輕量化

為提高機(jī)器人系統(tǒng)的移動(dòng)作業(yè)能力，設(shè)計(jì)上需要整機(jī)小型化、結(jié)構(gòu)輕量化；但作為戶外作業(yè)裝備，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)又必須具備較高的安全系數(shù)，以適應(yīng)大風(fēng)、雨雪、酷熱和嚴(yán)寒等自然環(huán)境。如何二者兼顧，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提出了很高的要求。

（2）抓放管機(jī)械臂的精確、柔順控制

抓放管機(jī)械臂具有大長(zhǎng)徑比，是典型的運(yùn)動(dòng)彈性部件。在實(shí)際運(yùn)行中，不管是起降還是加減速，機(jī)械臂承受的都是動(dòng)載荷，彈性變形和振動(dòng)非常明顯，對(duì)精確運(yùn)動(dòng)控制造成很大的困難。機(jī)械臂抓取管柱并進(jìn)行扶正的過程，涉及到大質(zhì)量、大慣量負(fù)載的位姿變化，為避免因運(yùn)動(dòng)不平滑、不連續(xù)造成的沖擊，需要進(jìn)行特殊的動(dòng)力學(xué)分析，合理規(guī)劃管柱運(yùn)動(dòng)軌跡，并設(shè)計(jì)柔順控制的算法。

（3）管柱自動(dòng)上卸扣過程的安全性

需要研究螺紋裝配中所有的錯(cuò)誤操作，通過液壓管鉗中的力傳感器采集螺紋裝配時(shí)的扭矩變化，分析螺紋裝配失敗和成功操作的扭矩變化特性，從而給出螺紋上卸扣操作的柔順控制算法。螺紋裝配可以分為大扭矩低轉(zhuǎn)速和小扭矩高轉(zhuǎn)速兩個(gè)步驟。裝配過程中，需要檢測(cè)油管的步進(jìn)距離及旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，從而判定裝配或卸扣成功與否。

（4）管柱參數(shù)在線檢測(cè)與數(shù)據(jù)管理

排管、扶正、起下、上卸扣等一系列井口操作需要預(yù)知管柱參數(shù)信息，包括長(zhǎng)度和螺紋扣數(shù)等。但在反復(fù)使用過程中，管柱端口螺紋經(jīng)常損壞，修理后管柱參數(shù)信息會(huì)發(fā)生變化，需要重新獲取。剛起出的管柱表面往往覆蓋著泥沙、油污等，在線的檢測(cè)需要解決傳感器選型、方位布置、信息融合等問題；離線采集信息并進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，又要面對(duì)各油田統(tǒng)一管理難、油井?dāng)?shù)量多和管柱品種繁雜等困難。

（5）機(jī)電液系統(tǒng)高效集成

需要將機(jī)械本體系統(tǒng)、機(jī)載液壓動(dòng)力系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)等各單元系統(tǒng)整合為一個(gè)有機(jī)的整體。井口作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括多個(gè)功能模塊，各模塊之間的實(shí)時(shí)通信及協(xié)同操作是其系統(tǒng)集成的技術(shù)難點(diǎn)。每個(gè)模塊常包含多種類型部件，需要研究機(jī)械構(gòu)件、電機(jī)、電子器件及液壓部件等多種結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特性，從而保證模塊內(nèi)及各模塊之間的互聯(lián)互通。

2 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的基本組成

如圖1所示，移動(dòng)式油田井口作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)由系統(tǒng)底盤、檢傳排管系統(tǒng)、抓放管機(jī)械臂和井口作業(yè)系統(tǒng)四大模塊組成。系統(tǒng)底盤作為各部件和管柱的載體，具備姿態(tài)水平調(diào)整、井口位置對(duì)正、車載轉(zhuǎn)運(yùn)等功能；檢傳排管系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度檢測(cè)、管柱移進(jìn)、移出、更換、料庫(kù)多余管柱的排放；抓放管機(jī)械臂是銜接檢測(cè)排管系統(tǒng)與井口作業(yè)系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊，實(shí)現(xiàn)管柱高效、精確的抓放和扶正等操作；井口作業(yè)系統(tǒng)包含井架、硬性導(dǎo)軌、吊卡、液壓管鉗等，實(shí)現(xiàn)井口的扣卸吊卡、摘掛吊環(huán)、吊卡轉(zhuǎn)運(yùn)以及上卸扣工序。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

2.2 系統(tǒng)底盤的設(shè)計(jì)

如圖2所示，底盤設(shè)計(jì)四個(gè)液壓支腿支撐，可對(duì)料庫(kù)主體進(jìn)行上下調(diào)整和方便卡車轉(zhuǎn)運(yùn)；箱體安裝2組液壓缸，一組實(shí)現(xiàn)設(shè)備后端左右500 mm調(diào)正，另外一組可實(shí)現(xiàn)前后左右各500 mm調(diào)正，方便料庫(kù)主體相對(duì)井口進(jìn)行左右和前后調(diào)整。

圖2 系統(tǒng)底盤三維結(jié)構(gòu)

2.3 檢傳排管系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

檢傳排管系統(tǒng)包括料庫(kù)和檢傳裝置，三維機(jī)構(gòu)如圖3所示。

圖3 檢傳排管系統(tǒng)三維結(jié)構(gòu)

料庫(kù)分為三層并且內(nèi)部配有橫梁可以完成前、后和上、下方向的移動(dòng)，用于抓取不同型號(hào)的油管，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。采用PC機(jī)作為上位機(jī)，用于編寫指令程序、狀態(tài)顯示和與人機(jī)操作界面的雙向通信；采用PLC控制五個(gè)軸的順序運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手從立體倉(cāng)庫(kù)中抓取油管，軸1和軸2的功能用于控制立體倉(cāng)庫(kù)分別沿X軸和Y軸方向的微調(diào)；軸3和軸4用于控制橫梁沿前后方向和上下的直線運(yùn)動(dòng)；軸5用于控制橫梁上機(jī)械手的抓放運(yùn)動(dòng)。內(nèi)部建有油管信息的數(shù)據(jù)庫(kù)包括管長(zhǎng)、管徑等信息，可以根據(jù)作業(yè)需求實(shí)時(shí)調(diào)取。每一個(gè)油管擺放的位置帶有紅外線檢測(cè)裝置可以實(shí)時(shí)的檢測(cè)當(dāng)前位置有無油管，并將檢測(cè)的信息反饋到PC機(jī)內(nèi)部，PC機(jī)根據(jù)反饋到的信息來控制橫梁上機(jī)械手的下一步動(dòng)作。

圖4 料庫(kù)控制系統(tǒng)示意圖

檢傳裝置安裝在料庫(kù)主體正面，與抓放管機(jī)械臂、料庫(kù)主體內(nèi)部橫梁上的機(jī)械手配合，完成下油管的測(cè)量、準(zhǔn)備和油管的接送。

2.4 抓放管機(jī)械臂的設(shè)計(jì)

抓放管機(jī)械臂安裝在系統(tǒng)底盤上，設(shè)計(jì)成折疊機(jī)構(gòu)，內(nèi)置油缸帶動(dòng)鏈條鏈輪進(jìn)行傳動(dòng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂上端機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)；機(jī)械手安裝在折疊式旋轉(zhuǎn)機(jī)械臂上端，由鏈條鏈輪帶動(dòng)機(jī)械手旋轉(zhuǎn)，由抓取缸將油管抓緊和松開，升降油缸實(shí)現(xiàn)油管升降，手爪內(nèi)側(cè)配有不同型號(hào)可更換的卡環(huán)，可實(shí)現(xiàn)不同型號(hào)油管的抓放。抓放管機(jī)械臂的三維結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 抓放管機(jī)械臂三維結(jié)構(gòu)

2.5 井口作業(yè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

井口作業(yè)系統(tǒng)包括井架、硬性導(dǎo)軌裝置和液壓管鉗轉(zhuǎn)送裝置等。硬性導(dǎo)軌裝置安裝在底盤前端，具有測(cè)量裝置，隨時(shí)將信息反饋到工業(yè)計(jì)算機(jī)，時(shí)刻顯示井管相對(duì)位置，兩邊硬性導(dǎo)軌可保證吊卡整體運(yùn)行平穩(wěn)、運(yùn)行軌跡方向性，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)吊卡上下的硬性導(dǎo)正；液壓管鉗轉(zhuǎn)送裝置安裝在硬性導(dǎo)軌裝置下端，整個(gè)裝置有上下和前后移動(dòng)功能，通過上下和前后進(jìn)給完成管鉗相對(duì)工作狀態(tài)的就位和離開，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)起下油管的上卸扣，其工作過程由數(shù)控系統(tǒng)控制，上端配有導(dǎo)正槽，便于油管進(jìn)入管鉗內(nèi)部，連接盤方便更換安裝各類型液壓管鉗；該裝置配有檢測(cè)裝置，在上扣時(shí)檢測(cè)液壓鉗的扭矩，卸扣時(shí)檢測(cè)液壓鉗的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，其三維結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 液壓管鉗轉(zhuǎn)送裝置三維結(jié)構(gòu)

2.6 系統(tǒng)的工作流程

車輛搭載系統(tǒng)到達(dá)作業(yè)地點(diǎn)后，系統(tǒng)底盤的液壓支腿支撐，進(jìn)行井口的對(duì)正；井架升起并調(diào)整角度使其與地面成約為82°的夾角；起油管時(shí)，吊卡沿著硬性導(dǎo)軌裝置將油管接箍提升至液壓管鉗處，液壓管鉗的定鉗固定下油管不動(dòng)，動(dòng)鉗旋轉(zhuǎn)將所取油管擰開；抓放管機(jī)械臂抓取油管運(yùn)動(dòng)至水平位置；油管被橫梁油管抓放機(jī)械手送至料庫(kù)。下油管的過程只需將起油管的過程反過來即可。整個(gè)系統(tǒng)的工作流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)的工作流程

3 系統(tǒng)樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，制造了系統(tǒng)樣機(jī)，如圖8所示，并在國(guó)內(nèi)某油田進(jìn)行了功能和性能指標(biāo)的驗(yàn)證。樣機(jī)能夠適應(yīng)73 mm、89 mm兩種直徑規(guī)格油管，油管長(zhǎng)度在9 000 mm和9 700 mm之間；底盤系統(tǒng)承載能力大于5 000 kg，前后和左右各500 mm位置調(diào)節(jié)余量，方便系統(tǒng)與井口對(duì)正；檢傳排管系統(tǒng)采用橫向排管方式，最大裝管容量192根；抓放管機(jī)械臂具有2個(gè)自由度，最大負(fù)載能力100 kg，最大臂展10 000 mm；井口作業(yè)系統(tǒng)高度21 m，起升重量50 T，最大起升速度2 m/s；整機(jī)外形（長(zhǎng)×寬×高）13.5 m×4.9 m×16.5 m，整機(jī)重量29 T；采用電網(wǎng)供電，總功率30 kW.

圖8 井口作業(yè)機(jī)器人樣機(jī)

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種移動(dòng)式、智能化井口作業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)。實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)油管的拉送、排放、抓取、扶正、對(duì)中及上卸扣操作，提高了修井作業(yè)效率，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，具有良好的應(yīng)用前景。