李順治

摘? 要：結(jié)合工程上對修井作業(yè)過程中對油管進(jìn)行抓取的實(shí)際需求，結(jié)合PLC技術(shù)，設(shè)計(jì)出六自由度修井作業(yè)油管抓取移運(yùn)機(jī)械人用于修井作業(yè)。油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的主要構(gòu)造由底座、升降機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)和機(jī)械手等組成?？梢詫?shí)現(xiàn)對油管的抓取、移動(dòng)以及定位作業(yè)，實(shí)現(xiàn)修井作業(yè)過程中的油管移動(dòng)的各項(xiàng)需求。

關(guān)鍵詞：修井作業(yè)? 油管抓取? 機(jī)器人

中圖分類號：TP24 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2020）01（b）-0066-02

由于修井作業(yè)中的油管作業(yè)有著很多的工作量，而且占用較多的時(shí)間。所以需要結(jié)合油管作業(yè)的實(shí)際情況，提高油管作業(yè)的自動(dòng)化程度。研發(fā)出一種基于PLC技術(shù)控制多自由度油管抓取移運(yùn)機(jī)器人作為目標(biāo)裝置，可以實(shí)現(xiàn)在1m的范圍內(nèi)對油管進(jìn)行抓取和移位功能。

1? 修井作業(yè)過程中油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的總體結(jié)構(gòu)

修井作業(yè)油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的空間結(jié)構(gòu)如圖1所示，修井作業(yè)油管抓取移運(yùn)機(jī)器人在組成部件上由機(jī)械手、擺動(dòng)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)等組成。機(jī)械手主要是對油管進(jìn)行抓取的機(jī)構(gòu)，通過機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)對油管的快速抓取。擺動(dòng)機(jī)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手能圍繞固定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)。回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手能夠圍繞水平方向進(jìn)行自由的旋轉(zhuǎn)，當(dāng)面對位置不準(zhǔn)確的油管進(jìn)行自由調(diào)節(jié)位置。底盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要是使得傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能在垂直方向進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，還能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)在水平方向上進(jìn)行設(shè)計(jì)范圍內(nèi)的區(qū)間進(jìn)行自由移動(dòng)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)將油管進(jìn)行自由的移動(dòng)。折疊升降機(jī)構(gòu)主要是讓機(jī)械手在不同的高度的時(shí)候，可以進(jìn)行升高或者降低的移動(dòng)。由于液壓缸能夠直接作用于接桿件，可以讓機(jī)械手在垂直方向上實(shí)現(xiàn)3m的自由移動(dòng)。底座運(yùn)輸機(jī)構(gòu)則主要是對直線滑軌進(jìn)行作用。由于升降機(jī)構(gòu)的底座直接與滑塊進(jìn)行連接，這使得液壓缸能夠直接使得機(jī)器人在井口的位置內(nèi)實(shí)現(xiàn)10m的自由移動(dòng)，從而可以將油管從井口內(nèi)移到井口外或者是將油管從井口外移動(dòng)到井口內(nèi)。

2? 修井作業(yè)過程中油管抓取移運(yùn)機(jī)器人工作原理

2.1 從管排架抓取油管并移運(yùn)至實(shí)驗(yàn)井口定位

從管排架抓取油管并移運(yùn)至實(shí)驗(yàn)井口定位需要操作折疊升降機(jī)構(gòu)降低到最低水平，調(diào)整機(jī)械臂中的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)使得機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)與夾管能夠在合理的范圍內(nèi)進(jìn)行移動(dòng)。通過升高液壓缸，能夠使得機(jī)械臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)沿著固定的方向進(jìn)行運(yùn)動(dòng)。機(jī)械手臂按照設(shè)計(jì)的方向?qū)τ凸苓M(jìn)行抓取。在完成油管抓取以后，滑軌液壓缸進(jìn)行伸長，機(jī)器人將會(huì)移動(dòng)到管排架以及井架之間。機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)將會(huì)旋轉(zhuǎn)到水平方向，操作底盤將會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直方向，通過升降機(jī)構(gòu)以及機(jī)械內(nèi)的各個(gè)部位移動(dòng)，使得油管能夠正對著口井。

2.2 從井口抓取油管并移運(yùn)至管排架排放

從井口抓取油管并移運(yùn)至管排架排放主要是滑軌液壓缸不斷伸長，機(jī)械臂回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)能夠在機(jī)械內(nèi)部的齒輪帶動(dòng)作用下進(jìn)行滑軌，底盤則轉(zhuǎn)動(dòng)到原先垂直的方向，機(jī)械手?jǐn)[動(dòng)也會(huì)旋轉(zhuǎn)到之前的垂直方向。在這個(gè)時(shí)候，調(diào)節(jié)設(shè)備，使得能夠?qū)?zhǔn)井口，在完成油管抓取以后，液壓缸進(jìn)行回縮，機(jī)器人將會(huì)帶領(lǐng)油管移動(dòng)到井架位置。機(jī)械手臂再轉(zhuǎn)動(dòng)垂直方向，底盤旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)也反向轉(zhuǎn)動(dòng)到垂直方向，使得油管從空間上的垂直轉(zhuǎn)變?yōu)榭臻g上的水平狀態(tài)。滑軌液壓缸能夠直接運(yùn)動(dòng)到程序所指定的地方，結(jié)合機(jī)械內(nèi)部的齒輪運(yùn)轉(zhuǎn)，能夠?qū)⒂凸苓\(yùn)動(dòng)到預(yù)先的位置，從而能實(shí)現(xiàn)將油管下放到指定的地方。

3? 油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)

依照上述油管抓取移運(yùn)機(jī)器人對油管進(jìn)行相應(yīng)操作，其中包括了對PLC、開關(guān)電源、繼電器、行程開關(guān)等控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于工控機(jī)是作為系統(tǒng)中的上位機(jī)進(jìn)行使用，選擇西門子的S7-200CPU226作為此次設(shè)計(jì)過程中的下位機(jī)。該系統(tǒng)能夠通過各個(gè)信號發(fā)射裝置，將信息傳輸?shù)捷斎肽K中，然后再將處理過后的信息傳遞到工控機(jī)上，以實(shí)現(xiàn)對所輸入的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的處理。工控機(jī)的監(jiān)控程序包括了對PLC數(shù)字的輸出，并通過系統(tǒng)中相應(yīng)的模塊進(jìn)行處理輸出信號，最終達(dá)到對整個(gè)控制裝置的信息收集以及控制?？刂瞥绦蛑饕Y(jié)合現(xiàn)場的油管抓取詳細(xì)工作需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過組態(tài)軟件來對機(jī)器人的實(shí)際運(yùn)作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，在組態(tài)軟件上可以實(shí)現(xiàn)對油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的各項(xiàng)運(yùn)動(dòng)參數(shù)的收集以及展示。該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)對油管抓取移運(yùn)機(jī)器人的自動(dòng)抓取油管操作、系統(tǒng)校正操作等。

4? 結(jié)語

基于PLC技術(shù)控制多自由度油管抓取移運(yùn)機(jī)器人能夠在三維空間上實(shí)現(xiàn)6個(gè)自由度的工作，該機(jī)器人能夠通過閉環(huán)進(jìn)行控制，能夠?qū)\(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)施的控制以及調(diào)節(jié)，為后續(xù)對修井作業(yè)過程中的機(jī)械裝置自動(dòng)化升級和研發(fā)提供了參考的解決方法。

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