基于SolidWorks 與Matlab 的無游梁式抽油機仿真平臺設計

曹忠亮，郭登科，張宏斌，胡清明

（齊齊哈爾大學 機電工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161001）

抽油機是油田開采過程中的主要設備，其執(zhí)行機構直接影響著工作效率。Matlab 中的SimMechanics是專門用于機械領域建模仿真的機構系統(tǒng)模塊集，可以使機構仿真結果更加直觀[1-3]。SimMechanics 模塊是以牛頓經典力學中力和力矩等基本概念為基礎編寫的，適用于各種運動副連接的剛性構件的建模與仿真，能夠對機電控制系統(tǒng)進行分析與設計[4]。

國內外研究者已經利用SimMechanics 對不同的機構模型進行了大量研究[5-7]?？敌庞碌萚8]以六自由度工業(yè)機械臂ER10 為研究對象建立其對應的SimMechanics仿真平臺，并進行運動學和動力學分析。趙元等[9]利用SimMechanics 仿真平臺對3UPU/UPS 并聯(lián)機器人進行仿真研究，在仿真平臺中增加PID 控制模塊。彭學鋒等[10]基于SimMechanics 對兩輪機器人進行仿真。季嘩等[11]利用SimMechanics 建立4-UPS/PPU 并聯(lián)機構運動模型，得到運動平臺對應的位置、速度等變量的變化規(guī)律。

本文針對黑龍江省大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“一種新型無游梁式抽油機設計”，以無游梁式抽油機的執(zhí)行機構為例，將虛擬仿真技術應用到實際教學環(huán)節(jié)，提出一種使用SolidWorks 與Matlab 搭建物理模型仿真的方法，實現(xiàn)三維虛擬樣機的建模及運動仿真，并采用PID控制器對模型進行優(yōu)化設計，驗證運動軌跡特性。在無梁式抽油機虛擬仿真平臺搭建過程中，學生可以很好地領會建模與控制過程，快速掌握執(zhí)行機構中的繞輪軸和配重塊的位移圖，并基于配重塊的實際軌跡，得到執(zhí)行機構運動學模塊隨時間的變化規(guī)律；學生可以直觀地對抽油機虛擬結構進行相應的優(yōu)化設計，有利于提高獨立思維能力和創(chuàng)新意識，降低研發(fā)工作量。

1 無游梁式抽油機執(zhí)行機構

新型無游梁式抽油機由控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)組成，如圖1 所示，主要通過電網驅動電動機帶動抽油泵往復運行?？蚣茼敹藘蓚扔袃蓚€固定的吊耳，一端固定鋼絲，另外一端鋼絲進行換向，下端與油井相連接。中間為傳動裝置，由帶傳動和齒輪減速器完成對電機的第一級和第二級的減速工作，完成對減速器輸出扭矩輔助做功，用空間來換取效率，大大降低了電機的平均功率，達到了節(jié)能的效果。該設計方案已經獲得國家專利[12]。

圖1 抽油機基本構成

無游梁式抽油機的執(zhí)行機構包括：主軸、大曲柄、小曲柄和配重塊。主軸外圓周面固定套內有行星輪系的太陽輪和大曲柄大端，行星輪系的內齒圈設有外輪齒，內齒圈的外輪齒與同步帶傳動機構的主動帶輪嚙合連接。曲柄軸外圓周面固定套裝有同步帶傳動機構的從動帶輪、大曲柄小端和小曲柄大端，小曲柄小端與配重塊固定連接。兩個定滑輪裝置均通過各自的輪軸固定安裝在機架上部的左右兩端，扁鋼絲繩一端與位于右側的定滑輪裝置固定連接，另一端依次繞過繞輪和定滑輪裝置與懸繩器上端固定連接。為保證輔助效果最佳，大曲柄和小曲柄的旋轉方向相反，旋轉速度相同，初始位置大、小曲柄間要有一定的夾角。

2 從SolidWorks三維軟件導入SimMechanics

使用Matlab 建模時，常常遇到簡單模塊難以表示的零件，通常解決方法是通過Matlab 編程語言自己編寫模塊，如抽油機中的曲柄模塊。零件復雜程度越高，編寫程序越難，嚴重阻礙了仿真進度。本研究將用于三維實體設計的SolidWorks、Pro/E 等軟件的模型改為可以導入SimMechanics 中的XML 文件，從而避開對復雜零件的自定義模塊編程工作。

利用SolidWorks 強大的三維建模功能建模，完整的無游梁式抽油機SolidWorks 模型如圖2 所示，模型包括抽油機的機架、電動機等零件。將SolidWorks 模型另存為可導入SimMechanics 的文件，同時生成記錄零件尺寸的STL 文件。

圖2 抽油機SolidWorks 模型

此外，設計者還可以將SolidWorks 模型另存為VRML 模型，通過Simulink 下的Simulink 3D Animation進行虛擬仿真。Simulink 3D Animation 可以建立待仿真機器的虛擬樣機和虛擬環(huán)境，在最接近實際情況下進行仿真。通過Simulink 3D Animation 仿真后可以直接生成控制系統(tǒng)的C 語言程序，省去了后期編程工作，從而大大提高了仿真效率，縮短了研發(fā)周期。

3 仿真平臺組建與分析

3.1 自定義曲柄模型

在對曲柄進行建模時，首先需要以軸連接孔圓心為拆分點將曲柄拆分成3 個部分：Left、Main Link、Right。每一部分的截面形狀都是封閉圖形。建立曲柄模型的順序是先中間后兩邊。每個部分都需要一個Solid（剛體）模塊來建模，然后通過Rigid transform（剛性變換）模塊定義兩剛體間的相對位置并連接成一個完整的曲柄模塊。

建立模型之前，首先要用Matlab 語言定義拉伸體的截面形狀。在Matlab 上新建腳本文件并命名，在編輯區(qū)內寫入腳本程序。建立好曲柄模型后，需要進行封裝處理。將曲柄模型封裝成模塊形式，有利于隨時更改參數(shù)、調整仿真狀態(tài)。使用同樣的方法建立基座、繞輪軸和配重塊的模塊。

3.2 組裝模型

根據抽油機零件裝配關系，將基座、曲柄、繞輪軸和配重塊依次連接。仿真結果通過Scope（示波器）和XY graph（坐標系圖形）顯示。由于建模過程中坐標系頻繁轉換，仿真結果以主坐標系為準，因此需要Transform sensor（坐標轉換）模塊連接在被測位置和主坐標系之間，如圖3 所示。SimMechanics 的模塊之間信號為物理信號，而 Scope、XY graph 只接受Simulink 信號，因此需要使用PS-simulink converter（信號轉換）模塊預先進行信號轉換處理[13-14]。

圖3 執(zhí)行機構模型

3.3 PID 控制模塊

在無控制情況下的SimMechanics 仿真得到的結果十分混亂，不能滿足設計使用要求，因此需要添加PID 控制模塊對模型的運動進行控制。將 Revolute joint 模塊設置為輸入扭矩、輸出轉速，將輸入信號和輸出信號分別接入PID 控制器兩端，結合抽油機工作參數(shù)，添加常數(shù)模塊表示輸入的轉速，設置其值為0.2π，如圖4 所示。

PID 控制模塊初始狀態(tài)下默認P 和I 的值為1、D值為0。PID 控制模塊接入模型后，可以直接進行P、I、D 參數(shù)修改。進入Tune 界面后，系統(tǒng)會預先模擬運行模型程序，然后得到相應的傳遞函數(shù)曲線，設計者可以直接用鼠標滑動Response time（響應時間）滑塊更改傳遞函數(shù)曲線，滑動Transient behavior（瞬態(tài)行為）滑塊更改模型的魯棒性，直到模型符合要求為止。同時，還可以點擊繪圖命令來添加系統(tǒng)的Bode圖，以便直接觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足設計使用要求時，直接將參數(shù)寫入PID 控制模塊。

3.4 仿真結果

在含PID 控制模塊的系統(tǒng)中，繞輪軸的位移如圖5 所示，配重塊的位移如圖6 所示，配重塊的實際軌跡如圖7 所示。

從仿真結果圖像不難看出，該抽油機執(zhí)行機構的運動周期是10 s，上下最大位移量為0.9 m。配重塊的運動軌跡呈橢圓形，速度無明顯變化，運行平穩(wěn)，無振動。配重塊在x、y 方向上運動不會同時處于極限位置，保證了機器能夠順利通過死點，在無外界干擾的情況下能夠滿足生產需要。

圖4 含PID 控制的執(zhí)行機構模型

圖5 繞輪軸的位移圖

圖6 配重塊的位移圖

圖7 配重塊的實際軌跡圖

4 結論

利用SolidWorks 與Matlab 建立了新型無游梁式抽油機執(zhí)行機構的虛擬樣機，為抽油機產品的研發(fā)提供了更高效的仿真方式。在控制方面，采用PID 控制器對模型進行優(yōu)化設計，得到了較為理想的仿真結果。仿真結果證實了該抽油機虛擬仿真平臺的可靠性。本文在對無游梁式抽油機的建模實驗中利用搭建的虛擬樣機進行了仿真，提高了設計及仿真的效率。通過仿真模型平臺，可以使學生掌握以下知識：

（1）通過Matlab 軟件中的SimMechanics 建模既不需要計算和搭建數(shù)學模型，也不需要大量的程序編寫工作，模型采用模塊搭建，省時省力，可以省去大量復雜的計算。

（2）通過隨時更改模型參數(shù)和運動參數(shù)，在同一平臺可進行控制系統(tǒng)和機械系統(tǒng)的仿真，僅通過直觀搭建的物理模型就可以進行實時分析，大大縮短了研發(fā)周期，降低研發(fā)工作量。

（3）通過仿真平臺設計可以提高學生的學習興趣，培養(yǎng)學生從書本理論到項目設計、再到實際應用的一整套思維方式，幫助學生掌握仿真平臺的相關編程算法，逐步提高科研能力和創(chuàng)新能力。