修井作業過程中油管抓取移運機器人研究

安 然

（中國石油大學 勝利學院機械與控制工程學院，遼寧遼中 257000）

作為天然氣、石油開采的關鍵環節，修井作業發揮著重要作用，其中井口起下管柱作業是常見作業形式，但是因為工作環境相對惡劣，人工勞動強度較大，危險性較高，影響了修井作業的順利完成。隨著社會的不斷發展，傳統修井作業模式的弊端日益呈現出來，智能化、自動化已經成為油田進口作業裝備的主要發展趨勢。對于修井作業下的油管作業任務，因為任務量相對較大，工時較長，研制出符合油管作業的自動化設備能夠顯著改善作業效率。開展修井作業過程中油管抓取移運機器人研究具有非常重要的意義，能夠充分發揮機器人設備的價值，更好地指導自動化修井作業的開展。

1 油管抓取移運機器人設計要求

1.1 任務需求

在開展修井作業的過程中，結合油管的拉送、排放、抓取、扶正和對中、上卸扣等相關操作，所設計的油管抓取移運機器人必須要具有多樣化的功能，具有系統底盤、排管系統、抓放管機械臂、上卸扣裝置以及井口作業起下裝置等，這樣才能夠滿足實際作業的需求[1]。油管抓取移運機器人運行的關鍵就在于能夠提高修井作業效率，所以必須要擁有優化結構，保證設計的輕量化，依靠小型系統來縮短作業部署實踐，盡快適應實際工作環境。修井作業環節中較慢的任務就是機械臂抓放管，需要科學控制運動軌跡，并開展動力學控制工作，使運動速度加快，優化協調修井工作節奏。因為修井作業任務量比較繁重，涉及多方面要素，要求油管抓取移運機器人借助多種傳感器對作業信息、工件進行感知，包括激光傳感器、視覺傳感器等，及時調整狀態，緩解人工勞動量，使作業安全程度得到提升。

1.2 技術難點

油管抓取移運機器人系統在進行修井移動作業的過程中，必須要符合輕量化和小型化的標準，能夠可靠、穩定的運行，而且還要做到安全系數較高，能夠應對多種不同的自然環境，能夠適應惡劣環境，持續、穩定的運行作業。同時結合上述任務需求，必須要優化油管抓取移運機器人的結構；對于油管抓取移運機器人的抓放管機械臂，也要擁有良好的精準控制力，要保障大長徑比，很好地適應加速、減速、起降等不同運動，動載荷要達到實際運行標準，但是受震動、彈性形變的影響，在設計過程中還應盡可能地提高運動控制的精確程度；該系統要保證管柱自動上卸扣的安全程度，應結合螺紋裝配操作要求，利用液壓管鉗對扭矩變化進行采集，對裝配扭矩變化特性進行研究，明確上卸扣操作的柔順控制算法；系統也要具有在線監測管柱參數、數據管理的功能[2]。在開展修井作業操作的實際過程中，應全面掌握管柱參數，因為運行損耗會導致參數出現改變，必須要實時獲取最新參數信息，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。同時還要借助離線采集數據的方式，對作業過程中的相關數據進行管理，解決作業難題；因為油管抓取移運機器人的功能模塊較多，所以還要實現機電液系統的高效集成，將不同模塊有效地連接起來，實現彼此聯通，具有實時性的通信，在系統集成技術支持下才能夠形成統一的整體，更好地協調各項操作，完成修井作業任務。

2 油管抓取移運機器人結構設計

油管作業是修井作業中最主要的環節，需要耗費大量的時間，開展起下油管智能化作業能夠顯著改善整個作業效率。當前在修井作業過程中，井架機械手移送型、垂直移送型和大臂旋轉移送型等是應用最多的移動裝置，在對修井作業機械化系統進行分析時，基于研究平臺設計出油管抓取移運機器人，該裝置建立在PLC控制系統的基礎上，擁有多個自由度，油管自動定位、抓取長度為1m。油管抓取移運機器人的研發能夠優化修井作業工藝，具有較強的性能。

用于修井作業的油管抓取移運機器人的主體結構主要包括：底座運輸、夾管機械手、機械臂回轉、機械手擺動、折疊升降以及底盤旋轉六部分，詳見圖1。

油管抓取移運機器人的執行部分主要是夾管機械手，借助氣缸驅動連桿的途徑進行作業。氣缸活塞桿伸長位移發生變化時，機器人手爪的張角也會出現改變，能夠對不同直徑的管子進行抓取。

圖1 油管抓取移運機器人結構設計圖

機器人裝置的機械手擺動結構應用的是北京和利時森創130MB-100B 型伺服電機，夾管機械手氣缸、電機輸出軸二者是同軸的。在法蘭的連接和固定下，油管抓取移運機器人的機械手能夠以y軸為中心進行全方位的旋轉。

在該裝置的底盤旋轉結構中，伺服電機（北京和利時森創150HMB360B型）能夠對蝸輪蝸桿傳動結構進行驅動，從而使上方結構能夠以z軸為中心進行全方位的旋轉。同時伺服電機（北京和利時森創110MP-120C 型）還可以對齒輪齒條結構進行驅動，并進行直線滑軌，能夠順著y軸方向在150mm的位移范圍內進行調控。

油管抓取移運機器人的折疊升降結構，主要功能就是對機械手的空間高度進行調節，能夠順著z軸方向發生位移。借助剪叉結構的特點，能夠利用液壓缸對鉸接桿件進行驅動，垂直方向上的抓管機械手的調整范圍為300mm。

機器人裝置的底座運輸結構能夠借助液壓缸對直線滑軌進行驅動，在螺釘作用下，能夠將底座、滑塊（直線滑軌內）進行固定和連接，同時利用連接座、螺釘，還可以將折疊升降機構座、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機器人在井口位置處，再沿x軸方向上發生位移改變，位移范圍為1 000mm。

3 油管抓取移運機器人運行原理分析

基于管排架、實驗井口二者中的油管抓取移運機器人，在開展修井作業時，具體運行流程為：在管排架處對油管進行抓取，并在實驗井口處進行移運和定位；在井口處對油管進行抓取，向管排架進行移運和排放。

首先，在管排架處對油管進行抓取，并在實驗井口處進行移運和定位操作的過程中，將機器人裝置的折疊升降降低到最低值，對機械臂回轉結構進行調整，以特定角度對機械手擺動結構、夾管機械手進行移動；對液壓缸伸長進行升降處理，在裝置的齒輪調結構的作用下，可以使機械臂回轉結構和之上結構順著直線滑軌，不斷移動到接近管排架；油管抓取移運機器人的機械手爪能夠向著油管處進行精確的移動，將手爪伸到油管間隙內，之后在氣缸的驅動作用下，就能夠使夾管機械手的手爪合攏，對油管進行抓取。伺候可以伸長機器人的滑軌液壓缸，可以移至井架、管排架間；該裝置的機械手擺動結構進行旋轉，能夠使油管、機械手爪二者保持水平的狀態；將機器人的機械手擺動結構、操作底盤旋轉結構均進行正向的直角旋轉，能夠將水平方向的油管轉變成豎直方向；機器人滑軌液壓缸在不斷向井口移動的過程中，參考裝置折疊升降結構、齒輪齒條的位移變化狀況，統一進行調控，確保在井口處對油管進行定位，最終結束相關操作任務。

其次，開展在井口處對油管進行抓取，向管排架進行移運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行伸長處理，在齒輪齒條結構的作用下，使機械臂回轉結構和之上結構順著直線滑軌進行移動；將機器人的機械手擺動結構、操作底盤旋轉結構均進行正向直角旋轉，對夾管機械手方向統一進行調整，保證夾管與井口相對，使機械手爪將油管抓緊。之后可以回縮機器人底座運輸結構的滑軌液壓缸，在井架、管排架中間移動油管抓取移運機器人；將機器人的機械手擺動結構、操作底盤旋轉結構均進行反向直角旋轉，將油管調整成水平狀態；向管排架特定位置處移動滑軌液壓缸，參考調整后的齒輪齒條、折疊升降結構的運動狀況，向管排架預定位置處放置油管，松開夾管機械手，結束下管任務。

4 修井作業過程中油管抓取移運機器人控制系統

結合油管抓取移運機器人在修井作業過程中的操作步驟，對控制系統進行設計，該系統所包括的元件主要有：紅外信號接收器、電源、位移傳感器、伺服電機驅動器、繼電器、工控機、電磁閥以及PLC等。該裝置的上位機是工控機，下位機應用西門子S7-200 CPU226和擴展模塊。借助機器人的位移傳感器，能夠在可編程控制器PLC內的模擬量輸入模塊內輸入相關信號，包括：機械手擺動結構角度、機械手回轉結構角度、底盤旋轉結構位置、底盤旋轉結構角度、折疊升降結構位置和底座運輸結構位置等，之后借助通訊向工控機進行傳輸，顯示出系統狀態，并處理、保存操作過程中出現的數據。機器人的工控機組態監控程序，能夠依據PLC控制程度，在PLC的作用下，以模擬量、數字量的形式來輸出控制指令，對執行結構進行管控，根據指令執行相關操作，有效控制裝置，完成數據采集工作。

控制系統編制控制程序的過程中，要結合機器人的具體操作步驟，發揮態神Windows 3D版組態軟件的作用，實時監控系統，將相關參數信息的設置和顯示呈現在組態界面中，包括：機械手擺動轉角參數、機械手回轉角度參數、底盤旋轉角度參數、折疊升降位移參數和底座運輸位移參數等。油管抓取移運機器人控制系統也能夠一鍵自動進行對正、移動及夾取等操作，非常便利化和智能化。

5 結語

本研究所設計的油管抓取移運機器人憑借智能化和可移動式的特征，擁有六大自由度運動，憑借多種功能模塊，在閉環控制模式下能夠穩定調節不同運動，將油管的抓取、扶正以及對中等操作的自動化完成變為了現實，有效改善了修井作業整體效率，知道了修井作業的有序開展和進行，為相關研究提供了參考意見。