膨脹波紋管焊接機器人的研制及其機構運動分析

陶興華，朱宏武，曾義金，徐立力

(1.中國石油大學機械與儲運工程學院，北京 102249;2.中石化石油工程技術研究院，北京 100101;3.北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

膨脹波紋管焊接機器人的研制及其機構運動分析

陶興華1，2，朱宏武1，曾義金2，徐立力3

(1.中國石油大學機械與儲運工程學院，北京 102249;2.中石化石油工程技術研究院，北京 100101;3.北京化工大學機電工程學院，北京 100029)

對一種滿足“8”字型膨脹波紋管自動焊接的機器人進行研究。分析膨脹波紋管結構特點，提出基于焊接小車、微型跟蹤執(zhí)行機構、微型焊槍、高低跟蹤機構的機器人系統機構方案，對機器人系統機構方案進行運動分析，建立基于D-H法則的焊接機器人運動學模型，通過模型分析及Matlab仿真驗證機構模型的正確性。結果表明，建立的基于壓力檢測的焊接小車與微型跟蹤執(zhí)行機構協同作業(yè)機制，解決了“8”字形波紋管斷面的機器人焊縫軌跡跟蹤問題。仿真結果驗證了所建機構模型的正確性。

膨脹波紋管;焊接機器人;D-H法則;運動學模型;分析

目前石油勘探開發(fā)主要朝著深層系、灘海和海上發(fā)展，深井、超深井的施工逐漸增多，鉆井的難度也越來越大，在鉆井施工過程中鉆遇漏失、不穩(wěn)定等復雜地層時勢必會多層下入套管封隔，鉆遇復雜地層不僅鉆井成本增加，也往往會造成鉆井未達設計井深，制約著深井鉆井技術水平的提高［1-2］。膨脹波紋管技術(expandable profile liner，EPL)是封隔復雜地層的一項新型技術。在鉆遇復雜地層時，用波紋管技術封固，不改變原井眼通徑，減少施工難度，降低鉆井成本，有利于提高采收率，因此膨脹波紋管技術被譽為21世紀油氣井鉆井技術的革命［3-6］。連接技術是膨脹波紋管技術應用推廣的關鍵技術之一，由于膨脹波紋管的截面形狀比較復雜，主要采用焊接連接。目前國內外膨脹波紋管施工中的焊接均采用手工焊，焊接的質量和效率較低。采用機器人焊接已成為焊接技術自動化的主要標志［7］。采用常規(guī)的焊接機器人或自動焊接設備難以實現波紋管的自動焊接。筆者在常規(guī)的管道全位置焊接機器人［8］基礎上，研究開發(fā)一種能實現膨脹波紋管自動焊接的機器人，并對機器人機構運動進行分析。

1 波紋管焊接機器人機構方案

1.1 膨脹波紋管斷面分析

膨脹波紋管的斷面形狀有“8”字型和多瓣梅花型結構，其中“8”字型斷面容易壓制成型和膨脹，且具有較大的膨脹率。與“8”字型斷面波紋管相比，多瓣梅花型結構波紋管的斷面不容易壓制成型，在相同膨脹率條件下的波紋管成型及膨脹后的應變均較大，膨脹后的不圓度增大，壁厚不均勻，抗外擠強度低。因而，本文研究“8”字型膨脹波紋管，其斷面如圖1所示。

圖1 膨脹波紋管斷面示意圖Fig.1 Schematic diagram of section of expandable profile liner

膨脹波紋管的斷面具有以下特點:

(1)外形尺寸小。波紋管水平外徑為225 mm，波高為178 mm，截面整體外形尺寸較小。

(2)由多段圓弧組成。波紋管斷面由多斷圓弧分段組成，既有外圓弧到內圓弧再到外圓弧的變化，又有各段圓弧半徑尺寸的較大變化，最小圓弧半徑只有28 mm。

(3)波谷小。波谷段的圓弧半徑只有28 mm，可提供的焊接操作空間小。

(4)成型誤差較大。由于制管工藝的限制，實際的波紋管斷面與設計斷面存在一定的成型誤差。

基于以上特點，要實現膨脹波紋管“8”字型斷面焊縫的自動焊接，要求所采用的自動焊設備具有“8”字形斷面焊縫軌跡適應能力、很快的機構響應速度、較大的機構承載能力和很小的焊接執(zhí)行機構。常規(guī)的自動焊設備難以達到此要求。

1.2 機構方案

提出了一種適用于膨脹波紋管焊接的機器人機構方案，如圖2所示。

波紋管焊接機器人機構包括焊接小車、圓軌道、平移機構、高低跟蹤滑塊、跟蹤執(zhí)行機構、微型焊槍等。

圖2 波紋管焊接機器人機構示意圖Fig.2 Schematic diagram of mechanical structure of welding robot for expandable profile liner

由于波紋管的曲率變化大、波谷半徑小，微型的跟蹤執(zhí)行機構一方面要沿著波紋管表面輪廓運動，完成波紋管的輪廓檢測跟蹤任務，同時還要夾持微型焊槍，執(zhí)行焊接作業(yè)任務。由于微型跟蹤執(zhí)行機構很小，承載能力差，因此焊接過程中的主要承載任務由焊接小車承擔。圓軌道固定安裝于波紋管之上，焊接小車拉著焊槍、電纜等部件沿圓軌道運動。平移機構和高低跟蹤滑塊用于完成連接焊接小車與微型跟蹤執(zhí)行機構，協同完成自動焊接。

其中跟蹤執(zhí)行機構和微型焊槍根據波紋管的斷面尺寸定制，焊接小車及其他機構部分采用北京石油化工學院研發(fā)的管道焊接機器人(圖3)。

圖3 全位置管道焊接機器人Fig.3 All position pipeline welding robot

1.3 機構協同工作原理

焊接小車與微型跟蹤執(zhí)行機構通過高低跟蹤滑塊協同工作。其中高低跟蹤滑塊機構由電機、高低滑塊和壓力檢測模塊組成。高低模塊通過高低調節(jié)控制電機的作用將微型跟蹤執(zhí)行機構緊密貼合在波紋管的表面，并通過壓力傳感器檢測微型跟蹤執(zhí)行機構與波紋管工件表面之間的壓力?；趬毫z測的機構協同工作原理如圖4所示。

壓力p0為微型跟蹤執(zhí)行機構與波紋管工件表面之間的壓力預設值。在該壓力下，輪廓檢測跟蹤機構與波紋管工件表面之間貼合緊密，運動靈活。通過壓力檢測傳感機構實時檢測微型跟蹤執(zhí)行機構與波紋管工件表面的壓力p值，與給定值p0進行比較后得到偏差值Δp，Δp有以下3種情況:

當Δp超過允許的死區(qū)D時，則啟動高低電機控制程序，根據Δp的正負控制電機正轉或反轉。

圖4 基于壓力檢測的機構協同原理Fig.4 Mechanical synergy principle based on pressure testing

當Δp的絕對值大于死區(qū)D時，進行電機控制調節(jié);若Δp為正，且大于死區(qū)值時，表示微型跟蹤執(zhí)行機構與波紋管工件表面貼合不夠緊密，需要控制高低電機正轉，使微型跟蹤執(zhí)行機構貼緊波紋管工件表面，并使壓力值接近設定值p0;若Δp為負，且大于死區(qū)值時，表示微型跟蹤執(zhí)行機構與波紋管工件表面貼合太緊，需要控制高低電機反轉，使微型跟蹤執(zhí)行機構向遠離波紋管工件表面的方向運動，使壓力值接近設定值p0。

焊接過程中，微型跟蹤執(zhí)行機構夾持焊槍在波紋管表面運動，壓力檢測裝置配合高低跟蹤滑塊運動保證焊槍始終垂直于工件表面，在焊接小車的驅動下，配合相應的焊接控制程序，實現焊接作業(yè)。

2 機器人機構運動分析

膨脹波紋管焊接機器人的基本運動是焊接小車繞管道中心軸線的轉動和高低跟蹤滑塊沿軸線的上下移動，微型跟蹤執(zhí)行機構與高低跟蹤滑塊柔性連接，焊槍隨微型跟蹤執(zhí)行機構運動。通過建立機構運動學模型可獲得焊槍末端與焊接小車本體的位姿關系，以驗證該機構方案能否實現“8”字形軌跡。

2.1 運動學模型

為了簡化數學模型，作如下假設:

(1)小車沿軌道作勻速圓周運動，等同于一長度為軌道半徑r的連桿繞中心軸轉動;

(2)小車與承載高低跟蹤滑塊的機構剛性連接，小車質心與連接點之間為一連桿，長度等同于兩點距離;

(3)微型跟蹤執(zhí)行機構可以在一定范圍內左右擺動，但由于本身不帶動力裝置，始終隨小車及滑塊運動，因此其質心與假設(2)中所述的連接點在同一軸線上。

根據以上假設，以波紋管中心軸線為Z0軸建立一個固定坐標系，X0Y0Z0平面在截面上，根據關節(jié)之間的關系，建立焊接機器人D-H坐標系［9-10］，如圖5所示。

其中OX1Y1Z1為旋轉坐標系，連桿OA可繞Z1軸轉動360°，A點為焊接小車質心，X2Y2Z2為移動坐標系，高低滑塊可沿Z2軸上下移動，C點為微型跟蹤執(zhí)行機構質心，D點為焊槍末端，連桿OA長度r=170 mm，AB長度 d1=300 mm，CD長度 d2=50 mm，B、C兩點間的滑塊長度l為變量。

圖5 焊接機器人D-H坐標系Fig.5 D-H coordinate system of welding robot

根據D-H坐標系變換方法，將各個連桿變換矩陣相乘，即可求出D點相對于基坐標系的變換矩陣0T2，從而得到焊槍末端的位置和姿態(tài)為

由圖5可知，式(3)中的r－l為膨脹波紋管斷面輪廓上的點到中心的距離，因此

由于整個輪廓由多段曲線組成，須分段建立方程，根據圖1所示的截面尺寸，建立曲線方程如下:

得到相應y值，再根據式(5)和(6)求出r－l與θ的關系，最后根據式(3)和(4)分別得到焊槍末端和焊接小車相對于基坐標系的位姿。

2.2 機構運動學模型分析

為了驗證坐標系和D-H參數的正確性，可計算小車在初始位置時焊槍末端相對基坐標系的空間位置。由圖5可知，θ=0時，D點在基坐標系中的初始位置(px，py，pz)=(58.5，0，40)，初始姿態(tài)為

當焊接小車沿軌道運動，即連桿OA繞Z1軸旋轉θ角時，由軌道方程

把此時的θ代入D點的位姿矩陣(3)中得

可見，焊槍末端在初始狀態(tài)時的位置和姿態(tài)與實際情況一致。

2.3 機構運動學模型仿真

為驗證該模型的有效性，以Matlab為平臺進行仿真。仿真參數為:軌道半徑r=170 mm;小車質心到高低滑塊的距離d1=300 mm;焊槍末端到輪廓檢測機構的距離d2=50 mm。仿真結果如圖6所示。

圖6 焊接機器人機構運動學仿真圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical kinematics model simulation for welding robot

圖6中，當小車沿軌道運動時，焊槍末端軌跡與波紋管斷面一致，表明此焊接機器人運動模型能實現波紋管“8”字形截面的焊縫軌跡運動。

3 結論

(1)新機器人具有“8”字形斷面焊縫軌跡適應能力、很快的機構響應速度、較大的機構承載能力和很小的焊接執(zhí)行機構。

(2)基于壓力檢測的焊接小車與微型跟蹤執(zhí)行機構協同作業(yè)機制，解決了機器人承載及波紋管“8”字形斷面的焊縫軌跡實現問題。

(3)仿真結果驗證了基于D-H法則的波紋管焊接機器人運動學模型的正確性，為后續(xù)機構設計及焊接過程控制研究奠定了基礎。

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Development and mechanism motion analysis of welding robot for expandable profile liner

TAO Xing-hua1，2，ZHU Hong-wu1，ZENG Yi-jin2，XU Li-li3
(1.Faculty of Mechanical and Oil-Gas Storage and Transportation Engineering in China University of Petroleum，Beijing 102249，China;2.Research Institute of Petroleum Engineering，SINOPEC，Beijing 100101，China;3.Mechanical and Electrical Engineering School in Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China)

A robot was studied for the automatic welding of“8”type expandable profile liner(EPL).The structure characteristics of EPL were analyzed.The welding robot mechanism plan was proposed that was composed of a welding carriage，a mini tracking system，a mini welding gun and a height control system.The motion analysis for the robot mechanism was implemented and the robot kinematics model was built based on D-H rule.The correctness of the model was verified via Matlab simulation and the model analysis.The cooperation work mechanism of the welding carriage and the mini tracking system was established based on the pressure detection，which can realize the“8”type seam tracking.The simulation results show the validity of the built model.

expandable profile liner;welding robot;D-H rule;kinematics model;analysis

TG 409

A >

10.3969/j.issn.1673-5005.2011.04.022

1673-5005(2011)04-0119-04

2011－03－16

國家“863”高科技研究項目(2009AA04Z208)

陶興華(1966－)，男(漢族)，寧夏青銅鎮(zhèn)人，高級工程師，博士研究生，主要從事鉆井工藝技術及鉆井工具開發(fā)研究。

(編輯 沈玉英)