修井作業(yè)過程中油管抓取移運機器人的分析

李順治

摘? 要：結合工程上對修井作業(yè)過程中對油管進行抓取的實際需求，結合PLC技術，設計出六自由度修井作業(yè)油管抓取移運機械人用于修井作業(yè)。油管抓取移運機器人的主要構造由底座、升降機構、旋轉(zhuǎn)機構、擺動機構和機械手等組成。可以實現(xiàn)對油管的抓取、移動以及定位作業(yè)，實現(xiàn)修井作業(yè)過程中的油管移動的各項需求。

關鍵詞：修井作業(yè)? 油管抓取? 機器人

中圖分類號：TP24 ? ?文獻標識碼：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，而且占用較多的時間。所以需要結合油管作業(yè)的實際情況，提高油管作業(yè)的自動化程度。研發(fā)出一種基于PLC技術控制多自由度油管抓取移運機器人作為目標裝置，可以實現(xiàn)在1m的范圍內(nèi)對油管進行抓取和移位功能。

1? 修井作業(yè)過程中油管抓取移運機器人的總體結構

修井作業(yè)油管抓取移運機器人的空間結構如圖1所示，修井作業(yè)油管抓取移運機器人在組成部件上由機械手、擺動機構、回轉(zhuǎn)機構、旋轉(zhuǎn)機構等組成。機械手主要是對油管進行抓取的機構，通過機械手的運動，可以實現(xiàn)對油管的快速抓取。擺動機構主要是實現(xiàn)機械手能圍繞固定的結構進行自由旋轉(zhuǎn)?；剞D(zhuǎn)機構主要是實現(xiàn)機械手能夠圍繞水平方向進行自由的旋轉(zhuǎn)，當面對位置不準確的油管進行自由調(diào)節(jié)位置。底盤旋轉(zhuǎn)機構主要是使得傳動機構能在垂直方向進行自由旋轉(zhuǎn)，與此同時，還能夠?qū)崿F(xiàn)電機在水平方向上進行設計范圍內(nèi)的區(qū)間進行自由移動，從而能夠?qū)崿F(xiàn)將油管進行自由的移動。折疊升降機構主要是讓機械手在不同的高度的時候，可以進行升高或者降低的移動。由于液壓缸能夠直接作用于接桿件，可以讓機械手在垂直方向上實現(xiàn)3m的自由移動。底座運輸機構則主要是對直線滑軌進行作用。由于升降機構的底座直接與滑塊進行連接，這使得液壓缸能夠直接使得機器人在井口的位置內(nèi)實現(xiàn)10m的自由移動，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到井口內(nèi)。

2? 修井作業(yè)過程中油管抓取移運機器人工作原理

2.1 從管排架抓取油管并移運至實驗井口定位

從管排架抓取油管并移運至實驗井口定位需要操作折疊升降機構降低到最低水平，調(diào)整機械臂中的回轉(zhuǎn)結構使得機械手擺動與夾管能夠在合理的范圍內(nèi)進行移動。通過升高液壓缸，能夠使得機械臂回轉(zhuǎn)結構沿著固定的方向進行運動。機械手臂按照設計的方向?qū)τ凸苓M行抓取。在完成油管抓取以后，滑軌液壓缸進行伸長，機器人將會移動到管排架以及井架之間。機械手擺動將會旋轉(zhuǎn)到水平方向，操作底盤將會轉(zhuǎn)動到垂直方向，通過升降機構以及機械內(nèi)的各個部位移動，使得油管能夠正對著口井。

2.2 從井口抓取油管并移運至管排架排放

從井口抓取油管并移運至管排架排放主要是滑軌液壓缸不斷伸長，機械臂回轉(zhuǎn)結構能夠在機械內(nèi)部的齒輪帶動作用下進行滑軌，底盤則轉(zhuǎn)動到原先垂直的方向，機械手擺動也會旋轉(zhuǎn)到之前的垂直方向。在這個時候，調(diào)節(jié)設備，使得能夠?qū)示冢谕瓿捎凸茏ト∫院?，液壓缸進行回縮，機器人將會帶領油管移動到井架位置。機械手臂再轉(zhuǎn)動垂直方向，底盤旋轉(zhuǎn)機構也反向轉(zhuǎn)動到垂直方向，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)?；壱簤焊啄軌蛑苯舆\動到程序所指定的地方，結合機械內(nèi)部的齒輪運轉(zhuǎn)，能夠?qū)⒂凸苓\動到預先的位置，從而能實現(xiàn)將油管下放到指定的地方。

3? 油管抓取移運機器人的控制系統(tǒng)

依照上述油管抓取移運機器人對油管進行相應操作，其中包括了對PLC、開關電源、繼電器、行程開關等控制系統(tǒng)的設計。由于工控機是作為系統(tǒng)中的上位機進行使用，選擇西門子的S7-200CPU226作為此次設計過程中的下位機。該系統(tǒng)能夠通過各個信號發(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上，以實現(xiàn)對所輸入的信息數(shù)據(jù)進行及時的處理。工控機的監(jiān)控程序包括了對PLC數(shù)字的輸出，并通過系統(tǒng)中相應的模塊進行處理輸出信號，最終達到對整個控制裝置的信息收集以及控制?？刂瞥绦蛑饕Y合現(xiàn)場的油管抓取詳細工作需求進行設計，通過組態(tài)軟件來對機器人的實際運作狀態(tài)進行實時監(jiān)控，在組態(tài)軟件上可以實現(xiàn)對油管抓取移運機器人的各項運動參數(shù)的收集以及展示。該系統(tǒng)還能實現(xiàn)對油管抓取移運機器人的自動抓取油管操作、系統(tǒng)校正操作等。

4? 結語

基于PLC技術控制多自由度油管抓取移運機器人能夠在三維空間上實現(xiàn)6個自由度的工作，該機器人能夠通過閉環(huán)進行控制，能夠?qū)\動進行實施的控制以及調(diào)節(jié)，為后續(xù)對修井作業(yè)過程中的機械裝置自動化升級和研發(fā)提供了參考的解決方法。

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