石油鉆桿維修四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)定心卡盤設(shè)計(jì)

摘 要：石油鉆桿在使用過(guò)程中與巖壁和泥漿摩擦?xí)l(fā)生磨損，通過(guò)對(duì)鉆桿的維修可以延長(zhǎng)使用壽命提高重復(fù)利用率，節(jié)約成本。鉆桿的維修過(guò)程主要為鉆桿的清洗、校直、臺(tái)肩補(bǔ)焊，以及進(jìn)行接頭螺紋的加工等，其中臺(tái)肩補(bǔ)焊和接頭螺紋車屑過(guò)程中都需要對(duì)鉆桿夾緊并保證對(duì)中。本文設(shè)計(jì)了一種四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)定心卡盤及定心控制系統(tǒng)來(lái)保證鉆桿維修過(guò)程中的對(duì)中。四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)卡盤每個(gè)卡爪通過(guò)一個(gè)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿和齒輪齒條機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，采用PC單片機(jī)作為卡盤的控制系統(tǒng)，激光位移傳感器和角度編碼器檢測(cè)鉆桿位置，采用PID模糊控制算法計(jì)算并控制卡爪移動(dòng)，保證鉆桿夾緊對(duì)中，解決了鉆桿維修過(guò)程中瓶頸問(wèn)題，從而保證鉆桿維修能自動(dòng)化運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：鉆桿維修；四爪卡盤；獨(dú)立驅(qū)動(dòng)；定心；PID模糊控制

在鉆井時(shí)鉆桿內(nèi)部不僅需要承受鉆井液的高壓、泥漿的沖刷摩擦，還需要承受轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的扭矩、在定向鉆中鉆桿彎曲、鉆井過(guò)程中的振動(dòng)等各種極端環(huán)境。鉆井的深度越來(lái)越深，對(duì)于鉆桿要求也越來(lái)越高，而鉆桿的接頭就成了關(guān)鍵部位，鉆桿接頭由于比鉆桿要粗，因此鉆桿臺(tái)肩面更容易磨損。由于在鉆井過(guò)程中通過(guò)接單根來(lái)延長(zhǎng)鉆桿，鉆桿螺紋也很容易磨損或局部損壞，因而需要對(duì)破壞的鉆桿臺(tái)肩和螺紋修復(fù)，避免整根鉆桿報(bào)廢［12］。

在石油鉆桿臺(tái)肩和螺紋維修過(guò)程中要對(duì)鉆桿接頭補(bǔ)焊，然后在上車床對(duì)補(bǔ)焊部位和螺紋進(jìn)行加工。不管是補(bǔ)焊還是車屑過(guò)程中都需要對(duì)鉆桿夾緊并保證對(duì)中，現(xiàn)有修復(fù)使用的是單動(dòng)四爪卡，現(xiàn)場(chǎng)操作需要一名工人通過(guò)百分表打表后，根據(jù)打表數(shù)據(jù)，松緊對(duì)應(yīng)的單動(dòng)卡爪來(lái)找正，找正工序復(fù)雜，且需要一定的經(jīng)驗(yàn)來(lái)完成，需要把難于定位、自動(dòng)化程度低、復(fù)雜、耗時(shí)多的裝夾過(guò)程簡(jiǎn)單化［3］，因此本文設(shè)計(jì)了一種四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)定心卡盤。

1 總體設(shè)計(jì)及工作過(guò)程

設(shè)計(jì)的石油鉆桿維修過(guò)程中自定心裝卡設(shè)備整體安裝如圖1所示，主軸箱1前側(cè)安裝四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)定心卡盤4，激光位移傳感器2使用支架安裝在主軸箱上方，鉆桿3穿過(guò)中空主軸利用卡盤四個(gè)卡爪夾緊。

首先，主軸驅(qū)動(dòng)鉆桿旋轉(zhuǎn)一圈，激光位移傳感器采集旋轉(zhuǎn)一圈時(shí)傳感器到鉆桿的位移數(shù)據(jù)；其次，將數(shù)據(jù)送入控制器中，通過(guò)設(shè)計(jì)的對(duì)中控制算法，控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；最后，利用蝸輪蝸桿和齒輪齒條傳動(dòng)帶動(dòng)卡爪移動(dòng)對(duì)中。該裝置中各個(gè)卡爪彼此之間可獨(dú)立或同步驅(qū)動(dòng)，無(wú)須人工手動(dòng)夾緊，對(duì)鉆桿的定位精度高，適應(yīng)性強(qiáng)。

2 四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)定心卡盤結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

四爪卡盤爆炸圖如圖2所示，固定盤6安裝于主軸箱上，固定不轉(zhuǎn)，內(nèi)部裝有軸承對(duì)主軸5起到支撐作用。主軸5的一端和主軸箱內(nèi)驅(qū)動(dòng)裝置連接，另一端設(shè)計(jì)有階梯軸和螺紋孔，與主盤6連接，保證主軸和主盤中心同軸度，再通過(guò)螺栓緊固連接，傳遞旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。主軸5中心開有通孔，用于穿過(guò)鉆桿。導(dǎo)電滑環(huán)12安裝在主軸5外徑上，內(nèi)圈是隨主軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)，外圈固定在定盤上保持不動(dòng)，導(dǎo)電滑環(huán)起到將外部電力和信號(hào)傳到旋轉(zhuǎn)的卡盤內(nèi)而不影響卡盤轉(zhuǎn)動(dòng)。主盤上設(shè)置有凹槽用于安裝固定卡爪，每一個(gè)卡爪都對(duì)應(yīng)設(shè)置有驅(qū)動(dòng)卡爪的驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和一套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)［4］。

2.1 夾緊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)定心卡盤，四個(gè)卡爪均勻分布于主盤正面的四個(gè)卡爪夾持機(jī)構(gòu)中，夾持機(jī)構(gòu)核心結(jié)構(gòu)為凹型夾持器16，將卡爪13和滑塊17連接在一起嵌于凹型夾持器滑槽23中，滑塊兩側(cè)有齒條，齒條與齒輪在凹型夾持器的弧形缺口處嚙合。齒輪14為主動(dòng)齒輪帶動(dòng)滑塊和卡爪運(yùn)動(dòng)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為卡爪的直線運(yùn)動(dòng)。齒輪15安裝于主動(dòng)輪14對(duì)面起到支撐作用，用于平衡主動(dòng)輪嚙合時(shí)的橫向力。四個(gè)卡爪中心孔用于夾緊待維修鉆桿。

2.2 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

四爪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括四組蝸輪蝸桿機(jī)構(gòu)和四組圓柱齒輪—齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。蝸輪蝸桿傳動(dòng)過(guò)程為伺服電機(jī)18軸端裝有蝸桿19，通過(guò)蝸桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)蝸輪20，蝸輪蝸桿傳動(dòng)具有自鎖特性，動(dòng)力單向傳遞保證了夾緊的可靠。蝸輪傳動(dòng)具有較大的傳動(dòng)比，可以將伺服電機(jī)的高轉(zhuǎn)速減慢，設(shè)計(jì)蝸桿頭數(shù)為2，蝸輪齒數(shù)為40，傳動(dòng)比為1∶20，從而有效減少伺服電機(jī)細(xì)分的影響，提高控制精度。

蝸輪20的另一端連接圓柱齒輪14，二者通過(guò)一個(gè)中心軸剛性連接，保持共同旋轉(zhuǎn)。中心軸穿過(guò)主盤并用軸承支撐于主盤，最后通過(guò)圓柱齒輪—齒條傳動(dòng)，最終將蝸桿的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為卡爪的直線運(yùn)動(dòng)。

3 四爪主動(dòng)定心卡盤控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 四爪主動(dòng)定心卡盤控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案

為了滿足四爪主動(dòng)定心卡盤狹窄空間控制的需求，并且需要成本較低，控制功能強(qiáng)，本控制系統(tǒng)采用PC+單片機(jī)作為定心卡盤的控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)將單片機(jī)放入卡盤中，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)高效的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

卡盤的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)如圖5所示，其基本工作流程為：?jiǎn)纹瑱C(jī)放入卡盤中控制，由計(jì)算機(jī)終端通過(guò)導(dǎo)電滑環(huán)發(fā)出指令給單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)控制器對(duì)卡爪運(yùn)行控制，在卡爪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，依靠激光傳感器和角度編碼器精準(zhǔn)定位卡爪中的鉆桿徑向位置，并反饋至計(jì)算機(jī)終端。

四爪主動(dòng)定心卡盤的控制系統(tǒng)框圖如圖6所示。整個(gè)控制系統(tǒng)硬件包含電源模塊、信息模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、通信模塊和主控模塊。其中，電源模塊為整個(gè)控制系統(tǒng)提供電力支持，保證驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳感器、主控制器及專用芯片的供電需求；驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)電機(jī)；信息模塊則負(fù)責(zé)收集來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)；通信模塊主要實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)通信功能；主控模塊是四爪主動(dòng)定心卡盤控制系統(tǒng)中的核心組件，承擔(dān)著整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收處理和控制決策功能［5］。

3.2 四爪主動(dòng)定心卡盤模糊PID控制

四爪主動(dòng)定心卡盤的定位準(zhǔn)確性直接受到控制器性能水平的影響。同樣，控制算法的設(shè)計(jì)策略也決定了系統(tǒng)的功能特性、應(yīng)用范圍以及其擴(kuò)展?jié)摿Α？ㄗ﹄S著激光傳感器測(cè)量距離而實(shí)時(shí)變化，且符合定位精度的指標(biāo)要求，具有良好的動(dòng)態(tài)、靜態(tài)性能，選擇模糊PID控制算法設(shè)計(jì)四爪主動(dòng)定心卡盤的控制器。

模糊PID控制技術(shù)結(jié)合了模糊邏輯與經(jīng)典的PID控制策略。該系統(tǒng)由一個(gè)傳統(tǒng)的PID調(diào)節(jié)器和一個(gè)模糊調(diào)節(jié)器構(gòu)成，后者負(fù)責(zé)動(dòng)態(tài)優(yōu)化PID控制器的參數(shù)，即Kp、Ki和Kd，以適應(yīng)不斷變化的誤差E和誤差變化率EC。這種優(yōu)化過(guò)程有助于在不同情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制。如圖7展示的是模糊PID控制器的框架，其中模糊控制器依據(jù)輸入的E和EC來(lái)計(jì)算Kp0、Ki0和Kd0的調(diào)整值ΔKp、ΔKi和ΔKd。

模糊控制器輸出的ΔKp、ΔKi和ΔKd會(huì)和普通PID的預(yù)設(shè)值Kp0、Ki0和Kd0進(jìn)行運(yùn)算，生成新的PID控制量Kp、Ki和Kd，對(duì)于上述過(guò)程有如下表達(dá)［6］：

Kp=Kp0+ΔKp（1）

Ki=Ki0+ΔKi（2）

Kd=Kd0+ΔKd（3）

四爪主動(dòng)定心卡盤控制過(guò)程如圖8所示：首先，主軸回0°，從0°開始主軸旋轉(zhuǎn)360°，旋轉(zhuǎn)過(guò)程中主軸上的角度編碼器每旋轉(zhuǎn)一定的角度，非接觸式激光位移傳感器檢測(cè)到鉆桿的距離，根據(jù)角度和位移數(shù)據(jù)，主控制器通過(guò)模糊PID控制算法計(jì)算出鉆桿每個(gè)卡爪移動(dòng)量，發(fā)出對(duì)應(yīng)的脈沖當(dāng)量控制伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)過(guò)傳動(dòng)系統(tǒng)控制卡爪移動(dòng)定心夾持鉆桿。夾持完成后還可通過(guò)激光位移傳感器測(cè)量鉆桿中心與旋轉(zhuǎn)中心之間的定位誤差，通過(guò)四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的方式可調(diào)整各夾持末端位置，補(bǔ)償以減小誤差［7］。

結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種四爪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)主動(dòng)定心卡盤及定心檢測(cè)裝置來(lái)保證鉆桿維修過(guò)程中的對(duì)中。四爪卡盤每個(gè)卡爪都通過(guò)一個(gè)伺服電機(jī)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，通過(guò)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，既能精確控制，又能反向自鎖，通過(guò)齒輪齒條傳動(dòng)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為卡爪直線運(yùn)動(dòng)夾緊鉆桿。采用PC+單片機(jī)作為定心卡盤的控制系統(tǒng)，激光位移傳感器和角度編碼器檢測(cè)鉆桿位置，通過(guò)模糊PID控制算法計(jì)算并控制卡爪移動(dòng)，保證鉆桿夾緊對(duì)中。該裝置將機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)綜合設(shè)計(jì)，保證了鉆桿在維修過(guò)程中的自動(dòng)對(duì)中精確性，解決了鉆桿維修過(guò)程中的瓶頸問(wèn)題，從而保證鉆桿維修能自動(dòng)化運(yùn)行。

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項(xiàng)目：中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)2024年度產(chǎn)教科融合課題“智能制造現(xiàn)場(chǎng)工程引入教學(xué)實(shí)踐的人才培養(yǎng)模式的探討與研究”（編號(hào)：ZJJX24CY106）

作者簡(jiǎn)介：李凡（1984— ），男，漢族，湖北襄陽(yáng)人，碩士研究生，副教授，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械CAD/CAM。