【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 輪式運(yùn)動(dòng)方式。下面討論越障機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)等關(guān)鍵問題，最后給出機(jī)械系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)： 牽引機(jī)器人主要參數(shù)的確定： ： 260kgf ： 9m/min（額定牽引速度不小于 5m/min） ： 150176。 C（連續(xù)工作時(shí)間不小于 6 小時(shí)，待機(jī)時(shí)間不小于 24小時(shí)） ： 80Mpa ： 54mm ： ≤ 7500mm 。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 16 水平井牽引機(jī)器人工作流程 水平井牽引機(jī)器人在下井前需要進(jìn)行檢查，確保下井后不會(huì)出現(xiàn)故障，因?yàn)橐坏┰诰鲁霈F(xiàn)故障將其取出是一項(xiàng)十分麻煩的事情，在井口一般需要安裝高壓防噴設(shè)備，下井前進(jìn)行通井，確 保井下管道暢通，避免下井過程中的堵塞。 具體工作流程如下： 1） 油井資料收集： 在測(cè)井和井下作業(yè)前首先要收集作業(yè)井的所有資料，包括生產(chǎn)情況，井的結(jié)構(gòu)，地質(zhì)情況的數(shù)據(jù)，確保下井的一次成功率，避事故發(fā)生，節(jié)約成本。 2）牽引機(jī)器人下井施工設(shè)計(jì)： 對(duì)收集的資料進(jìn)行分析，判斷是否適合水平井牽引機(jī)器人工作，如果 水平段比較短則可用其他簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的方式運(yùn)送儀器和井下工具，確定符合條件后，根據(jù)井身軌跡圖做出詳細(xì)設(shè)計(jì)施工方案，根據(jù)水平段長(zhǎng)度和井下井壁情況選擇牽引模塊數(shù)量。 3） 井下系統(tǒng)的地面調(diào)試： 在地面將牽 引機(jī)器人組裝后在其前端與儀器和工具串聯(lián)接，后端與電纜接頭連接，在地面進(jìn)行調(diào)試，確保井下儀器和工具與機(jī)器人連接正常，工作協(xié)調(diào)。測(cè)試運(yùn)程調(diào)壓系統(tǒng)工作是否正常，能否保證牽引機(jī)器人和井下儀器所需的工作電壓。讀取井下儀器的數(shù)據(jù)，確保地面可以獲得儀器返回的數(shù)據(jù)信號(hào)。 4）井口安裝： 在地面將牽引機(jī)器人與儀器和工具串連接后，放入剛性導(dǎo)管內(nèi)，通過 高塔將其與導(dǎo)管一同豎起，導(dǎo)向管與井口連接，確保導(dǎo)向管與井口軸線一致，避免牽引機(jī)器人下井過程中由導(dǎo)向管與井口軸線不一致引起的不必要的碰撞。 5） 水平井牽引機(jī)器人下井： 緩慢釋放 電纜，牽引機(jī)器人和井下儀器依靠自身重力自然下放，下放 過程中要時(shí)刻監(jiān)控電纜接頭返回的張力值，防止下放速度過快引起的張力過大，導(dǎo)致電纜斷裂。根據(jù)張力變化來控制電纜的下放速度。通過張力系統(tǒng)和磁定位系統(tǒng)返回信號(hào)到地面判斷是否下放到了斜井段或水平段。 當(dāng)依靠重力無法前進(jìn)時(shí)，啟動(dòng)水平牽引機(jī)器人，通過遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)給機(jī)器人供電，機(jī)器人推動(dòng)儀器和工具前進(jìn)，前進(jìn)過程中要特別注意電纜 接頭返回的張力值，確保牽引工作的安全，到達(dá)目標(biāo)位置后，斷開機(jī)器人供電， 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 17 切換到井下儀器和工具供電模式，開始測(cè)井任務(wù)和井下作業(yè)。 6）測(cè)井及 井下作業(yè) 記錄測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)，通過地面控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制井下工具的操作，完成射 孔作業(yè)任務(wù)。 7） 井下設(shè)備回收 通過絞車上提電纜，實(shí)時(shí)監(jiān)控電纜接頭的張力，根據(jù)張力值控制絞車 收卷輥轉(zhuǎn)速，在必要時(shí)啟動(dòng)牽引機(jī)器人推動(dòng)電纜。提升至井口后將牽引機(jī)器人及井下設(shè)備同剛性導(dǎo)向管一起拆下。 本章小結(jié) 本章主要介紹了水平井牽引機(jī)器人研究的重要意義，通過對(duì)大量文獻(xiàn)收集整理，對(duì)一些機(jī)器人的參數(shù)進(jìn)行了分析，并給出了牽引機(jī)器人的一些參數(shù)，深入細(xì)致分析了水平井牽引機(jī)器人機(jī)械系統(tǒng)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展方向，而且水平井在我國(guó)發(fā)展速 度快，所以研究一個(gè)適合水平井的牽引器迫在眉睫。還了解了牽引機(jī)器人的工作流程，提出了本文的主要研究?jī)?nèi)容。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 18 第三章 牽引機(jī)器人驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 水平井牽引機(jī)器人是管道機(jī)器人的一種，主要用于油田水平井的測(cè)試，負(fù)責(zé)將各種儀器輸送到水平段的目的地?，F(xiàn)在已研制出的管道機(jī)器人種類較多，按行走方式可分為輪式、履帶式、螺旋輪式、蠕動(dòng)式、多腳式行走管道機(jī)器人，分別適應(yīng)不同的管道和不同的工作需求，但是水平井牽引機(jī)器人與這些管道機(jī)器人有如下不同：工作環(huán)境更加惡劣，且工作空間受到嚴(yán)格限制 。一是管道內(nèi)的介質(zhì)壓 力和溫度較高，壓力為 60~100Mpa,溫度最高可達(dá) 180℃；二是要提供較大的牽引力，通常要大于 2021N；三是油管直徑小。已有的管道機(jī)器人在驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)上，外徑尺寸或特別大，能提供較大的牽引力；或比較小，只能提供較小的牽引力。雖然有些管道機(jī)器人可以適應(yīng) 管徑的變化，但是其適應(yīng)性也有一定的限度，外徑尺寸不能太小，也無法在 5in 的油管內(nèi)工作。因此，要采用牽引機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)水平井測(cè)試，必須設(shè)計(jì)出外徑尺寸和牽引力符合水平井測(cè)井要求的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。因此提出了一種牽引機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu) 模塊化輪式驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)， 并對(duì)其中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu) 牽引力調(diào)整機(jī)構(gòu)進(jìn)行了研究。 機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)按動(dòng)力源可分為液壓驅(qū)動(dòng)、氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)三種基本驅(qū)動(dòng)類型，由于水平井牽引機(jī)器人工作環(huán)境的惡劣性和特殊性，所以選擇電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，因?yàn)殡妱?dòng)驅(qū)動(dòng)有輸出功率大、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、控制精度高、結(jié)構(gòu)性能好等優(yōu)點(diǎn)，很適合水平井牽引機(jī)器人。 牽引機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、傳動(dòng)鏈、減速器、驅(qū)動(dòng)輪。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 19 電機(jī)選取 電機(jī)大致可細(xì)分為以下幾種： 1．交流伺服電動(dòng)機(jī) 包括同步型交流伺服電動(dòng)機(jī)及反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。 2．直流伺服電動(dòng)機(jī) 包括小慣量永磁直流伺 服電動(dòng)機(jī)、印制繞組直流伺服電動(dòng)機(jī)、大慣量永磁直流伺服電動(dòng)機(jī)、空心杯電樞直流伺服電動(dòng)機(jī)。 3．步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 包括永磁感應(yīng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。 速度傳感器多采用測(cè)速發(fā)電機(jī)和旋轉(zhuǎn)變壓器；位置傳感器多用光電碼盤和旋轉(zhuǎn)變壓器。近年來，國(guó)外機(jī)器人制造廠家已經(jīng)在使用一種集光電碼盤及旋轉(zhuǎn)變壓器功能為一體的混合式光電位置傳感器，伺服電動(dòng)機(jī)可與位置及速度檢測(cè)器、制動(dòng)器、減速機(jī)構(gòu)組成伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)單元。 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)要求傳動(dòng)系統(tǒng)間隙小、剛度大、輸出扭矩高以及減速比大。 一般機(jī)器人通常采用無刷直流電動(dòng)機(jī)，包括啟動(dòng)、換向都是通過安裝于定子 或轉(zhuǎn)子上的各種傳感器作為反饋來進(jìn)行控制的。通常使用的傳感器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電碼盤及霍爾傳感器，其中前兩者原理簡(jiǎn)單，但是需要較大的空間來安裝，這對(duì)于牽引機(jī)器人自身構(gòu)造及細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的電機(jī)本體來說是很難實(shí)現(xiàn)的 。對(duì)于霍爾傳感器，霍爾元件的高溫高壓下溫度特性又限制了它的應(yīng)用。因此本驅(qū)動(dòng)單元擬采用無傳感器控制的無刷電動(dòng)機(jī)。 牽引機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的結(jié)構(gòu) 驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 水平井牽引機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)原理圖如圖 1 所示，驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過減速器和過載保護(hù)器 2 將轉(zhuǎn)矩傳遞到主軸 3。主軸通過錐齒輪副 7 帶動(dòng)鏈輪鏈條將轉(zhuǎn)矩傳遞 到驅(qū)動(dòng)輪 5，驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)牽引機(jī)器人前進(jìn)。 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 20 圖 1 驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖 圖 2 所示為牽引機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元的示意圖，由動(dòng)力模塊和爬行模塊組成。動(dòng)力模塊是基礎(chǔ)模塊，主要功能：一方面控制爬行輪的張開和收合，由動(dòng)作電機(jī)、滾珠絲杠副、套筒、壓縮彈簧組成 。另一方面要驅(qū)動(dòng)爬行輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速器、傳動(dòng)軸組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)與傳動(dòng)軸要在套筒中心穿過。每臺(tái)機(jī)器人必須配備一套動(dòng)力模塊。爬行模塊由推桿座、壓縮彈簧、推桿、大小錐齒輪、鏈輪、鏈條、爬行輪系組成。 圖 2 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)示意圖 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 21 爬行模塊的常用組合形式 目前的輪式管道機(jī)器人多采用一組固定數(shù)量的爬行輪，為了獲得足夠大的牽引力，應(yīng)在爬行輪與油管內(nèi)壁之間產(chǎn)生足夠大的摩擦力，因?yàn)槟Σ料禂?shù)一定，所以只能提高爬行輪與管壁之間的正壓力。這就要求輪式機(jī)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，勢(shì)必導(dǎo)致零件的結(jié)構(gòu)尺寸增大，不能在小直徑油管內(nèi)工作。如果采用模塊化設(shè)計(jì)，即采用多組爬行模塊并按一定方式組合，就可以將載荷分配到多個(gè)爬行輪上去，從而減小各零件的尺寸，使機(jī)器人的徑向 結(jié)構(gòu)更加緊湊。爬行模塊的數(shù)量根據(jù)牽引力的大小來選擇，通常選用兩組爬行模塊串聯(lián)，圓周方向互成 90176。布置 . 每一組爬行輪與油管內(nèi)壁的接觸線與油管的對(duì)稱面并不重合，存在偏心，可以改變爬行輪的直徑，同時(shí)也能調(diào)整絲杠副的直線行程。這種結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在于爬行輪可完全收回，收回后兩輪可以重合，從而可以使機(jī)器人的徑向尺寸做到最小，這是從另一方面來減小機(jī)器人徑向尺寸的方法。 模塊化驅(qū)動(dòng)單元的機(jī)構(gòu)原理 圖 4 所示為牽引機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元傳動(dòng)系統(tǒng)的原理圖，從圖中可以看到，傳動(dòng)系統(tǒng)是由兩大部分 組成的：控制爬行輪張開、閉合的機(jī)構(gòu)和控制爬行輪轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)。為了獲得小的外形尺寸和布線的方便，兩套傳動(dòng)機(jī)構(gòu)采用同軸同側(cè)布置。 圖 4 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)單元簡(jiǎn)圖 爬行輪張合機(jī)構(gòu)（控制單元）的主要功能是控制牽引機(jī)器人的兩組爬行 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 22 輪的打開與閉合，在牽引機(jī)器人爬行時(shí)，提供足夠的正壓力，使驅(qū)動(dòng)輪與油管內(nèi)壁之間有足夠的摩擦力，主要包括電機(jī)、行星減速器、電磁離合器、滾珠花鍵、滾珠絲杠組件、推力套筒、推桿、壓縮彈簧組件。 爬行輪轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)單元）的主要功能是控制牽引機(jī)器人的 行走 ，為其提供動(dòng)力，主要包括電機(jī)、行星減速器及傳動(dòng) 軸。驅(qū)動(dòng)單元結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：減速比大，輸出扭矩大，傳輸距離長(zhǎng)。如本方案擬采用的電機(jī)轉(zhuǎn)速為10000r/min，爬行輪轉(zhuǎn)速約為 50r/min，減速比為 240，輸出扭矩 66N m，從電機(jī)到第一組爬行輪的軸向距離為 1400mm。 牽引力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的力學(xué)特性 圖 5 所示為牽引機(jī)器人的牽引力調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，通過滾珠絲杠副將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菽傅闹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)推桿來調(diào)整爬行輪與管壁之間的壓力。為了增加機(jī)構(gòu)的柔性，在推桿與絲杠螺母之間增加了一個(gè)彈性環(huán)節(jié)，一方面可以吸收運(yùn)動(dòng)過程中產(chǎn)生的振動(dòng)，使機(jī)器人工作平穩(wěn)，減少對(duì)攜帶的儀 器產(chǎn)生沖擊；另一方面也增加了爬行輪的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可以在一定范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)爬行輪的自動(dòng)收張，避免了頻繁通過電機(jī)來調(diào)整。 圖 5 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)示意圖 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的工作過程 打開過程：電機(jī)通過大速比的行星減速器（減速比大于 100）驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母沿軸向移動(dòng)（螺母周向固定），推動(dòng)壓縮彈簧組件帶動(dòng)推桿繞鉸接點(diǎn) A 轉(zhuǎn)動(dòng)，推桿通過鉸接點(diǎn) C 帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)臂座繞鉸接點(diǎn) O 旋轉(zhuǎn)，使爬行輪朝油管內(nèi)壁方向運(yùn)動(dòng)，當(dāng)爬行輪與油管內(nèi)壁接觸后，因?yàn)橥茥U AC 與臂座 OC及 OA構(gòu)成了封閉三角形，所以此時(shí)爬行輪不能再繼續(xù)移動(dòng)（見圖 1）。這是若螺母繼續(xù)移動(dòng)，將使螺母與推桿座之間的彈簧被進(jìn)一步壓縮，通過改 哈爾濱工業(yè)大學(xué)華德應(yīng)用技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文 23 變彈簧的壓縮量可以控制爬行輪與管壁之間的正壓力。在實(shí)際應(yīng)用中可用位移傳感器來替代壓力傳感器作為反饋環(huán)節(jié)。 收回過程：正常情況下爬行輪的收回是通過電機(jī)反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)的。在當(dāng)電機(jī)發(fā)生故障或系統(tǒng)突然斷電的情況下，如采用 1 圖所示的機(jī)構(gòu)，爬行輪將不能收回，發(fā)生卡滯。為了避免發(fā)生這種情況，應(yīng)在電機(jī)組件之間增加了一個(gè)自動(dòng)離合器（圖中未畫出）。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí) ,通過離合器切斷減速器與絲杠之間的聯(lián)接 ,利用滾珠絲杠不能自鎖的特性，在壓縮彈簧的推動(dòng)下，絲杠螺母驅(qū)動(dòng)絲杠 反轉(zhuǎn)，使爬行輪自動(dòng)收合，可以避免發(fā)生爬行輪卡滯。 調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)力學(xué)模型 如圖 5 所示，以固定支點(diǎn) O 為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系 XOY， L1 是臂座 OC 的長(zhǎng)度， L2 是支點(diǎn) B 到固定支點(diǎn) A 之間的距離， L3是推桿 CD 的長(zhǎng)度， 1是臂座 OC 與水平方向之間的夾角， 2 是推桿 CD 與水平方向之間的夾角，N為管道內(nèi)壁作用在爬行輪上的壓力， F1 是彈簧作用在推桿上的軸向推力，F(xiàn)2是單個(gè)爬行輪提供的牽引力。如圖 1 所示，在坐標(biāo)系 XOY 中有 Xa=(L1+L2)cos 1L3cos 2 Yb=L1sin 1 (1) （ L1+L2） sin 1=L3sin 2+h 對(duì)式 (1)等式兩邊取微分，得 Xa=（ L1+L2） sin 1 1+L3sin 2 2 Yb=L1cos 1 1