陶興華，朱宏武，曾義金，徐立力

(1.中國石油大學(xué)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249;2.中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101;3.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

膨脹波紋管焊接機(jī)器人的研制及其機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)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(xué)機(jī)械與儲(chǔ)運(yùn)工程學(xué)院，北京 102249;2.中石化石油工程技術(shù)研究院，北京 100101;3.北京化工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，北京 100029)

對(duì)一種滿足“8”字型膨脹波紋管自動(dòng)焊接的機(jī)器人進(jìn)行研究。分析膨脹波紋管結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出基于焊接小車、微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)、微型焊槍、高低跟蹤機(jī)構(gòu)的機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)方案，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)機(jī)構(gòu)方案進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，建立基于D-H法則的焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，通過模型分析及Matlab仿真驗(yàn)證機(jī)構(gòu)模型的正確性。結(jié)果表明，建立的基于壓力檢測(cè)的焊接小車與微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同作業(yè)機(jī)制，解決了“8”字形波紋管斷面的機(jī)器人焊縫軌跡跟蹤問題。仿真結(jié)果驗(yàn)證了所建機(jī)構(gòu)模型的正確性。

膨脹波紋管;焊接機(jī)器人;D-H法則;運(yùn)動(dòng)學(xué)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(fù)雜地層時(shí)勢(shì)必會(huì)多層下入套管封隔，鉆遇復(fù)雜地層不僅鉆井成本增加，也往往會(huì)造成鉆井未達(dá)設(shè)計(jì)井深，制約著深井鉆井技術(shù)水平的提高［1-2］。膨脹波紋管技術(shù)(expandable profile liner，EPL)是封隔復(fù)雜地層的一項(xiàng)新型技術(shù)。在鉆遇復(fù)雜地層時(shí)，用波紋管技術(shù)封固，不改變?cè)弁◤?，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(shù)被譽(yù)為21世紀(jì)油氣井鉆井技術(shù)的革命［3-6］。連接技術(shù)是膨脹波紋管技術(shù)應(yīng)用推廣的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于膨脹波紋管的截面形狀比較復(fù)雜，主要采用焊接連接。目前國內(nèi)外膨脹波紋管施工中的焊接均采用手工焊，焊接的質(zhì)量和效率較低。采用機(jī)器人焊接已成為焊接技術(shù)自動(dòng)化的主要標(biāo)志［7］。采用常規(guī)的焊接機(jī)器人或自動(dòng)焊接設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)波紋管的自動(dòng)焊接。筆者在常規(guī)的管道全位置焊接機(jī)器人［8］基礎(chǔ)上，研究開發(fā)一種能實(shí)現(xiàn)膨脹波紋管自動(dòng)焊接的機(jī)器人，并對(duì)機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析。

1 波紋管焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(jié)構(gòu)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(yīng)變均較大，膨脹后的不圓度增大，壁厚不均勻，抗外擠強(qiáng)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(diǎn):

(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(nèi)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(shí)際的波紋管斷面與設(shè)計(jì)斷面存在一定的成型誤差。

基于以上特點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)膨脹波紋管“8”字型斷面焊縫的自動(dòng)焊接，要求所采用的自動(dòng)焊設(shè)備具有“8”字形斷面焊縫軌跡適應(yīng)能力、很快的機(jī)構(gòu)響應(yīng)速度、較大的機(jī)構(gòu)承載能力和很小的焊接執(zhí)行機(jī)構(gòu)。常規(guī)的自動(dòng)焊設(shè)備難以達(dá)到此要求。

1.2 機(jī)構(gòu)方案

提出了一種適用于膨脹波紋管焊接的機(jī)器人機(jī)構(gòu)方案，如圖2所示。

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

圖2 波紋管焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)一方面要沿著波紋管表面輪廓運(yùn)動(dòng)，完成波紋管的輪廓檢測(cè)跟蹤任務(wù)，同時(shí)還要夾持微型焊槍，執(zhí)行焊接作業(yè)任務(wù)。由于微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)很小，承載能力差，因此焊接過程中的主要承載任務(wù)由焊接小車承擔(dān)。圓軌道固定安裝于波紋管之上，焊接小車?yán)笜?、電纜等部件沿圓軌道運(yùn)動(dòng)。平移機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)，協(xié)同完成自動(dòng)焊接。

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

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

1.3 機(jī)構(gòu)協(xié)同工作原理

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

壓力p0為微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)與波紋管工件表面之間的壓力預(yù)設(shè)值。在該壓力下，輪廓檢測(cè)跟蹤機(jī)構(gòu)與波紋管工件表面之間貼合緊密，運(yùn)動(dòng)靈活。通過壓力檢測(cè)傳感機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)檢測(cè)微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)與波紋管工件表面的壓力p值，與給定值p0進(jìn)行比較后得到偏差值Δp，Δp有以下3種情況:

當(dāng)Δp超過允許的死區(qū)D時(shí)，則啟動(dòng)高低電機(jī)控制程序，根據(jù)Δp的正負(fù)控制電機(jī)正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。

圖4 基于壓力檢測(cè)的機(jī)構(gòu)協(xié)同原理Fig.4 Mechanical synergy principle based on pressure testing

當(dāng)Δp的絕對(duì)值大于死區(qū)D時(shí)，進(jìn)行電機(jī)控制調(diào)節(jié);若Δp為正，且大于死區(qū)值時(shí)，表示微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)與波紋管工件表面貼合不夠緊密，需要控制高低電機(jī)正轉(zhuǎn)，使微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)貼緊波紋管工件表面，并使壓力值接近設(shè)定值p0;若Δp為負(fù)，且大于死區(qū)值時(shí)，表示微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)與波紋管工件表面貼合太緊，需要控制高低電機(jī)反轉(zhuǎn)，使微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)向遠(yuǎn)離波紋管工件表面的方向運(yùn)動(dòng)，使壓力值接近設(shè)定值p0。

焊接過程中，微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)夾持焊槍在波紋管表面運(yùn)動(dòng)，壓力檢測(cè)裝置配合高低跟蹤滑塊運(yùn)動(dòng)保證焊槍始終垂直于工件表面，在焊接小車的驅(qū)動(dòng)下，配合相應(yīng)的焊接控制程序，實(shí)現(xiàn)焊接作業(yè)。

2 機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析

膨脹波紋管焊接機(jī)器人的基本運(yùn)動(dòng)是焊接小車?yán)@管道中心軸線的轉(zhuǎn)動(dòng)和高低跟蹤滑塊沿軸線的上下移動(dòng)，微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)與高低跟蹤滑塊柔性連接，焊槍隨微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。通過建立機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型可獲得焊槍末端與焊接小車本體的位姿關(guān)系，以驗(yàn)證該機(jī)構(gòu)方案能否實(shí)現(xiàn)“8”字形軌跡。

2.1 運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

為了簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型，作如下假設(shè):

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

(2)小車與承載高低跟蹤滑塊的機(jī)構(gòu)剛性連接，小車質(zhì)心與連接點(diǎn)之間為一連桿，長度等同于兩點(diǎn)距離;

(3)微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以在一定范圍內(nèi)左右擺動(dòng)，但由于本身不帶動(dòng)力裝置，始終隨小車及滑塊運(yùn)動(dòng)，因此其質(zhì)心與假設(shè)(2)中所述的連接點(diǎn)在同一軸線上。

根據(jù)以上假設(shè)，以波紋管中心軸線為Z0軸建立一個(gè)固定坐標(biāo)系，X0Y0Z0平面在截面上，根據(jù)關(guān)節(jié)之間的關(guān)系，建立焊接機(jī)器人D-H坐標(biāo)系［9-10］，如圖5所示。

其中OX1Y1Z1為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，連桿OA可繞Z1軸轉(zhuǎn)動(dòng)360°，A點(diǎn)為焊接小車質(zhì)心，X2Y2Z2為移動(dòng)坐標(biāo)系，高低滑塊可沿Z2軸上下移動(dòng)，C點(diǎn)為微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)質(zhì)心，D點(diǎn)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(diǎn)間的滑塊長度l為變量。

圖5 焊接機(jī)器人D-H坐標(biāo)系Fig.5 D-H coordinate system of welding robot

根據(jù)D-H坐標(biāo)系變換方法，將各個(gè)連桿變換矩陣相乘，即可求出D點(diǎn)相對(duì)于基坐標(biāo)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(diǎn)到中心的距離，因此

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

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

2.2 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型分析

為了驗(yàn)證坐標(biāo)系和D-H參數(shù)的正確性，可計(jì)算小車在初始位置時(shí)焊槍末端相對(duì)基坐標(biāo)系的空間位置。由圖5可知，θ=0時(shí)，D點(diǎn)在基坐標(biāo)系中的初始位置(px，py，pz)=(58.5，0，40)，初始姿態(tài)為

當(dāng)焊接小車沿軌道運(yùn)動(dòng)，即連桿OA繞Z1軸旋轉(zhuǎn)θ角時(shí)，由軌道方程

把此時(shí)的θ代入D點(diǎn)的位姿矩陣(3)中得

可見，焊槍末端在初始狀態(tài)時(shí)的位置和姿態(tài)與實(shí)際情況一致。

2.3 機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型仿真

為驗(yàn)證該模型的有效性，以Matlab為平臺(tái)進(jìn)行仿真。仿真參數(shù)為:軌道半徑r=170 mm;小車質(zhì)心到高低滑塊的距離d1=300 mm;焊槍末端到輪廓檢測(cè)機(jī)構(gòu)的距離d2=50 mm。仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 焊接機(jī)器人機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真圖Fig.6 Schematic diagram of mechanical kinematics model simulation for welding robot

圖6中，當(dāng)小車沿軌道運(yùn)動(dòng)時(shí)，焊槍末端軌跡與波紋管斷面一致，表明此焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)模型能實(shí)現(xiàn)波紋管“8”字形截面的焊縫軌跡運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)論

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

(2)基于壓力檢測(cè)的焊接小車與微型跟蹤執(zhí)行機(jī)構(gòu)協(xié)同作業(yè)機(jī)制，解決了機(jī)器人承載及波紋管“8”字形斷面的焊縫軌跡實(shí)現(xiàn)問題。

(3)仿真結(jié)果驗(yàn)證了基于D-H法則的波紋管焊接機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的正確性，為后續(xù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及焊接過程控制研究奠定了基礎(chǔ)。

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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(xiàng)目(2009AA04Z208)

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

(編輯 沈玉英)