曹忠亮，郭登科，張宏斌，胡清明

（齊齊哈爾大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 齊齊哈爾 161001）

抽油機(jī)是油田開采過程中的主要設(shè)備，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)直接影響著工作效率。Matlab 中的SimMechanics是專門用于機(jī)械領(lǐng)域建模仿真的機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模塊集，可以使機(jī)構(gòu)仿真結(jié)果更加直觀[1-3]。SimMechanics 模塊是以牛頓經(jīng)典力學(xué)中力和力矩等基本概念為基礎(chǔ)編寫的，適用于各種運(yùn)動副連接的剛性構(gòu)件的建模與仿真，能夠?qū)C(jī)電控制系統(tǒng)進(jìn)行分析與設(shè)計[4]。

國內(nèi)外研究者已經(jīng)利用SimMechanics 對不同的機(jī)構(gòu)模型進(jìn)行了大量研究[5-7]。康信勇等[8]以六自由度工業(yè)機(jī)械臂ER10 為研究對象建立其對應(yīng)的SimMechanics仿真平臺，并進(jìn)行運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)分析。趙元等[9]利用SimMechanics 仿真平臺對3UPU/UPS 并聯(lián)機(jī)器人進(jìn)行仿真研究，在仿真平臺中增加PID 控制模塊。彭學(xué)鋒等[10]基于SimMechanics 對兩輪機(jī)器人進(jìn)行仿真。季嘩等[11]利用SimMechanics 建立4-UPS/PPU 并聯(lián)機(jī)構(gòu)運(yùn)動模型，得到運(yùn)動平臺對應(yīng)的位置、速度等變量的變化規(guī)律。

本文針對黑龍江省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目“一種新型無游梁式抽油機(jī)設(shè)計”，以無游梁式抽油機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)為例，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際教學(xué)環(huán)節(jié)，提出一種使用SolidWorks 與Matlab 搭建物理模型仿真的方法，實(shí)現(xiàn)三維虛擬樣機(jī)的建模及運(yùn)動仿真，并采用PID控制器對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，驗(yàn)證運(yùn)動軌跡特性。在無梁式抽油機(jī)虛擬仿真平臺搭建過程中，學(xué)生可以很好地領(lǐng)會建模與控制過程，快速掌握執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的繞輪軸和配重塊的位移圖，并基于配重塊的實(shí)際軌跡，得到執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)模塊隨時間的變化規(guī)律；學(xué)生可以直觀地對抽油機(jī)虛擬結(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計，有利于提高獨(dú)立思維能力和創(chuàng)新意識，降低研發(fā)工作量。

1 無游梁式抽油機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)

新型無游梁式抽油機(jī)由控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)組成，如圖1 所示，主要通過電網(wǎng)驅(qū)動電動機(jī)帶動抽油泵往復(fù)運(yùn)行?？蚣茼敹藘蓚?cè)有兩個固定的吊耳，一端固定鋼絲，另外一端鋼絲進(jìn)行換向，下端與油井相連接。中間為傳動裝置，由帶傳動和齒輪減速器完成對電機(jī)的第一級和第二級的減速工作，完成對減速器輸出扭矩輔助做功，用空間來換取效率，大大降低了電機(jī)的平均功率，達(dá)到了節(jié)能的效果。該設(shè)計方案已經(jīng)獲得國家專利[12]。

圖1 抽油機(jī)基本構(gòu)成

無游梁式抽油機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)包括：主軸、大曲柄、小曲柄和配重塊。主軸外圓周面固定套內(nèi)有行星輪系的太陽輪和大曲柄大端，行星輪系的內(nèi)齒圈設(shè)有外輪齒，內(nèi)齒圈的外輪齒與同步帶傳動機(jī)構(gòu)的主動帶輪嚙合連接。曲柄軸外圓周面固定套裝有同步帶傳動機(jī)構(gòu)的從動帶輪、大曲柄小端和小曲柄大端，小曲柄小端與配重塊固定連接。兩個定滑輪裝置均通過各自的輪軸固定安裝在機(jī)架上部的左右兩端，扁鋼絲繩一端與位于右側(cè)的定滑輪裝置固定連接，另一端依次繞過繞輪和定滑輪裝置與懸繩器上端固定連接。為保證輔助效果最佳，大曲柄和小曲柄的旋轉(zhuǎn)方向相反，旋轉(zhuǎn)速度相同，初始位置大、小曲柄間要有一定的夾角。

2 從SolidWorks三維軟件導(dǎo)入SimMechanics

使用Matlab 建模時，常常遇到簡單模塊難以表示的零件，通常解決方法是通過Matlab 編程語言自己編寫模塊，如抽油機(jī)中的曲柄模塊。零件復(fù)雜程度越高，編寫程序越難，嚴(yán)重阻礙了仿真進(jìn)度。本研究將用于三維實(shí)體設(shè)計的SolidWorks、Pro/E 等軟件的模型改為可以導(dǎo)入SimMechanics 中的XML 文件，從而避開對復(fù)雜零件的自定義模塊編程工作。

利用SolidWorks 強(qiáng)大的三維建模功能建模，完整的無游梁式抽油機(jī)SolidWorks 模型如圖2 所示，模型包括抽油機(jī)的機(jī)架、電動機(jī)等零件。將SolidWorks 模型另存為可導(dǎo)入SimMechanics 的文件，同時生成記錄零件尺寸的STL 文件。

圖2 抽油機(jī)SolidWorks 模型

此外，設(shè)計者還可以將SolidWorks 模型另存為VRML 模型，通過Simulink 下的Simulink 3D Animation進(jìn)行虛擬仿真。Simulink 3D Animation 可以建立待仿真機(jī)器的虛擬樣機(jī)和虛擬環(huán)境，在最接近實(shí)際情況下進(jìn)行仿真。通過Simulink 3D Animation 仿真后可以直接生成控制系統(tǒng)的C 語言程序，省去了后期編程工作，從而大大提高了仿真效率，縮短了研發(fā)周期。

3 仿真平臺組建與分析

3.1 自定義曲柄模型

在對曲柄進(jìn)行建模時，首先需要以軸連接孔圓心為拆分點(diǎn)將曲柄拆分成3 個部分：Left、Main Link、Right。每一部分的截面形狀都是封閉圖形。建立曲柄模型的順序是先中間后兩邊。每個部分都需要一個Solid（剛體）模塊來建模，然后通過Rigid transform（剛性變換）模塊定義兩剛體間的相對位置并連接成一個完整的曲柄模塊。

建立模型之前，首先要用Matlab 語言定義拉伸體的截面形狀。在Matlab 上新建腳本文件并命名，在編輯區(qū)內(nèi)寫入腳本程序。建立好曲柄模型后，需要進(jìn)行封裝處理。將曲柄模型封裝成模塊形式，有利于隨時更改參數(shù)、調(diào)整仿真狀態(tài)。使用同樣的方法建立基座、繞輪軸和配重塊的模塊。

3.2 組裝模型

根據(jù)抽油機(jī)零件裝配關(guān)系，將基座、曲柄、繞輪軸和配重塊依次連接。仿真結(jié)果通過Scope（示波器）和XY graph（坐標(biāo)系圖形）顯示。由于建模過程中坐標(biāo)系頻繁轉(zhuǎn)換，仿真結(jié)果以主坐標(biāo)系為準(zhǔn)，因此需要Transform sensor（坐標(biāo)轉(zhuǎn)換）模塊連接在被測位置和主坐標(biāo)系之間，如圖3 所示。SimMechanics 的模塊之間信號為物理信號，而 Scope、XY graph 只接受Simulink 信號，因此需要使用PS-simulink converter（信號轉(zhuǎn)換）模塊預(yù)先進(jìn)行信號轉(zhuǎn)換處理[13-14]。

圖3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

3.3 PID 控制模塊

在無控制情況下的SimMechanics 仿真得到的結(jié)果十分混亂，不能滿足設(shè)計使用要求，因此需要添加PID 控制模塊對模型的運(yùn)動進(jìn)行控制。將 Revolute joint 模塊設(shè)置為輸入扭矩、輸出轉(zhuǎn)速，將輸入信號和輸出信號分別接入PID 控制器兩端，結(jié)合抽油機(jī)工作參數(shù)，添加常數(shù)模塊表示輸入的轉(zhuǎn)速，設(shè)置其值為0.2π，如圖4 所示。

PID 控制模塊初始狀態(tài)下默認(rèn)P 和I 的值為1、D值為0。PID 控制模塊接入模型后，可以直接進(jìn)行P、I、D 參數(shù)修改。進(jìn)入Tune 界面后，系統(tǒng)會預(yù)先模擬運(yùn)行模型程序，然后得到相應(yīng)的傳遞函數(shù)曲線，設(shè)計者可以直接用鼠標(biāo)滑動Response time（響應(yīng)時間）滑塊更改傳遞函數(shù)曲線，滑動Transient behavior（瞬態(tài)行為）滑塊更改模型的魯棒性，直到模型符合要求為止。同時，還可以點(diǎn)擊繪圖命令來添加系統(tǒng)的Bode圖，以便直接觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定且滿足設(shè)計使用要求時，直接將參數(shù)寫入PID 控制模塊。

3.4 仿真結(jié)果

在含PID 控制模塊的系統(tǒng)中，繞輪軸的位移如圖5 所示，配重塊的位移如圖6 所示，配重塊的實(shí)際軌跡如圖7 所示。

從仿真結(jié)果圖像不難看出，該抽油機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動周期是10 s，上下最大位移量為0.9 m。配重塊的運(yùn)動軌跡呈橢圓形，速度無明顯變化，運(yùn)行平穩(wěn)，無振動。配重塊在x、y 方向上運(yùn)動不會同時處于極限位置，保證了機(jī)器能夠順利通過死點(diǎn)，在無外界干擾的情況下能夠滿足生產(chǎn)需要。

圖4 含PID 控制的執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型

圖5 繞輪軸的位移圖

圖6 配重塊的位移圖

圖7 配重塊的實(shí)際軌跡圖

4 結(jié)論

利用SolidWorks 與Matlab 建立了新型無游梁式抽油機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)，為抽油機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)提供了更高效的仿真方式。在控制方面，采用PID 控制器對模型進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，得到了較為理想的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果證實(shí)了該抽油機(jī)虛擬仿真平臺的可靠性。本文在對無游梁式抽油機(jī)的建模實(shí)驗(yàn)中利用搭建的虛擬樣機(jī)進(jìn)行了仿真，提高了設(shè)計及仿真的效率。通過仿真模型平臺，可以使學(xué)生掌握以下知識：

（1）通過Matlab 軟件中的SimMechanics 建模既不需要計算和搭建數(shù)學(xué)模型，也不需要大量的程序編寫工作，模型采用模塊搭建，省時省力，可以省去大量復(fù)雜的計算。

（2）通過隨時更改模型參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)，在同一平臺可進(jìn)行控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)的仿真，僅通過直觀搭建的物理模型就可以進(jìn)行實(shí)時分析，大大縮短了研發(fā)周期，降低研發(fā)工作量。

（3）通過仿真平臺設(shè)計可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生從書本理論到項目設(shè)計、再到實(shí)際應(yīng)用的一整套思維方式，幫助學(xué)生掌握仿真平臺的相關(guān)編程算法，逐步提高科研能力和創(chuàng)新能力。