毕业设计（论文）-牵引机器人的驱动系统结构的研究.doc

哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业论文- 摘 要本文是以水平井牵引机器人为研究对象展开工作的，主要是对牵引机器人的驱动系统结构进行设计。水平井牵引机器人具有运输方便、操作简单、输送位置准确等优点，大大降低了井下作业成本水平井牵引机器人作为用于水平井服务最为经济的输送工具越来越受到重视，而且已应用于水平井测井、射孔、打捞等作业，因此它的研究和开发有着广阔的应用前景和良好的社会效益。本文根据油田水平井的实际工作需要，从整体上对牵引机器人的驱动系统结构和动作组件的两大部分进行了分析，介绍了结构的设计和采取的一些措施，通过对不同方案的论证，进一步说明了这种系统结构的特点。本文也有重点的介绍了驱动和动作的工作原理。本文对整个牵引机器人的驱动系统做了具体的分析，并对一些部件进行了系统的设计，并对驱动部分进行了系统的分析，改善了机器人的机械性能。关键词水平井 牵引机器人 驱动系统结构 调节机构-abstractthis paper is horizontal traction robot for research object to start working, is mainly to the traction of the robot drive system structure design. horizontal traction robot has convenient transportation, the operation is simple, accurate location advantages of conveying, and greatly reduce the cost of underground work of horizontal traction robot as used in horizontal well service most economic conveying tools more and more attention, and has been used in the horizontal well logging, perforation, salvage etc homework, so its research and development have broad application prospects and good social benefits. according to the actual need of work of horizontal oilfield, from the whole of the traction robots on the drive system structure and action of the two most component was analyzed, and introduces the structure design and adopt some measures, according to the different schemes of argumentation, further illustrates the system structure characteristics. this article also introduced with emphasis driver and action principle of work. in this paper, the whole traction robot drive system made detailed analysis, and some parts of the system design, and to drive part systematically analyzed, improve the robots mechanical properties. keywords： horizontal traction robot drive system structure adjusting mechanism -目 录摘要 abstract 第1章 绪论 11.1 课题背景 11.2 国内外水平井发展状况 1 1.3 国内外水平井测试方法概述 2 1.4 水平井电缆牵引器技术的发展 3 1.5 本章小结 7第2章 水平牵引机器人牵引机器人研制的意义及内容 8 2.1 水平井测试运载系统研制的目的及意义 8 2.2 设计内容 9 2.3 机械系统的设计 9 2.4 水平井牵引机器人工作流程 10 2.5 本章小结 12 第3章 牵引机器人驱动结构的设计 133.1 电机选取 13 3.2 牵引机器人驱动单元的结构 14 3.2.1 驱动结构设计 14 3.2.2 爬行模块的常用组合形式 15 3.2.3 模块化驱动单元的机构原理 16 3.3 牵引力调节机构的力学特性 16 3.4 调节机构的工作过程 173.5 调节机构力学模型 173.6 越障机构分析 183.7 本章小结 19第4章 牵引机器人动作单元的设计 20 4.1 载重量计算 20 4.2 动作单元工作过程 20 4.2.1 动作部分 20 4.2.2 电磁离合器部分 21 4.3 支撑臂受力分析 23 4.4 本章小结 24- 结论 25 致谢 26 参考文献 27 附录1 28 附录2 30第一章 绪论1.1 课题背景随着人类社会的不断进步和科学技术的日益发展，人们对生活质量和工作环境的要求愈来愈高，1961年美国unimation公司推出了第一台实用的工业机器人,自此，各种机器人或机械手被广泛应用于工业各部门以及服务、医疗、卫生、娱乐等许多领域，对人类的生活产生了深远的影响。它们可以替代人类劳动，完成各种精密、繁重、环境恶劣，甚至是危险的任务，并能够满足生产力进一步发展的要求，因而得到了很快的发展。各国科学家对各种机器人技术的开发和应用越来越重视。 1.2 国内外水平井发展状况 石油是工业的血液，是国家重要的战略储备能源，随着石油勘探技术的发展，以及对钻井技术的低成本、低污染、精确轨迹、高产量等新技术要求的提高，水平井凭借其优势已成为高效开采石油的重要技术支撑。水平井可以避开恶劣的地质环境，可以使开采区域更多，开采难度降低。水平井走向与油层一致，暴露在油层的面积更大，可以最大限度提高油层的泄油面积，从而提高采油率。在这个能源紧张的年代，发展水平井及其相关技术具有重大意义。通过增加水平段长度来提高采油率已成为提高油田产量的一个重要途径。水平井最早出现在美国（20世纪2030年代），但直到80年代才开始大规模应用，到了20世纪90年代以发展成为日趋完善的一项综合性配套技术。到了2000年全世界共钻水平井20000多口，其主要分布在美国、加拿大、俄罗斯等国家，其中以美国为主。水平井技术被誉为石油工业发展过程中的一项重大突破，在油田的勘探开发中发挥出越来越大的作用。在国内，20世纪60年代在四川尝试打成了两口水平井，但限于当时的技术水平，未取得应有的效益。从1990年开始，中国石油天然气总公司主持并领导了国家八五重点科技攻关项目石油水平井钻井成套技术研究。几年间共有6个油田和5个院校的大批科技人员参加了这一攻关，取得了丰硕的技术成果和巨大的经济效益。截至2003年底，我国水平井数量累计不到1000口，仅相当于美国一年新增水平井的数量。世界各国都在大力发展水平井技术，这是因为同直井相比较，水平井有如下优点：(1) 水平井增加了井筒和生产层的直接接触面积，且能钻穿多层陡峭的产层；同时也有利于更好的了解目的层的性质。(2) 可以在地面上同一位置钻成几口水平井，这样可以控制一个很大的含油范围，同时也有利于环境保护。(3) 可以开采产层非常薄的油藏，这种油藏用于直井采油时，由于裸露生产层的井筒太短造成经济效益较差，而采用水平井，这一矛盾就能够得到很好的解决。另外，在某些具有底水的薄油层中应用水平井还可以延缓和减少底水锥进的影响，因为水平井可以在它水平井段附近形成一个长长的低压区，而直井的低压区只有它井底那一点。(4) 注水、采油时井眼和直井的是相互平行的，这样它就提供了提高驱扫效率的机会，具有提高采收率的能力。水平井技术适用于油田开发的全过程，一口水平井成本约为普通直井的两倍左右，而其产量可达直井的35倍，甚至更多。1.3 国内外水平井测试方法概述水平井与垂直井在测井过程中的主要区别在于：垂直井或微倾斜井中，测井仪靠自重由电缆下入井内，而水平井则不能。大斜度井，尤其是水平井出现以后，在水平井段内重力不能帮助测井仪运动，而水平段的长度最长可达10000米，我国水平井水平段的最大长度为4000米，因此必须寻找把测试仪器送到水平段进行测试的新方法。目前，在水平井钻井过程中，世界各国采用五种测井技术：第一种是电缆法；第二种是随钻测量法（mwd），钻杆作为移动井下仪器的手段，下井仪器产生的数据通过泥浆进行传输；第三种是钻杆输送测井法（tool pusher），钻杆作为下井仪和地面之间的刚性连接件；第四种是以伸缩管原理为基础的泵入法（pump down stinger）；第五种是采用挠性管技术（coiled tubing）。后三种方法都采用电缆进行数据传输，这些方法的共同缺点是：测试过程复杂，所需仪器设备数量大，测试费用高，测试水平段的长度有限。随着水平井数量的不断增加，人们开始寻找更好的运送测井仪器到水平段的方法-电缆牵引器。其工作示意图如图1所示。1996年，经过statoil公司、maritime作业公司和welltec公司的通力合作、在海上油井中实施了世界上第一例电缆驱动井下牵引器的完成测试工作。2002年8月10日，塔里木油田与哈里顿公司合作利用excell-2000测井系统和sondex多参数组合仪，租用sondex公司的牵引器完成了中国首次水平井生产测井试验。在测井之前，首先进行了选井，选井过程对20口井进行了测井模拟，并在六口井上进行了试验，其中只有在一口井上获得了成功试验。2003年11月，在塔里木油田实现了国产井下仪器与引进井下牵引器及地面仪器的配接，成功地录取了第一口水平井生产测井资料。到目前为止，在国内已经成功地完成了5口水平井的生产测井。实践证明，利用牵引器可以完成水平井生产测井，同时也可以看出水平井测井能否获得成功不仅与仪器的可靠性有关系，而且与井况有密切关系。图1 水平井测井示意图1.4 水平井电缆牵引器技术的发展井下牵引器输送工艺是近10几年发展起来的新技术，采用常规测井井口装置，在测井仪器后端连接井下牵引器，牵引器与测井电缆连接，垂直井段靠仪器自重自然下放，进入造斜段，通过测井电缆供电并控制牵引器开始工作，有牵引器提供动力将仪器推送到目的段，然后通过地面控制断开牵引器电源，为仪器供电，靠测井电缆上提仪器进行测井。到目前为止，水平井电缆牵引器的应用已经非常广泛，可用于射孔、封堵、井径测量、井斜测量、提捞取样、打捞、水泥固结测井和生产测井。该方法的优点是：施工简便、节省工时、深度控制准确、测井过程中油井可以正常生产；缺点是：输送动力较小、对井筒技术条件要求较高（套管内径规则、井筒内无杂物）、施工风险大。由于能缩短钻井时间且易于操作，所以它能减少人员和设备成本，增加井身安全性，减少井下时间。以修井为例，与常规方法相比，测井牵引器能减少约45%的成本费。据估计，在北海的一个平台上每年平均节约1000万美元。水平井牵引机器人的研究是一项具有广阔前景的领域，对水平井的发展具有重要意义，得到了世界各国石油公司的高度重视。国外石油公司经过二十多年的研究和发展，已经在水平井牵引机器人领域取得了大量的研究成果，并投入到生产实际中去，牵引机器人在这二十多年间得到了迅猛发展，但从总体技术水平上来看还处于发展阶段。然而我国对水平井牵引机器人的研究起步较晚，与国外还有很大差距，国内成果大都停留在图纸和实验室样机阶段，距离大规模生产实用还有一定的差距，主要面临以下几个问题：(1) 井下动力传送：石油勘探和开采行业等领域的快速发展将对水平井牵引机器人提出新的更高挑战。随着水平井技术的迅速发展，将会在更深的地方寻找和开采油气，这就需要将仪器运送到更远的距离，要求开发新型电缆，要求有更强大的电源线，提供更大的井下动力，从而使牵引机器人能够在更大的负载下以更快的速度将仪器和工具运送到更远的位置。(2) 通信问题：电缆与井壁的摩擦大大增加了水平井牵引机器人的负荷，如果采用无缆方式则可以大大减小负载，但是油井管管壁为金属，通常使用的高频无线信号由于电磁屏蔽作用的影响很难穿过管壁。井下动力传送和通信问题都涉及到采用有缆方式还是无缆方式，目前的有效解决方案是减轻电缆的重量，减少电缆的线数同时保证通信质量。(3) 机械结构：为了将仪器运送到更远的距离，需要更大的牵引力，这要求牵引机器人的机械结构有足够的强度，良好的可靠性以及高效的传动机构。由于井下工作环境具有高温高压的特点，要求牵引机器人有良好的耐压性，要求电子器件在高压下稳定工作。在国内，随着水平井尤其是海上神精平台数量的增加和对水平井开发的高采收率综合效益的认识，水平井测井用测试运载系统作为对水平井监测最为经济的输送工具越来越受到重视。由于受到国内外水平井动态监测技术发展的限制，目前国内外对水平井段的生产动态监测还属空白。在国外，水平井牵引器经过近十年的发展，经过陆上和海上测井实践及多家测井公司的不断完善，结构被不断改进，可靠性和性能不断提高。到目前为止，出现了多种形式的牵引器，但从其移动方式上主要可分为两大类：转动轮爬行式和抓靠臂伸缩式。(1) 转动轮爬行式牵引器 转动轮爬行式牵引器是通过可张开和收合的支撑臂将驱动轮撑到管壁上，转动的驱动轮带动牵引器向前移动，welltec公司牵引器、sondex公司牵引器是典型代表，如图2和图3所示。图2 welltec公司牵引器 图3 sondex公司牵引器 图4 sondex公司牵引器局部放大图(2) 抓靠臂滑动（伸缩）式牵引器 抓靠臂滑动（伸缩）式牵引器是通过两组可张开和收合的扶正器式抓靠臂交替撑到管壁上，一组抓靠臂撑在管壁上静止，另一组相向或向背滑动，实现牵引器的驱动前进，斯麦公司牵引器、欧米伽公司牵引器是典型代表，如图5和图6所示。图5 斯麦公司牵引器图6 欧米伽公司牵引器在国内，水平井牵引器尚属空白。鉴于我国水平井的地下状况与国外油井的差别很大，研制适合我国水平井国情的牵引器已迫在眉睫。为了能够最大限度地满足水平井的开发要求，未来的水平井井下牵引器的发展方向：(1) 大功率、大牵引力、高牵引速度，可以提高送进效率，节约生产成本；(2) 多功能、自动化、智能化，具备仪器送进、井下故障诊断处理、甚至辅助钻井等多种功能，能够尽可能多地满足日益复杂的井下作业要求；(3) 标准化，能够满足各种井下设备自由组合、配套作业；(4) 无缆化，使井下作业范围更加广泛，动作更加灵活。最终目标是朝着井下牵引器的方向发展。1.5 本章小结本章首先介绍了国内外水平井的发展状况，比较了水平井与直井的区别及其优点，接着分析了探测水平井的方法及仪器对比，并提出了牵引机器人比其他探测方法的好处，我国由于这方面发展与国外有一定的差距，所以为了缩小与国外的差距，提出了研制牵引机器人。第二章 水平井牵引机器人研制的意义及内容2.1 水平井测试运载系统研制的目的及意义近10年来，我国探明的油气储量逐年下降，原油产量增长缓慢，每年新增探明可采储量无法弥补同期产量，能源短缺已在很大程度上成为阻碍我国经济发展的因素之一。从1993年开始，我国已成为石油净进口国。2000年，我国石油进口量突破7000万吨。随着经济的发展，我国石油进口的缺口将进一步加大，到2010年，我国进口石油预计将达到2亿吨。因此，最大限度地解决我国油气资源接替基地是当前极为迫切的问题。20世纪80年代以来，世界石油和天然气探明储量和年产量逐年稳步增长，其增长量的70%主要来自于海洋油气。我国海域具有较丰富的油气资源，据估算，石油和天然气的资源量分别为246亿吨和84000亿立方米。但是，我国海上油气资源勘探的后备基地严重不足，海上油气产量在本世纪初出现了下滑的趋势。与发达国家相比，我国海洋油气资源调查研究起步相对较晚，海域的油气勘探程度和油气资源的探明程度较低，尚有许多新的领域没有突破，仍有较大的油气潜力。据中海油2003年年报显示，该公司在南海西部及南海东部的产区，截至2003年底的净探明储量分别为6亿桶及2.5亿桶，合计为8.5亿桶，占中海油在中国储量的42.35%。由于中石油的主力油田大庆油田减产，加上中国对于油气的需求日增，中石油作为中国最大的石油天然气公司，要维持储量增长，必须致力于开拓每一个油源，除了走出去对外收购油气资产，更要顺应国家的新政策打破海上陆上的限制，在中国水域内挖潜更多的油气资源。经初步估计，整个南海的石油地质储量大致在230亿-300亿吨之间，约占中国总资源量的三分之一，属于世界四大海洋油气聚集中心之一。我国南海海底油气田储量巨大，如果合理开采，对我国的石油短缺的状况将起到很大的缓解作用。国家十一五计划将在海洋资源领域重点发展海上油气田的发现与开采，随着中石油加入到海上油气田的开发行列，我国未来的十几年必将在海上进行大规模的石油开采。随着水平井技术的不断完善及水平井的诸多优点，海上油田更适合采用这种方式进行开采，由于海上油田开采的费用较陆地开采昂贵得多，而海上多采用大位移水平井，其水平段的长度都非常长，因此采用常规的手段来运送测试仪器，不但成本高，而且测试效果不理想，甚至不能完成测试；如果采用电缆牵引器来运送测试仪器，不但成本低，而且不受水平段长度的限制，可以到达任意位置。这是国外普遍采用的测井手段，而我国目前还没有这种牵引器，现有的几套也都是从国外进口的，不但价格昂贵，而且远远不能满足国内水平井数量快速增长的需要。为了缩短与国外先进国家在水平井测试技术上的差距，同时满足国内日益增多的水平井测试的需要，必须自行开发用来测井的测试运载系统，填补国内在该领域内的空白。2.2 设计内容我所设计的是水平井牵引机器人驱动系统结构设计，主要研究其驱动和动作的原理，并对驱动和动作部分做出结构设计，最后给出整体的设计。驱动部分主要控制机器人的行走，而动作部分主要控制机器人驱动臂的张开与闭合。驱动部分通过驱动电机、联轴器、传动链、减速器，最后传递到驱动轮带动机器人行走，动作部分通过动作电机、滚珠丝杠、动作套筒、电磁离合器等使驱动轮张开与闭合，实现电机的整个动作。在垂直井或微倾斜井中，测井仪靠自重用电缆下入井内。对于大斜度井，尤其是水平井，在水平段内重力不能帮助测井仪运动，而要测量的目的层长度，有的几十米，有的数百米，有的甚至几千米，因此必须寻找把仪器送到井底的新方法。90年代中期，国外出现了采用牵引器作为运载工具将测试仪器送到水平段的预定位置，对水平井进行测量的一种新技术。2.3 机械系统的设计 牵引机器人需要运送装有多种传感器的测井仪器和井下工具进入深度超过千米的水平井，完成对水平井井下环境探测，并进行必要的射孔和打捞等作业。换句话说，它实质上是一种移动载体，主要任务是完成对测井仪器和井下工具的运送工作，而不是对环境的识别。它是多任务的，有专门的环境识别的测井仪器，根据每次下井任务的不同所携带的井下工具也不同。因此，它不需要集成机器视觉等检测模块，控制模块和操作模块有良好的接口，具备较强的管径适应能力和越障能力，这是水平牵引机器人设计关键，也是判断水平牵引机器人性能的一个重要指标。 水平井牵引机器人工作环境不同于一般的管道机器人，井下工作环境恶劣，高温高压，并且要求牵引机器人拖拽距离长，输出力大。然而水平井管道直径小，管径一般为114.3mm到193.68mm，这大大限制了牵引机器人的外径尺寸，给结构带来很大困难。井下油管与普通管道不同，没有90弯管接头，每根油管长约9米左右，两个油管之间大约偏斜1，因此为了满足牵引力要求，水平井牵引机器人一般设计为细长结构。 在井下每两个油管之间存在接头，不同管径管道之间存在变径，这种复杂环境要求牵引机器人越障能力强，可靠性高，管道通过性好，因此水平井牵引机器人的越障机构成为设计关键部分。目前的研究主要是针对具有自主行走能力且运动速度方向可控的主动运动方式，主动运动方式的管道机器人包括蛇行式、多足爬行式、螺旋驱动式、履带式、蠕动式和轮式六类机器人。轮式水平井牵引机器人是通过支撑臂将驱动轮压紧在井壁上产生封闭力。在封闭力的作用下，牵引机器人的各驱动轮与井壁之间产生附着力，驱动牵引机器人在水平井内前后运动。轮式水平井牵引机器人具有结构简单、可控性好、牵引力大、前进速度快、运动连续、携带仪器能力强等优点，是水平井牵引机器人在工程实际中应用最多的运动方式之一。综合考虑越障要求和牵引力要求，轮式牵引机器人最适合水平井环境，因此总体设计方案确定为轮式运动方式。下面讨论越障机构设计和驱动机构设计等关键问题，最后给出机械系统的整体设计：牵引机器人主要参数的确定：1.最大牵引力： 260kgf2.最大爬行速度： 9m/min（额定牵引速度不小于5m/min） 3.耐温： 150c（连续工作时间不小于6小时，待机时间不小于24小时）4.耐压： 80mpa5.仪器直径： 54mm6.长度： 7500mm7.仪器配接单芯电缆8.可配接国产和引进的使用单芯电缆的测井仪器。2.4 水平井牵引机器人工作流程水平井牵引机器人在下井前需要进行检查，确保下井后不会出现故障，因为一旦在井下出现故障将其取出是一项十分麻烦的事情，在井口一般需要安装高压防喷设备，下井前进行通井，确保井下管道畅通，避免下井过程中的堵塞。 具体工作流程如下：1） 油井资料收集： 在测井和井下作业前首先要收集作业井的所有资料，包括生产情况，井的结构，地质情况的数据，确保下井的一次成功率，避事故发生，节约成本。2）牵引机器人下井施工设计：对收集的资料进行分析，判断是否适合水平井牵引机器人工作，如果水平段比较短则可用其他简单经济的方式运送仪器和井下工具，确定符合条件后，根据井身轨迹图做出详细设计施工方案，根据水平段长度和井下井壁情况选择牵引模块数量。3） 井下系统的地面调试： 在地面将牵引机器人组装后在其前端与仪器和工具串联接，后端与电缆接头连接，在地面进行调试，确保井下仪器和工具与机器人连接正常，工作协调。测试运程调压系统工作是否正常，能否保证牵引机器人和井下仪器所需的工作电压。读取井下仪器的数据，确保地面可以获得仪器返回的数据信号。4）井口安装：在地面将牵引机器人与仪器和工具串连接后，放入刚性导管内，通过高塔将其与导管一同竖起，导向管与井口连接，确保导向管与井口轴线一致，避免牵引机器人下井过程中由导向管与井口轴线不一致引起的不必要的碰撞。5） 水平井牵引机器人下井： 缓慢释放电缆，牵引机器人和井下仪器依靠自身重力自然下放，下放过程中要时刻监控电缆接头返回的张力值，防止下放速度过快引起的张力过大，导致电缆断裂。根据张力变化来控制电缆的下放速度。通过张力系统和磁定位系统返回信号到地面判断是否下放到了斜井段或水平段。 当依靠重力无法前进时，启动水平牵引机器人，通过远程调压系统给机器人供电，机器人推动仪器和工具前进，前进过程中要特别注意电缆 接头返回的张力值，确保牵引工作的安全，到达目标位置后，断开机器人供电，切换到井下仪器和工具供电模式，开始测井任务和井下作业。6）测井及井下作业记录测井数据，通过地面控制系统远程控制井下工具的操作，完成射孔作业任务。7） 井下设备回收 通过绞车上提电缆，实时监控电缆接头的张力，根据张力值控制绞车收卷辊转速，在必要时启动牵引机器人推动电缆。提升至井口后将牵引机器人及井下设备同刚性导向管一起拆下。2.5 本章小结本章主要介绍了水平井牵引机器人研究的重要意义，通过对大量文献收集整理，对一些机器人的参数进行了分析，并给出了牵引机器人的一些参数，深入细致分析了水平井牵引机器人机械系统的国内外研究现状及发展方向，而且水平井在我国发展速度快，所以研究一个适合水平井的牵引器迫在眉睫。还了解了牵引机器人的工作流程，提出了本文的主要研究内容。第三章 牵引机器人驱动结构的设计水平井牵引机器人是管道机器人的一种，主要用于油田水平井的测试，负责将各种仪器输送到水平段的目的地。现在已研制出的管道机器人种类较多，按行走方式可分为轮式、履带式、螺旋轮式、蠕动式、多脚式行走管道机器人，分别适应不同的管道和不同的工作需求，但是水平井牵引机器人与这些管道机器人有如下不同：工作环境更加恶劣，且工作空间受到严格限制。一是管道内的介质压力和温度较高，压力为60100mpa,温度最高可达180；二是要提供较大的牵引力，通常要大于2000n；三是油管直径小。已有的管道机器人在驱动结构上，外径尺寸或特别大，能提供较大的牵引力；或比较小，只能提供较小的牵引力。虽然有些管道机器人可以适应管径的变化，但是其适应性也有一定的限度，外径尺寸不能太小，也无法在5in的油管内工作。因此，要采用牵引机器人来实现水平井测试，必须设计出外径尺寸和牵引力符合水平井测井要求的驱动结构。因此提出了一种牵引机器人的驱动结构-模块化轮式驱动结构，并对其中的关键结构-牵引力调整机构进行了研究。机器人的驱动系统按动力源可分为液压驱动、气动驱动、电动驱动三种基本驱动类型，由于水平井牵引机器人工作环境的恶劣性和特殊性，所以选择电动驱动，因为电动驱动有输出功率大、起动转矩大、控制精度高、结构性能好等优点，很适合水平井牵引机器人。牵引机器人的驱动系统包括电动机、联轴器、传动链、减速器、驱动轮。3.1 电机选取电机大致可细分为以下几种：1交流伺服电动机 包括同步型交流伺服电动机及反应式步进电动机等。2直流伺服电动机 包括小惯量永磁直流伺服电动机、印制绕组直流伺服电动机、大惯量永磁直流伺服电动机、空心杯电枢直流伺服电动机。3步进电动机 包括永磁感应步进电动机。速度传感器多采用测速发电机和旋转变压器；位置传感器多用光电码盘和旋转变压器。近年来，国外机器人制造厂家已经在使用一种集光电码盘及旋转变压器功能为一体的混合式光电位置传感器，伺服电动机可与位置及速度检测器、制动器、减速机构组成伺服电动机驱动单元。机器人驱动系统要求传动系统间隙小、刚度大、输出扭矩高以及减速比大。一般机器人通常采用无刷直流电动机，包括启动、换向都是通过安装于定子或转子上的各种传感器作为反馈来进行控制的。通常使用的传感器有旋转变压器、光电码盘及霍尔传感器，其中前两者原理简单，但是需要较大的空间来安装，这对于牵引机器人自身构造及细长结构的电机本体来说是很难实现的;对于霍尔传感器，霍尔元件的高温高压下温度特性又限制了它的应用。因此本驱动单元拟采用无传感器控制的无刷电动机。3.2 牵引机器人驱动单元的结构3.2.1 驱动结构设计水平井牵引机器人的驱动原理图如图1所示，驱动电机通过减速器和过载保护器2将转矩传递到主轴3。主轴通过锥齿轮副7带动链轮链条将转矩传递到驱动轮5，驱动轮旋转带动牵引机器人前进。1.驱动电机和减速器 2.过载保护器 3.主轴 4.链条5.驱动轮 6.链轮 7.锥齿轮副图1 驱动原理简图图2所示为牵引机器人驱动单元的示意图，由动力模块和爬行模块组成。动力模块是基础模块，主要功能：一方面控制爬行轮的张开和收合，由动作电机、滚珠丝杠副、套筒、压缩弹簧组成;另一方面要驱动爬行轮的转动，主要由驱动电机、减速器、传动轴组成，驱动电机与传动轴要在套筒中心穿过。每台机器人必须配备一套动力模块。爬行模块由推杆座、压缩弹簧、推杆、大小锥齿轮、链轮、链条、爬行轮系组成。图2 机器人驱动单元结构示意图3.2.2 爬行模块的常用组合形式目前的轮式管道机器人多采用一组固定数量的爬行轮，为了获得足够大的牵引力，应在爬行轮与油管内壁之间产生足够大的摩擦力，因为摩擦系数一定，所以只能提高爬行轮与管壁之间的正压力。这就要求轮式机构具有足够的强度和刚度，势必导致零件的结构尺寸增大，不能在小直径油管内工作。如果采用模块化设计，即采用多组爬行模块并按一定方式组合，就可以将载荷分配到多个爬行轮上去，从而减小各零件的尺寸，使机器人的径向结构更加紧凑。爬行模块的数量根据牵引力的大小来选择，通常选用两组爬行模块串联，圆周方向互成90布置.每一组爬行轮与油管内壁的接触线与油管的对称面并不重合，存在偏心e.通过调整偏心的大小，可以改变爬行轮的直径，同时也能调整丝杠副的直线行程。这种结构优点在于爬行轮可完全收回，收回后两轮可以重合，从而可以使机器人的径向尺寸做到最小，这是从另一方面来减小机器人径向尺寸的方法。 3.2.3 模块化驱动单元的机构原理图4所示为牵引机器人驱动单元传动系统的原理图，从图中可以看到，传动系统是由两大部分组成的：控制爬行轮张开、闭合的机构和控制爬行轮转动的机构。为了获得小的外形尺寸和布线的方便，两套传动机构采用同轴同侧布置。图4 机器人驱动单元简图爬行轮张合机构（控制单元）的主要功能是控制牵引机器人的两组爬行轮的打开与闭合，在牵引机器人爬行时，提供足够的正压力，使驱动轮与油管内壁之间有足够的摩擦力，主要包括电机、行星减速器、电磁离合器、滚珠花键、滚珠丝杠组件、推力套筒、推杆、压缩弹簧组件。爬行轮转动机构（驱动单元）的主要功能是控制牵引机器人的行走，为其提供动力，主要包括电机、行星减速器及传动轴。驱动单元结构特点：减速比大，输出扭矩大，传输距离长。如本方案拟采用的电机转速为10000r/min，爬行轮转速约为50r/min，减速比为240，输出扭矩66nm，从电机到第一组爬行轮的轴向距离为1400mm。3.3 牵引力调节机构的力学特性图5所示为牵引机器人的牵引力调节机构，通过滚珠丝杠副将电机的旋转运动转变为螺母的直线运动，推动推杆来调整爬行轮与管壁之间的压力。为了增加机构的柔性，在推杆与丝杠螺母之间增加了一个弹性环节，一方面可以吸收运动过程中产生的振动，使机器人工作平稳，减少对携带的仪器产生冲击；另一方面也增加了爬行轮的自动调节功能，可以在一定范围内实现爬行轮的自动收张，避免了频繁通过电机来调整。 图5 调节机构示意图3.4 调节机构的工作过程打开过程：电机通过大速比的行星减速器（减速比大于100）驱动滚珠丝杠旋转，丝杠螺母沿轴向移动（螺母周向固定），推动压缩弹簧组件带动推杆绕铰接点a转动，推杆通过铰接点c带动驱动臂座绕铰接点o旋转，使爬行轮朝油管内壁方向运动，当爬行轮与油管内壁接触后，因为推杆ac与臂座oc及oa构成了封闭三角形，所以此时爬行轮不能再继续移动（见图1）。这是若螺母继续移动，将使螺母与推杆座之间的弹簧被进一步压缩，通过改变弹簧的压缩量可以控制爬行轮与管壁之间的正压力。在实际应用中可用位移传感器来替代压力传感器作为反馈环节。收回过程：正常情况下爬行轮的收回是通过电机反转来实现的。在当电机发生故障或系统突然断电的情况下，如采用1图所示的机构，爬行轮将不能收回，发生卡滞。为了避免发生这种情况，应在电机组件之间增加了一个自动离合器（图中未画出）。当系统出现故障时,通过离合器切断减速器与丝杠之间的联接,利用滚珠丝杠不能自锁的特性，在压缩弹簧的推动下，丝杠螺母驱动丝杠反转，使爬行轮自动收合，可以避免发生爬行轮卡滞。3.5 调节机构力学模型如图5所示，以固定支点o为坐标系的原点，建立坐标系xoy，l1是臂座oc的长度，l2是支点b到固定支点a之间的距离，l3是推杆cd的长度， 1是臂座oc与水平方向之间的夹角， 2是推杆cd与水平方向之间的夹角，n为管道内壁作用在爬行轮上的压力，f1是弹簧作用在推杆上的轴向推力，f2是单个爬行轮提供的牵引力。如图1所示，在坐标系xoy中有xa=-(l1+l2)cos 1-l3cos 2yb=l1sin 1 (1)（l1+l2）sin 1=l3sin 2+h对式(1)等式两边取微分，得 xa=（l1+l2）sin 1 1+l3sin 2 2 yb=l1cos 1 1 (2)（l1+l2）cos 1 1=l3cos 2 2式(2)整理后，得 xa=（1+l2/l1）（tan 1+tan ) yb (3) 根据虚功原理，得f1 xa=2n yb (4) 将式(3)代入式(4)，得f1=2l1n/（l1+l2）（tan 1+tan 2） (5) 又 f2=nf (6) 式中，f为摩擦系数，得f2=f（l1+l2）（tan 1+tan 2）f1/2l1 (7) 式(7)即为牵引力与弹簧力的关系式。3.6 越障机构分析在曲柄滑块调节方式的基础上，本文提出一种由齿轮齿条和柔性支撑单元等组成的越障机构，图6为越障机构示意图，在支撑臂展开的过程中支撑电机通过减速器10及过载保护器8带动丝杠12旋转，推动螺母11向前运动，螺母压缩弹簧7，弹簧推动主液压缸活塞杆使主液压缸及油路内产生油压，油路中油压使副液压缸活塞杆运动，活塞杆推动齿条15，齿条带动固连在支撑臂上的齿轮3旋转，支撑臂将驱动轮压紧在管壁上产生封闭力。在弹簧力达到设定值时电机停止转动，螺母自锁。在支撑臂收回过程中支撑电机反转，丝杠带动螺母退回，弹簧力减为初始值，液压缸及油路内油压减为初始值，在复位弹簧16推动下齿条复位，支撑臂收回。1驱动电机和减速器；2过载保护器；3齿轮；4副液压缸；5驱动轮；6主液压缸；7弹簧；8过载保护器；9管壁；10支撑电机和减速器；11螺母；12丝杠；13油路；14支撑臂；15齿条；16复位弹簧图6 越障机构原理图3.7 本章小结本章主要确定适应井下环境的最佳运动方式为轮式，并以此为基础，分析讨论了水平井牵引机器人结构的设计问题，对驱动部分进行了系统的分析，提出一种由锥齿轮副和链轮链条组成的驱动机构，最后完成了部分设计，并简述了其工作流程。通过分析得出结论：第一：轮式是水平井牵引机器人最优运动方式，轮式水平井牵引机器人具有结构简单、可控性好、牵引力大、行走速度快携带仪器能力强等优点。第二：水平井牵引机器人的设计主要考虑牵引力和通过性问题，即主要解决驱动结构的设计问题，本文提出的锥齿轮副和链轮链条组成的驱动机构结构简单，效率高，有效节约了设计空间，同时满足了强度要求。第四章 牵引机器人动作单元的设计4.1 载重量计算 因为牵引机器人要携带仪器进入水平井，所以机器人要能承载一些重量，这主要有电机产生的驱动力，经过联轴器、减速器、传动链等，传递到驱动轮上带动机器人前进。已知：最大牵引力为260kgf，爬行速度8m/min，电机转速10000r/min，驱动轮半径30mm，减速比为240，仪器重量为200kg，计算出产生的驱动力能承载多重的仪器重量。根据扭矩公式 t=9550p/n p代表功率，n代表转速，t代表扭矩。由公式得：1kgf=9.8n 所以260kgf=2548np=f v ,其中f代表牵引力，v代表速度， 代表传动机械的效率，在本次设计中取0.9。所以由公式得：p=2548 8 0.9/1000 60=0.31kw 扭矩 t=9550 0.31/10000=0.30nm已知驱动轮半径为30mm，减速比为240，所以得出驱动力 f?=0.30/0.03=10n由公式g=mg得，m=g/g=10/9.8=1.02kg所以产生的驱动力能承载的重量是 1.02 240=244.8kg因为244.8kg200kg 所以合理。4.2 动作单元的工作过程 4.2.1 动作部分水平井牵引机器人输送测井仪器的工作过程，在垂直的井和井斜角度不大的井孔中，电缆和管状的测井仪器串或井下工具凭借重力作用进入井孔内，并能沿井孔顺利下行移动，井斜角度达到60以上时，电缆和仪器串与井孔内壁摩擦阻力增大，超过重力作用产生的拉力，导致电缆和测井仪器串在井孔内不能向下移动。在典型的水平井牵引机器人操作中，牵引机器人与连有测井仪器的电缆头上的电缆相连，当井孔角度加大到牵引机器人测井组合仪停止向前运动时（通常发生在60以上井孔中），牵引机器人开始运行。这时，牵引机器人打开，推动测井仪沿水平井段向前移动或穿过大角度部位，同时拽着它后面的电缆线，一旦达到所想到达的区域，牵引机器人就关掉成为仪器操作的一部分不再工作，测井或作业工作结束后，牵引机器人作为常规仪器被拽出井孔。动作单元主要零件：驱动电机、离合器、轴承、滚珠丝杠组件、弹簧、固定块、螺母、动作套筒、连接座、驱动臂、轮系等。动作单元的主要子装配模型有离合器，滚珠丝杠组件、轮系、连接座组件等。直流电机通过螺线管带动滚珠丝杠来驱动离合器，滚珠丝杠又通过压力密封来驱动传动轴。轴的延长部分又通过另一端的压力补偿密封回到动作部分。动作单元的工作过程：当与机器人组装到一起后，动作部分负责驱动臂张开和合拢运动。它具有安全保护离合器的作用。当驱动电机工作时，螺线管线圈施加100200v电压，离合器接合。当离合器接合时，带动离合器联结的滚珠丝杠转动，这将使与丝杠螺母联结的动作套筒平动，动作套筒推动连接座将驱动臂打开，直到驱动轮与管壁接触，然后驱动轮在动作电机的驱动下带动整个牵引机器人行走。在牵引机器人断电时，离合器会自动跳开，滚珠丝杠受摩擦阻力的作用逐渐停止运动，弹簧力使丝杠螺母和动作套筒回到原位置，驱动组件内部的弹簧组件将使驱动臂闭合。从上述运动看，可知：1.滚珠丝杠是不鞥自锁的，否则的话动作套筒无法回到原位置，驱动臂无法实现合拢。滚珠丝杠通过离合器来固定其位置，机器断电后离合器自动脱开，驱动臂闭合，而离合器中依靠导向销传递载荷和运动。2.前部弹簧对驱动臂张合起决定作用，而后部弹簧在以后的水平运动中只起缓冲作用。如果前部弹簧力过小，则当动作单元在水平油管中时，无法保证使动作单元的驱动轮与管壁紧密接触;反之，如果前部弹簧力过大，则无法满足动作单元运动要求。动作部分的电功能简单，包括一台直流电机、电位器、螺线管和4路到拖拉器其他部分的导线，其中3路主要由驱动电机提供电源，另一路是由拖拉器下端所连的测试工具提供电源。4.2.2 电磁离合器部分工作原理：在离合器的接合过程中，首先给电磁线圈通电，使花键轴的铁芯对线圈及端盖产生电磁吸力，同时启动电机使其带动花键轴反转。这样，电磁吸力会使铁芯带动推力套向右运动，直到铁芯与端盖吸合并保持一定的吸合力。在这个过程中，推力套的运动使两个弹簧产生弹力，这两个弹力和电机的反转运动共同带动浮动在花键轴上的花键螺母，使固定在花键螺母上的导向销进入到输出轴的工作部分，这样，离合器在电机正转、反转的情况下可以传动，即离合器进入工作状态。在离合器的脱离过程中，首先将电磁线圈断电，使铁芯与端盖之间的电磁吸力消失，这时，处于压缩状态下的弹簧将给花键螺母一个恢复到离合器工作前的位置的作用力，当花键螺母回到初始位置后，固定在花键螺母上的导向销离开输出轴的工作部分，这就使花键轴与输出轴分离而不能传递力矩。电磁离合器导向销受力分析导向销是电磁离合器中受力很集中的一个部件，其受力状况需要研究。固定在花键螺母上的导向销在离合器稳定工作状态下的受力图如图2-1所示，在图3-1中，f1为径向作用力，是由螺母扭矩提供的，f2为轴向作用力，是由电磁力压缩弹簧提供的。二者合力即为导向销受的作用力。径向作用力f1大小计算如图3-2所示。 图3-1 导向销受力总图 图3-2 导向销径向受力图由给定的参数，可计算得 f1=t/r+l/2=5000/25.5=196（n）轴向作用力f2大小计算如图3-3所示：图3-3 导向销轴向受力图由给定的初始参数，可计算知 f2=k22=1.25x2=2.5（n）4.3 支撑臂受力分析图4为支撑臂的受力简图，齿轮齿条机构中齿轮固定在支撑臂上，主要承载扭矩，径向力由支撑臂两端的支承轴承担。由几何关系得：sin=(d-d1)/2l (3-1)式中：-驱动臂与管道轴线夹角（rad）； d1-驱动轮直径（mm）； d-管道直径（mm）； l-驱动臂长，即齿轮中心到驱动轮中心的距离（mm）；复位弹簧压力f2为： f2=k2d/2式中：d-齿轮分度圆直径（mm）； k2-复位弹簧刚度（n/mm）；由液压系统力传递关系得： f1/a1=f/a式中：f1-副液压缸活塞推力（n）； f-主液压缸活塞推力（n）； a1-副液压缸内径面积（mm?）； a-主液压缸内径面积（mm?）；作用在齿条上的力f0为： f0=f1-f2由齿轮中心处力矩平衡m=0得： ftd/2+fnlcos=f0d式中：ft-作用在驱动轮上的摩擦力（n）； fn-驱动轮与管壁之间的封闭力（n）；因为f1f2，所以可以在设计中忽略f2图4 支撑臂受力简图4.4 本章小结本章主要计算了牵引机器人承载仪器的重量，动作单元的详细工作过程，并且了解了电磁离合器的工作原理，研究了离合器导向销和支撑臂的受力分析。本章所得到的分析结果对具体机械结构设计具有重要的指导作用，为整体设计提供了理论上的依据。结 论本课题通过了对牵引机器人驱动系统的结构设计，水平井牵引机器人的发展，及其未来的发展状况分析，更加说明了此次设计的正确性。从方案论证到方案的确定，可以看出在结构设计上花费了大量的精力。一次又一次的改变结构方式，一步一步的分析论证得到最佳的结构方案。在驱动的选择上充分考虑了各种因素的影响保证了转台的稳定运行。在方案计算论证过程中得到了转台的最佳运动状态数据。保证了转台的稳定性和精度。也进行了可靠性与经济性分析在保证转台的质量同时也保证了转台的经济效益。通过本次课题设计使我更好的掌握设计的基本知识。让我学到了产品设计的合理过程。在今后的学习和工作中打下了良好的基础。致 谢在本文即将完成之际，谨向所有给予我关心、帮助和支持的老师、同学们致以我最真挚的谢意。首先，感谢我的导师罗建伟老师，他严谨的治学态度、广博的学识是我效仿的榜样。无论在毕业设计中遇到什么样的问题罗老师都会耐心地给我讲解和指导。所以，在这里我向罗建伟老师致以我最真挚的谢意。另外，罗建伟老师在我做毕业设计的过程中，给予了精心的指导，他渊博的学识，严谨的作风、对科学精益求精、严以律己、宽以待人的崇高品质对学生是永远的鞭策，加深了我对研究工作的认识，使我学到和了解许多新的东西，在此表示衷心的感谢。最后，感谢罗建伟老师在设计过程中的耐心指导和帮助，此外感谢各位老师在生活上给予的帮助，向各位老师表以最高的敬意和由衷的感谢。参考文献1. 常玉连.邵守军.高胜.石油工业中管道机器人技术的发展与应用前景.石油机械，20062. 王连明.陈铁鸣.机械设计.哈尔滨工业大学出版社，19983. 解旭辉，王宏刚，徐从启.微小管道机器人机构设计及动力学分析.国防科技大学学报，20074. 邵东向.李良.机械工程测试基础.哈尔滨工业大学出版社，20035. 唐德威.梁涛.姜生元.机械自适应管道机器人的机构原理与仿真分析，20086. 刘清友.李难国.水平井井下爬行工具介绍.国外测井技术，20087. 白相林.李浩昱.刘文剑.油田水平井牵引机器人驱动单元的设计，吉林大学学报，20088. 唐德威.王新杰.邓忠全等.水平油井检测仪器拖动器.哈尔滨工业大学学报，20079. 王连明.机械设计课程设计.哈尔滨工业大学出版社，199510. 陈哲.吉熙等编著.机器人技术基础.机械工业出版社，199711. 陈红伟.郝振宪.何汉坤.水平井设计应用与展望. 钻采工艺，199812. 刘猛.高进伟.熊万军.水平井井下仪器送进技术的现状及发展意义.石油矿场机械，200413. 高进伟.刘猛.李海凤.水平井井下自适应爬行器的研制.石油机械，200514. 东方.套管水平井牵引器.小型油气藏，200815. 刘颖.一种平面驱动冗余机器人的优化设计与动力学仿真.燕山大学，200616. explorer: unt