油管清洗机夹持式机械手结构设计

白 松，魏晓冬

(西安石油大学机械工程学院，陕西 西安 710065)

摘要：为使钻通机在清洗维护外径为90～120mm各类油管过程中能被精准夹持并举升至目标位置，对常规工业夹持式机械手结构进行改进设计，将夹持式手部结构改进为滑槽杠杆式，并根据简化结构模型，对配套气压缸直径及其壁厚进行选型设计。新设计的机构使油管被举升到目标工位时握持，由钻通机机械手夹持工件，保证油管在钻通机钻进过程中的稳定，不至发生偏移、摇晃等现象。

关键词：机械手；油管夹持机构；举升装置；气压缸

在油田清洗维护油井管前，目前通常采用钻通机对油管进行预清洗。油管夹持式机械手[1-2]是钻通机传递机构中不可或缺的组成部分，其对长度为7～11m、外径为90～120mm的各类油管进行夹紧、举升，并通过夹持机构将油管从某一位置按预定运动轨迹传递到目标位置。气动机械手以空气作为传动介质，可实现气源的共享，不会污染环境，能迅速完成夹持动作，便于实现自动化控制，系统故障率低，而且压缩空气可以实现远距离传输。因为气动方式具有低成本、安全可靠、维修使用方便、寿命长等特点，所以被很多油田钻通机设备所采用。本文设计了基于PLC控制系统的气压动力装置，并针对钻通机油管夹持的特殊性对机构的机械手夹持装置的结构进行改进设计。

1 夹持式机械手工作原理

机械手工作原理：在PLC控制下，上料机械手将油管送至钻通工位，夹持式机械手将油管夹紧并举升至目标位置，同时将油管通过机械手锁死；钻通小车启动、前进，对油管进行清洗；钻通小车在电机驱动下行至端部，碰到控制开关后退回并停止。下料机械手将油管夹持并送至下料管架，此钻通工序完成，开始下一个循环[3]。

油管夹持装置采用夹持式手部结构，该结构由手指和传力机构构成[4]。驱动系统通过驱动工业

机械手执行机构运动，该机械手采用PLC程序控制系统，控制系统先给予机械手指令信息(如机械手动作顺序、运动轨迹、运动速度和时间)[5]，使其按规定程序运动，并记录机械手的运动过程，同时控制机械手执行机构的运动位置，然后通过控制系统进行调整，必要时可对机械手的动作进行监视，当动作有错误或发生故障时即发出报警信号，从而使执行机构以一定的精度达到设定位置[6]。

2 油管夹持举升装置设计

夹持式举升装置改进前后的结构如图1所示。

1—气压缸；2—手臂；3—手部；4—连接螺栓；5—立柱；6—手腕

图1 夹持式举升装置结构图

2.1 夹持式举升装置运动机构设计

对操作节拍进行设计时，需将机械手运动速度设定在一定范围内，同时要考虑手臂伸缩及回转速度。在设计夹持式机械手手臂时，要对伸缩行程和工作半径参数进行设计，推荐采用自动传送装置[7-8]。对结构进行设计时应考虑：1)机械手手指在抓取时具有足够的握力(即夹紧力)；2)按所夹持工件最大直径考虑手指间开闭角；3)工件准确定位且具有自动定心功能；4)机械结构简单紧凑，同时保证足够的强度和刚度；5)油管是被抓取对象[9]。

夹持式手部结构由手指和传力机构所组成[10]，其传力结构为滑槽杠杆式。将常规铰链传动改进为滑块机构，能有效增强机械手传动灵活性、稳定性和安全性。图2所示为结构设计简化示意图。

图2 夹持式机械手结构示意图

当PLC控制外部气管向气压缸充气时，上冲程气压缸压力增大推动活塞向上运动，带动Y型叉形接杆向上运动，叉形接杆末端滑块沿夹持手滑槽运动，驱动夹持手绕固定铰链转动，完成夹紧油管的动作。下冲程时，PLC控制外部气管停止充气，气压缸压力下降，活塞向下运动，带动Y型叉形接杆向下运动，滑块驱动夹持手张开，松开夹持的油管。

2.2 夹持式举升装置气压缸设计

气缸工作时，输出在活塞杆上的推力与活塞杆上所受的总机械载荷平衡，即

F1=P*

(1)

式中：F1为活塞杆上的推力，kN；P*为轴向总机械载荷，kN。

1)作用在活塞上的总机械载荷。

机械手手臂移动时，作用在机械手活塞上的轴向总机械载荷P*为：P*=P工+P导+P自=1 000+66+80=1 146(kN)

(2)

式中：P工为油管工件重力，kN；P导为导向装置处的摩擦阻力，kN；P自为Y型接杆重力，kN。

2)气压缸的直径。

本气压缸属于单向作用气压缸。根据力平衡原理，单向作用气压缸活塞杆上的输出推力必须克服弹簧的反作用力和活塞杆工作时的总阻力，其公式为：

(3)

式中：D为气压缸内径，mm；P为气流压力，取0.5MPa；Ft为弹簧反作用力，N；Fz为气压缸工作时的总阻力，N。

弹簧反作用力按式(4)计算。

Ft=Gf(l+s)

(4)

(5)

式中：Gf为弹簧刚度，N/m；l为弹簧预压缩量，m；s为活塞行程，m；d1为弹簧钢丝直径，m；D1为弹簧平均直径, m；n为弹簧有效圈数；G为弹簧材料剪切模量，通常取79.4GPa。

在设计中，必须考虑负载率η的影响。取η=0.5，则有：

(6)

由以上分析得单向作用气压缸的直径：

(7)

代入有关数据，可得

Ft=3 677.46×60×10-3=220.6(N)

所以

查有关手册并对数据进行圆整，得D=92mm。活塞杆直径d=(0.2～0.3)D，圆整后取活塞杆直径d=30m，活塞杆材料为45钢，其抗拉强度为600MPa，考虑到安全系数的影响，故活塞杆许用应力[σ]取120MPa,F1=490kN。

F1/[π/(4d2)]≤[σ]

(8)

d≥[4F1/(π[σ])]0.5

(9)

则d≥[4×490/(π×120)]0.5=2.28,满足实际设计要求(≤30)。

3)缸筒壁厚。

缸筒直接承受压缩空液压力，必须有一定厚度。一般液压缸缸筒壁厚与内径之比小于或等于1/10，其壁厚可按薄壁筒公式计算：

δ=DPp/(2[σ])

(10)

式中：δ为缸筒壁厚，mm；Pp为实验压力(本文取Pp=1.5P),Pa。

材料为ZL3，[σ]=3MPa，代入已知数据，则壁厚为：

δ=92×0.75/(2×3)=11.5(mm)

取δ=11.5mm，则缸筒外径为：

D外=92+11.5×2=115.0(mm)

3 结束语

由于条件限制，本文所涉及的控制系统并没有具体研究，更倾向于对油管清洗机夹持式机械手结构的改进设计，具体是对夹持式机械手的手部、手臂及其运动方式进行调整，将铰链传递运动方式改为滑槽杠杆式，实现钻通机对油管夹紧并精准举升，使钻进过程保持平稳，不发生偏移、摇晃。今后将尽可能和相关企业联合进行后续工作，以进一步完善油管清洗机夹持式机械手的产品性能。

参考文献：

[1] 潘秀石.基于串联增力机构的机械手夹持装置设计[J].机械工程与自动化，2013(5):78-79.

[2] 于传浩，章涤峰.一种气动机械手夹持机构的设计[J].液压气动与密封，2003(5):22-28.

[3] 齐继阳,吴倩,何文灿.基于PLC和触摸屏的启动机械手控制系统的设计[J].液压与气动,2013(4):19-12.

[4] 董玫.机械自动化技术的应用与发展前景的探索[J].机械设计与制造工程，2013，42(2)：81-83.

[5] 钱济国,杨志伊.基于机械手夹持误差的手指设计[J].机械制造与自动化,2005(5):30-32.

[6] 朱世强，刘松国，王宣银，等.机械手时间最优脉动连续轨迹规划算法[J].机械工程学报，2010(3):47-52.

[7] 段本明，张洪信，张鲁邹，等.基于动力学分析的车架轻量化研究现状[J].机械设计与制造工程，2013，42(4):72-74.

[8] 郭根生，冯玉婷.清洗机的设计与性能提高[J].机械设计与制造工程，2001，30(2)：5-7.

[9] 郑玉龙，张玉莲.基于PLC的海洋钻井平台钻杆传送机械手控制系统设计[J].机械设计与制造工程，2014，43(12)：51-54.

[10] 李宏，孙铁波.基于Pro/E的带线缝合针自动打孔夹持机械手设计及仿真分析[J].现代制造工程，2012(3):106-109.

Structural design of the clamping manipulator tubing cleaning machine

BAI Song, WEI Xiaodong

(Mechanical Engineering College, Xi'an Shiyou University, Shaaxi Xi'an, 710065, China)

Abstract：In order to keep the outside diameter of washing machine tubes at 90mm to 120mm and meet all kinds of tubing precision for the clamping movement, it improves the conventional industrial clamping manipulator structure, changes the clamp-type hand lever to chute leverage type, simplifies the model and forms a complete set of pneumatic cylinder diameter and wall thickness of type selection design according to the theory of mechanics. This design verifies the clamping movement precision and reliability.

Key words：manipulator; tubing clamping mechanism; lifting apparatus; pneumatic cylinder

DOI：10.3969/j.issn.2095-509X.2017.02.016

收稿日期：2016-03-14

基金项目：西安石油大学研究生创新基金资助项目(2015cx140428)

作者简介：白松(1991—)，男，陕西商洛人，西安石油大学硕士研究生，主要研究方向为油套管特殊扣的开发与性能评价。

中图分类号：TH132

文献标识码：B

文章编号：2095-509X(2017)02-0077-03