一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统的制作方法

本实用新型属于石油钻探装备驱动控制技术领域，具体涉及一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统。

背景技术：

随着石油钻井行业对环境-安全-健康管理体系要求的不断提高，越来越多的常规钻井装备都向自动化方向发展，其中较有代表性的为二层台机械手，用于替代传统井架工，负责高空的管柱排放作业；综合国内外近年来的主要产品可分为悬持式的自动井架工、桥式排管机、柱式排管机等；推扶式的二层台机械手、高空排管机器人、立式运输工具等，但不管是悬持式还是推扶式都采用液压驱动方式或纯电驱动方式。液压驱动方式的主要问题是液压缸、马达和管线较多，存在漏油、液压元件磨损、液压站能量转换效率低等问题，其中最严重的液压油泄漏问题会造成严重的环境污染，这是环境-安全-健康管理体系中明令禁止的。纯电驱动虽然避免的液压驱动的问题出现，但也存在部分执行机构的马达、减速机等所占体积大、安装空间受限、难于检修，无法满足现场工艺要求；成本高、资源利用率低等问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统，解决了现有技术中存在的二层台机械手液压驱动控制系统的漏油问题。

本实用新型所采用的技术方案是：一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统，包括滑车轨道，滑车轨道上套接有滑车，滑车的上方连接有推扶臂旋转马达总成和行走马达总成，滑车的下方设置有推扶臂旋转机构，推扶臂旋转机构下方连接有推扶臂的一端，推扶臂与推扶臂旋转机构之间夹角成锐角，推扶臂的另一端活动连接有钳头，推扶臂的中段活动链接有推扶臂变幅机构的一端，推扶臂变幅机构的另一端连接推扶臂旋转机构，钳头为两根相互平行的立板，立板的一侧设置有钳头变幅机构，钳头变幅机构的中部固接有钳头连接耳板，钳头的另一侧上方连接有挡杆A，钳头另一侧下方连接有挡杆B，挡杆 A和挡杆B均朝向钳头内侧，且挡杆A在挡杆B的左侧。所述滑车轨道远离滑车的一端安装有驱动控制系统，驱动控制系统的输入端连接有输入电缆；驱动控制系统连接有拖链的一端，拖链的另一端与滑车相连。拖链内部设有驱动控制系统的输出电缆以及气管线，驱动控制系统的输出电缆包括VC1、VC2、VC3，驱动控制系统的输出电缆和气管线通过拖链连接至滑车中各设备，其中VC1与推扶臂旋转马达总成相连，VC2与行走马达总成相连，VC3与推扶臂变幅机构相连，气管线与钳头的执行机构相连。

本实用新型的特点还在于：

驱动控制系统的输入电缆包括总供电电缆C1、通讯电缆C2和综合控制电缆C3。

驱动控制系统分为控制单元和驱动单元，二者之间通过动力电缆C4和通讯电缆C5相连，控制单元连接有总供电电缆C1、通讯电缆C2和综合控制电缆C3，驱动单元连接有伺服电机，伺服电机可设置有M1 至Mn多个。

气管线设置有多根。

控制单元内部具有过载保护，总供电电缆C1通过过载保护分别连接至直流电源与继电保护，直流电源连接有PLC控制器与继电器组，PLC控制器连接有通讯电缆C2和C5，综合控制电缆为C3，继电器组通过电缆VC1至VCm与电磁阀相连，电磁阀设置有V1至 Vm多个。

过载保护(16)通过动力电缆C4连接有继电保护(20)，总供电电缆C1通过过载保护(16)和继电保护(20)后分为多路电源信号，分别连接至伺服驱动器SD1至SDn的动力端，PLC控制器(18) 通过通讯电缆C5连接至交换机(21)，通过交换机(21)分为多个子网络连接至伺服驱动器SD1至SDn的通讯端。伺服驱动器SD1至 SDn分别连接伺服电机M1至Mn。

本实用新型的有益效果为：在该驱动控制系统中引入气动装置，相对于液压和电驱系统有明显的成本优势，又可避免二者的缺点，满足钻井作业现场工艺需求的前提下，既可避免液压系统漏油问题；又可避免纯电动系统结构复杂、成本高、资源利用率低等问题，在满足设备工作需求的同时，有效降低驱动和控制部件的成本、缩减安装空间、提高系统稳定性和可维护性、简化控制算法等。

附图说明

图1是本实用新型一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统主体结构正视图；

图2是本实用新型一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统中钳头俯视图；

图3是本实用新型一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统的系统框图；

图4是本实用新型一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统中控制单元结构图；

图5是本实用新型一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统中驱动单元结构图。

图中，1.滑车轨道，2.滑车，3.推扶臂旋转马达总成，4.行走马达总成，5.推扶臂旋转机构，6.推扶臂，7.推扶臂变幅机构，8.钳头， 9.钳头连接耳板，10.钳头变幅机构，11.挡杆A，12.挡杆B，13.驱动控制系统，14.控制单元，15.驱动单元，16.过载保护，17.直流电源， 18.PLC控制器，19.继电器组，20.继电保护，21.交换机，22.拖链， 23.气管线；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统，其结构如图1所示，包括滑车轨道1，滑车轨道1上套接有滑车2，滑车2的上方连接有推扶臂旋转马达总成3和行走马达总成4，滑车2的下方设置有推扶臂旋转机构5，推扶臂旋转机构5下方连接有推扶臂6的一端，推扶臂6与推扶臂旋转机构5之间夹角成锐角，推扶臂6的另一端活动连接有钳头8，推扶臂6的中段活动链接有推扶臂变幅机构7的一端，推扶臂变幅机构7的另一端连接推扶臂旋转机构5，钳头8为两根相互平行的立板，立板的一侧设置有钳头变幅机构10，钳头变幅机构 10的中部固接有钳头连接耳板9，钳头8的另一侧上方连接有挡杆 A11，钳头8另一侧下方连接有挡杆B12，挡杆A11和挡杆B12均朝向钳头8内侧，且挡杆A11在挡杆B12的左侧。所述滑车轨道1远离滑车2的一端安装有驱动控制系统13，驱动控制系统13的输入端连接有输入电缆；驱动控制系统13连接有拖链22的一端，拖链22 的另一端与滑车2相连。拖链22内部设有驱动控制系统13的输出电缆以及气管线23，驱动控制系统13的输出电缆包括VC1、VC2、VC3，驱动控制系统13的输出电缆和气管线23通过拖链22连接至滑车2 中各设备，其中VC1与推扶臂旋转马达总成3相连，VC2与行走马达总成4相连，VC3与推扶臂变幅机构7相连，气管线23与钳头8 的执行机构相连。

驱动控制系统13的输入电缆包括总供电电缆C1、通讯电缆C2 和综合控制电缆C3。

驱动控制系统13分为控制单元14和驱动单元15，二者之间通过动力电缆C4和通讯电缆C5相连，控制单元14连接有总供电电缆 C1、通讯电缆C2和综合控制电缆C3，驱动单元15连接有伺服电机，伺服电机可设置有M1至Mn多个。

气管线23设置有多根。

控制单元14内部具有过载保护16，总供电电缆C1通过过载保护16分别连接至直流电源17与继电保护20，直流电源17连接有PLC 控制器18与继电器组19，PLC控制器18连接有通讯电缆C2和C5，综合控制电缆为C3，继电器组19通过电缆VC1至VCm与电磁阀相连，电磁阀设置有V1至Vm多个。

过载保护(16)通过动力电缆C4连接有继电保护(20)，总供电电缆C1通过过载保护(16)和继电保护(20)后分为多路电源信号，分别连接至伺服驱动器SD1至SDn的动力端，PLC控制器(18) 通过通讯电缆C5连接至交换机(21)，通过交换机(21)分为多个子网络连接至伺服驱动器SD1至SDn的通讯端。伺服驱动器SD1至 SDn分别连接伺服电机M1至Mn。

VC1、VC2、VC3分别表示与伺服电机连接的电缆；

C1、C2、C3分别表示驱动控制系统的输入电缆；

C4、C5分别表示控制单元14与驱动单元15的连接电缆；

MC1至MCn分别表示驱动单元15与伺服电机之间的连接电缆；

VC1至VCm分别表示控制单元14与阀组之间的连接电缆；

M1至Mn分别表示伺服电机；

V1至Vm分别表示电磁阀。

本实用新型一种二层台机械手电-气复合驱动控制系统的工作原理为：

推扶臂旋转马达总成3驱动推扶臂旋转机构5及其以下部件旋转，可实现推扶臂6在-90°～+90°之间转动。行走马达总成4驱动滑车沿轨道1前后滑动。推扶臂变幅机构7可驱动推扶臂6伸缩变幅。

驱动控制系统13的部分电缆和气管线首先进入拖链22的固定端，由拖链22的移动端引出至各目标位置，其中电缆VC1与推扶臂旋转马达总成3相连，电缆VC2与行走马达总成4相连、电缆VC3与推扶臂变幅机构7相连。上述三个执行机构采用伺服电机驱动。钳头8 各个执行机构采用气驱动，气管线23与钳头8中各气缸相连。

二层台机械手钳头8的俯视图，如图2所示，钳头连接耳板9与推扶臂6的底端连接，当滑车2前后滑动、推扶臂旋转机构5旋转、推扶臂6变幅时能够带动钳头8执行运动，实现钳头8的精确定位控制。通过控制钳头变幅机构10，可调整钳头8的开度，以适应不同的管柱规格。钳头8中涉及三个动作机构，分别为变幅机构10、挡杆A11和挡杆B12，均无需精确定位，全部采用压缩气驱动方式，驱动控制系统13中气控阀的输出气管线23与钳头8的三个执行机构相连。

针对机械手上述6个动作的驱动方式和控制精度需求，本电-气复合驱动控制系统方案如下。

本实用新型的驱动控制方案结构框图，如图3所示，总供电电缆 C1由集成供电区将动力电接至驱动控制系统13，通讯电缆C2用于司控台与驱动控制系统13之间的通讯，实现司控台和控制单元14之间数据的有线传输，综合控制电缆C3用于系统急停、总电源控制等硬线信号的传输。控制单元14负责与司控台之间交换数据、后台程序逻辑运算、传感器反馈数据处理、向气控阀组V1······Vm发送控制指令、与驱动单元15通讯等。控制单元14与驱动单元15之间通过两类电缆连接，分别为驱动供电电缆C4和通讯电缆C5。驱动单元 15的输出端电缆MC1·····MCn直接与伺服驱动电机M1······Mn连接。

M1至Mn分别表示各执行机构的伺服电机，针对不同的负载和动作执行机构确定具体数量，本例n＝3，即每个主驱动装置配一台伺服电机，分别为旋转电机M1包含于推扶臂旋转马达总成3、行走电机M2包含于行走马达总成4、推扶臂伸缩电机M3包含于推扶臂变幅机构7。MC1至MCn分别表示每台伺服电机所配综合电缆(包括动力和反馈)，本例为MC1、MC2和MC3三根电缆。

V1至Vm分别表示控制钳头动作的气动阀，每个数字代表一片阀组，本例中m＝3，即钳头每个动作由一片阀驱动，分别为挡杆A11 控制电磁阀V1、挡杆B12控制电磁阀V2、变幅机构10控制电磁阀 V3，对应的控制电缆分别为VC1、VC2和VC3。阀组的控制信号来自于控制单元14，由程序判断当前工况所需控制的电磁阀，从而带动机械结构执行相应动作。

本实用新型的控制单元内部结构框图，如图4所示，总供电电缆 C1进入控制单元14后首先连接至过载保护16，用于防止系统负载的过电压、过电流、冲击等安全保护。过载保护16输出的一部分连接至驱动供电电缆C4，另一部分连接至直流电源17。直流电源17 用于将交流动力电转换为直流低压控制电，用于控制单元14内PLC 控制器18、继电器组19等控制元件的供电。通讯电缆C2、综合控制电缆C3和通讯电缆C5均连接至PLC控制器18。PLC控制器18 负责接收来自于司控台的操作指令、向司控台发送设备状态参数、二层台机械手动作的所有逻辑控制、向继电器组19发送控制指令、接收来自于驱动单元15的反馈信号以及向驱动单元15发送控制指令等。继电器组19接收到PLC控制器18的控制指令后驱动气控阀V1至 Vm执行相应动作。

本实用新型的驱动单元内部结构框图，如图5所示，来自于控制单元14的驱动供电电缆C4和通讯电缆C5分别与驱动单元15的继电保护20和交换机21相连。继电保护20的将动力电源进行分配后分别连接至伺服驱动器SD1至SDn，为其提供驱动负载的动力源，每个负载都带有属于本分路的继电保护装置。伺服驱动器SD1至SDn 的通讯端信号由交换机21汇总经过通讯电缆C5与控制单元14中的 PLC控制器18连接，实现控制指令发送和设备状态参数反馈。伺服驱动器SD1至SDn的输出端电缆MC1至MCn分别与伺服电机M1 至Mn连接。

本实用新型的控制过程是：

以抓取管柱的动作流程展开说明，二层台机械手需要按顺序执行旋转、行走、钳头打开、推扶臂伸出、钳头关闭等主要动作。

首先确保总供电电缆C1正常提供动力电。操作司控台执行旋转动作，旋转指令由通讯电缆C2发送至PLC控制器18，PLC控制器 18根据钳头当前绝对位置判断旋转方向和角度，并将结果通过通讯电缆C5传至驱动单元15，由驱动单元15驱动旋转电机M1执行动作，在此过程中旋转电机M1的旋转角度会通过旋转电机电缆MC1 实时发送至伺服驱动器SD1，伺服驱动器SD1实时测量旋转电机M1 的角度，到达目标位置后自动停机，并同时将当前状态经过交换机 21发送至控制单元14。至此，旋转动作执行完毕。

同理，行走电机M2驱动小滑车2沿滑车轨道1滑行，当到达目标位置时伺服驱动器SD2自动停止行走电机M2，并将到位信号实时反馈至控制单元14。

执行钳头打开动作，操作指令通过通讯电缆C2发送至控制单元 14，经过控制单元14的逻辑判断允许执行动作后，将指令输出至电磁阀组19，以此驱动电磁阀V1和V2，电磁阀带电导通后与之相连的气缸接通工作气源，使挡杆A11和挡杆B12动作，实现钳头打开。

执行伸缩动作，推扶臂伸缩电机M3与旋转电机M1和行走电机 M2的动作执行过程相同。到达目标位置自动停止。

执行完上述动作，目标位置的钻杆已经位于钳头8的内部，此时应关闭钳头8。与打开钳头的动作相反，驱动电磁阀V1和V2向打开钳头的反方向动作，气缸带动挡杆A11和挡杆B12执行关闭动作。

至此，一个抓取动作执行完毕，其它位置取、放管柱的流程与之相似，应按具体情况执行相应操作。

本实用新型的驱动和控制系统结构打破传统液压驱动方式，基于电驱动+压缩气驱动相结合的方式设计，有效的利用电动和气动的优点。三个主驱动负载较大、执行机构安装空间较为宽裕、对控制精度要求高，电驱动可满足需求；钳头部分动作机构负载较小、安装空间受限、无需精确定位，因此气动较之电动具有明显优势。按此分工模式对驱动和控制系统进行优化设计，电驱动部分采用伺服驱动装置，气动部分采用开关量阀组驱动装置，并由一个控制器执行程序运算。满足设备控制需求、工艺需求的前提下以低成二层台机械手驱动和控制功能。