新型铁钻工运动学分析及仿真研究.pdf

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1、新型铁钴工运动学分析及仿真研究半口沙永柏口欧阳天成口刘晓利口朴冲吉林大学机械科学与工程学院长春l3oo22摘要：在对新型铁钻工的结构组成和工作原理分析的基础上，建立D—H坐标系，求解系统的正运动学方程及运动学反解。建立了主背钳夹取钻杆连接点处的空间位置、方向矢量及位姿与各运动参数间的变换关系，为系统运动控制、轨迹规划提供了理论基础。借助ADAMS软件建立系统的仿真模型，对系统进行仿真模拟，得到钻杆连接点处的位置、姿态和空间仿真曲线．验证了系统的性能。关键词：铁钻工运动学分析位姿仿真分析中图分类号：TH132文献标识码：A文章编号：1000—4998(2

2、014)07—0032—03伴随着现代化钻井的进程．钻井设备的自动化程度不断提高，钻具的旋扣设备也在不断的升级换代，从手动吊钳发展到液气混合动力大钳．进而发展到目前最先进的铁钻工。铁钻工能够完成对钻具进行上扣、卸扣、松扣等作业．大大提高了钻具连接的工作效率。本文介绍了新型铁钻工的结构及工作原理，采用Denavit和Hartenberg提出的坐标系法(D—H法)建立系统的正运动学方程，得到了钻具连接点处的位姿与各运动件运动参数的变换关系，进而采用ADAMS仿真软件进行了仿真分析。为系统运动控制、轨迹规划提供了依据。1系统的工作原理铁钻工的结构如图l所示，

3、主要包括回转底座、立柱导轨、升降装置、伸展机构、旋扣钳、支架、主钳总成及背钳总成等。回转底座固定在钻台上，立柱导轨通过回转驱动可绕自身轴线360。回转，升降装置可沿立柱导轨作上下的升降运动，伸展机构可实现机构的伸出及缩回，主钳、背钳和旋扣钳连接在支架上，主钳位于背钳的上方，并与背钳铰接，旋扣钳安装在主钳和背钳的上方，主、背钳完成钻具连接和拧卸的冲扣动作，旋扣钳完成钻具连接和拧卸的旋扣动作。各连杆的坐标系参数。表1D—H坐标系参数2铁钻工运动学理论分析连杆关节转角关节扭角杆长距离变量范围2．1系统坐标系的建立，(。)／(。)a／mmmm铁钻工运动学就是建

4、立钻具连接点处的位置、姿10l00al0．=0～360。态与各运动构件之间的关系，本系统可认为是一系列2OO0d1d1050~1600mm转动和移动关节连接起来的开链系统，其一端固定在30-90。啦0立柱导轨上，另一端自由并装有支架、主钳、背钳、旋扣4Oa3O口⋯75—15。钳。建立系统的D—H坐标系，如图2所示．表1为系统5-8、OⅡ5一国家深部探测技术与实验研究专项资助项目(编号：Sin。Pmbe一09—05)2．2运动学方程的求解收稿日期：2014年1月结合图2，给每个关节指定坐标系，确定从一个关2014／7机械制造52卷第599期节到下一个关节

5、进行变化的步骤．这体现在两个相邻应用虚拟样机仿真软件ADAMS建立铁钻工的仿参考坐标系之间的变化。将所有的变化结合起来，由此真模型，在模型中添加约束和驱动，从而观察各零件的确定末端关节与基座之间的总变化．并建立运动学方运动关系，得到各零件的位置、速度、加速度曲线。钻杆程。矩阵A。．、AAAA表示相邻关节的变化步连接处的位置对于铁钻工的实际工作过程的定位十分骤，总的变换矩阵A等于各变换矩阵右乘。根据铁钻重要，因此在主、背钳的理论钻具连接处建立Marker工D—H坐标系参数表，可建立坐标变换矩阵：点，得到该点的位置、姿态和空间轨迹。Cl-Sl0010001

6、00a2图3为铁钻工完成一次上扣工作其钻杆连接点处lCl00010000l0的位置曲线图，从图中可以看出：在方向上．0～1sA0l=Al2=423=，，001a100ld0—10O导轨绕底座旋转，1s后伸展缸伸出，X方向的位移逐0O01O0O10001渐变大，在3．5S时达到最大值3243mm。3．5～5．5s升c3-830a3c30鸭降油缸收回和5．5～9S主、背钳拧卸钻具作业。这两个s3c30a3s3一0一吗时段X方向的位移均不变，9s后伸展缸收回．X方向A34=A45=，0O10001一的位移逐渐变小，在l1．5s时位移减小到2859mm．0OO

7、10OO111．5～14S升降油缸伸出，其值不变，最后ls导轨回转根据上述得到系统的正运动学方程为：到原位置。y方向上，3．5—5．5s和l1．5～14s两个时段nxoP升降油缸伸缩，产生l，方向位移。其余时间基本保持nyoyayPy不变。Z方向上，仿真过程中的第1s和最后lS回转A∞；AolAlzA23,445=，0：嚷p运动引起Z值变化，其余时间其值不变。仿真得到的运OO01动规律与原设计运动规律一致j戈中：，k=qlc3+ls3；=cJ8slc3+sIs3；，k=8c3一q臼s3；在1～14s，回转底座没有回转运动，其它部件在二0IC3-C~CI

8、S3；D)日s1C3-C~IS3；0：一s3一cJ筘3；维平面内运动，在该段时间内，以轴向位置