CN101937237A - 钻杆端部矫直的自动定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻杆端部矫直的自动定位方法，在矫直位置进行轴向和周向的矫直相位定位控制，其中：轴向控制：由位移传感器检测钻杆的轴向位置后反馈给控制器输出控制驱动系统减低输送辊道速度，采用阶梯夹具将钻杆在夹具内部定位；周向控制：在钻杆到达检测工位后，提升旋转支架，使钻杆由旋转轮支撑；在钻杆上方的橡胶滚轮压紧钻杆外侧，橡胶滚轮轴装有角度编码器；角度编码器通过橡胶滚轮被动旋转，根据钻杆直径和固定的橡胶滚轮直径，能确定钻杆转过的角位移，反馈给控制器完成自动定位。本发明提高了钻杆端部矫直的定位精度，缩短了检测和矫直地辅助时间，进而使矫直效率、矫直精度都得到明显地提高。

Description

钻杆端部矫直的自动定位方法

技术领域

本发明涉及一种钻杆端部矫直过程中钻杆轴向和圆周相位自动定位的方法，属于自动控制技术领域。

背景技术

油井钻杆是石油勘探开采时驱动钻头向地层深处快速掘进的关键构件，因此对其直线度有很高的要求。由于油井钻杆长径比大、管壁薄、两端镦粗的形状特点，在其加工过程中，需要对其端部直线度超差的矫直盲区进行压力矫直。要完成矫直盲区的压力矫直，必须实现钻杆在轴向的精确定位和实现钻杆在圆周方向相位弯曲相位点的精确定位。

现有的油井钻杆压力矫直工艺方法采用人工矫直，轴向和圆周相位的定位完全凭目测手动定位，定位精度低、一致性差，劳动强度大、效率低、造成矫直产品直线度差。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻杆端部矫直的自动定位方法，该方法使钻杆可以在矫直位置自动完成轴向和矫直相位的定位控制，提高了定位精度，缩短了检测和矫直地辅助时间，进而使矫直效率、矫直精度都得到明显地提高。

本发明是这样实现的：一种钻杆端部矫直的自动定位方法，是在矫直位置进行轴向和周向的矫直相位定位控制，其中：

轴向控制：

驱动系统控制轴向输送辊道，在输送辊道上将钻杆运送至矫直区，使钻杆矫直盲区暴露在位移传感器的检测视场中，由位移传感器检测钻杆的轴向位置后反馈给控制器输出控制驱动系统减低输送辊道速度，采用阶梯夹具将钻杆在夹具内部定位，待检测到钻杆就位后停止传送；

周向控制：

在钻杆到达检测工位后，提升旋转支架，使钻杆由旋转轮支撑；在钻杆上方的气缸下降，在弹簧的作用下，使橡胶滚轮压紧钻杆外侧，橡胶滚轮轴装有角度编码器；同时启动伺服驱动电机带动支架上的旋转轮滚动，驱动钻杆绕轴线自转，角度编码器通过橡胶滚轮被动旋转，根据钻杆直径和固定的橡胶滚轮直径，能确定钻杆转过的角位移，反馈给控制器完成自动定位。

所述位移传感器安装在输送辊道上方的测量架上，位移传感器包括若干个减速传感器，减速传感器输出信号给控制器，控制器内设置速度转换点，控制钻杆低速移动。

所述位移传感器还包括停止传感器，停止传感器输出信号给控制器，控制器控制钻杆精确定位在阶梯夹具内部。

本发明采用光电检测器件与自适应的延时技术相配合的控制方法，实现了钻杆在阶梯夹具内轴向的自动精确定位；采用弹簧压轮与旋转编码器相配合的控制方法，实现了钻杆在圆周相位的自动精确定位。与人工定位方法相比，本发明的定位方法提高了效率30％以上，定位精度提高了60％以上，而且安全性也得到了大大提高。

附图说明

图1为本发明钻杆端部矫直的自动定位方法轴向定位示意图；

图2为本发明的周向定位示意图；

图3为包含有角度编码器的结构示意图；

图4为图3的侧视图。

图中：1阶梯夹具；2减速传感器；3停止传感器；4钻杆；5旋转轮；6输送辊道；7气缸；8气缸固定支架；9双侧稳定滚轮；10提升装置(旋转支架)；11弹簧；12角度编码器；13橡胶滚轮(压紧胶轮)；14安装板；15测量架；16稳定滚轮支架。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、图2、图3、图4，一种钻杆端部矫直的自动定位方法，是在矫直位置进行轴向和周向的矫直相位定位控制，其中：

轴向控制：参见图1，

驱动系统控制轴向输送辊道6，在输送辊道上将钻杆4从右至左运送至矫直区，使钻杆4矫直盲区充分暴露在位移传感器2、3的检测视场中，位移传感器2、3安装在输送辊道上方的测量架15上，由位移传感器2、3检测钻杆4的轴向位置后反馈给控制器输出控制驱动系统减低输送辊道6速度。

位移传感器2、3包括二个减速传感器2和二个停止传感器3，一个减速传感器2和一个停止传感器3作为一组分别设置在测量架15的两端，减速传感器2为激光位移传感器，减速传感器2输出信号给控制器，控制器内设置速度转换点，控制钻杆4低速移动；停止传感器3为光纤位移传感器，停止传感器3输出信号给控制器，利用停止传感器3对钻杆4进行探测并启动延时控制，完成钻杆4在阶梯夹具1内的精密轴向定位。阶梯夹具1内呈阶梯状，便于对钻杆4端部(轴向)定位。

周向控制：参见图2、图3和图4，

在钻杆4到达检测工位后，提升装置10的输送辊道6侧下降，旋转轮5提升，使钻杆4由旋转轮5支撑；在钻杆4上方固定在固定支架8上的气缸7下降，带动测量架15下降，在弹簧11的作用下，使橡胶滚轮13压紧钻杆4外侧，橡胶滚轮13的轴上装有角度编码器12；同时启动伺服驱动电机带动旋转轮5转动，通过摩擦作用驱动钻杆4绕轴线自转，角度编码器12通过橡胶滚轮13被动旋转，根据钻杆4直径和固定的橡胶滚轮13的直径，能确定钻杆4转过的角位移，反馈给控制器完成自动定位。

通过角度编码器12准确测量钻杆4转过的角位移，角度编码器12的读数反馈给控制器来控制伺服电机的开停，可使钻杆4准确转动到预先设定的角度。

开启多传感器集成检测系统，在角度编码器12测量钻杆4转过角位移的同时，激光位移传感器分别测量钻杆4旋转支承点、矫直盲区和加厚端的位移变化量。

测量的角位移量和位移变化量传输给控制器，控制器通过对传输来的测量数据进行分析、计算和处理，模拟出钻杆弯曲变形数学模型，找出弯曲量最大处，并通过优化算法计算出压力矫最佳的支承位置、最佳压头位置、矫直压力和压弯量。

根据计算结果，钻杆4轴向移动和圆周移动驱动系统将钻杆调整到正确的轴向和周向位置。

驱动压力矫支承爪抓住钻杆，根据计算的矫直压力和压弯量，由基于PID控制的钻杆液压矫直系统进行压力矫直。在钻杆液压矫直系统中，比例控制阀控制压弯行程，直线磁栅对压弯行程进行监测，由压力传感器反馈信号的闭环控制系统控制压头矫直压力的大小。

压力矫直结束后，提升周向旋转轮5，对钻杆4进行复检。若直线度仍然超差，则再次矫直直至合格为止，若合格则降下周向旋转轮5，将钻杆4另一端的矫直盲区运送至多传感器集成检测系统的检测视场中，依照同样的方法对其进行检测和矫直直至盲区直线度和晃头检测合格。

若合格则进入下道工序，若不合格则继续矫直直至合格。

本发明钻杆端部矫直的自动定位方法的轴向定位有三个特点：

1)通过在钻杆4上方的测量架15上安装减速传感器2为减速控制信号，设定了粗精定位速度切换点，在精密定位的最后阶段可进行低速移动；

2)在测量架15上安装输送停止传感器3，利用停止传感器3对钻杆4进行探测并启动延时控制，完成钻杆4在阶梯夹具1内的精密轴向定位。

3)采用阶梯夹具1对钻杆4轴向定位，钻杆4的弯曲发生在端部，在采用压力机矫直时需要对矫直点的两端采用夹具进行夹紧，由于压头和夹紧装置存在一定的宽度，因此，在采用普通夹具结构时，矫直点与弯曲点在轴向上存在较大距离，导致矫直质量难以保证；采用具有阶梯结构的夹具1后，钻杆4在夹具1内部定位，可以使压头准确对准弯曲的轴向位置，有效地提高了矫直精度，保证了钻杆质量。

本发明钻杆端部矫直的自动定位方法的周向定位有二个特点：

1)采用角度编码器12检测圆周相位，角度编码器12安装在浮动机构的橡胶滚轮13轴上，参见图3、图4，浮动机构安装在测量架15上，气缸7安装在气缸固定支架8上，气缸固定支架8固定在机架上，气缸7活塞杆通过支架连接橡胶滚轮13座，支架穿过固定安装于测量架15上的安装板14上，在支架与橡胶滚轮13座之间装有弹簧11，角度编码器12安装在橡胶滚轮13轴上，橡胶滚轮13轴经轴承安装在橡胶滚轮13座上；另有两个滚轮9安装在稳定滚轮支架16上，即双侧稳定滚轮9呈八字状，用于夹持稳定钻杆4，支架与稳定滚轮支架16连为一体。钻杆4为空心圆管，钻杆4到达检测工位后，气缸7下降，在弹簧11的作用下，通过浮动机构使橡胶滚轮13外圆与钻杆4外圆紧密接触，双侧稳定滚轮9夹持稳定住钻杆4；同时驱动钻杆4旋转，编码器12通过橡胶滚轮13被动旋转，根据输入的钻杆4直径和固定的橡胶滚轮13直径，可以换算传动比，确定钻杆4的旋转相位。

2)由人机界面将钻杆4直径参数输入控制器，待矫直的钻杆4直径变化范围较大(一般从50mm-140mm)，通过人机界面把钻杆4直径参数输入控制器，通过人机交互输入的钻杆4直径参数和橡胶滚轮11直径计算可变传动比，建立钻杆4旋转相位与编码器12输出脉冲的准确对应关系。

本发明的定位方法提高了定位精度，缩短了检测和矫直地辅助时间，进而使矫直效率、矫直精度都得到明显地提高；与人工定位方法相比，本发明的定位方法提高了效率30％以上，定位精度提高了60％以上，而且安全性也得到了大大提高。

Claims (3)

1.一种钻杆端部矫直的自动定位方法，其特征是：在矫直位置进行轴向和周向的矫直相位定位控制，其中：

轴向控制：

驱动系统控制轴向输送辊道，在输送辊道上将钻杆运送至矫直区，使钻杆矫直盲区暴露在位移传感器的检测视场中，由位移传感器检测钻杆的轴向位置后反馈给控制器输出控制驱动系统减低输送辊道速度，采用阶梯夹具将钻杆在夹具内部定位，待检测到钻杆就位后停止传送；

周向控制：

在钻杆到达检测工位后，提升旋转支架，使钻杆由旋转轮支撑；在钻杆上方的气缸下降，在弹簧的作用下，使橡胶滚轮压紧钻杆外侧，橡胶滚轮轴装有角度编码器；同时启动伺服驱动电机带动支架上的旋转轮滚动，驱动钻杆绕轴线自转，角度编码器通过橡胶滚轮被动旋转，根据钻杆直径和固定的橡胶滚轮直径，能确定钻杆转过的角位移，反馈给控制器完成自动定位。

2.根据权利要求1所述的钻杆端部矫直的自动定位方法，其特征是：所述位移传感器安装在输送辊道上方的测量架上，位移传感器包括若干个减速传感器，减速传感器输出信号给控制器，控制器内设置速度转换点，控制钻杆低速移动。

3.根据权利要求1所述的钻杆端部矫直的自动定位方法，其特征是：所述位移传感器还包括停止传感器，停止传感器输出信号给控制器，控制器控制钻杆精确定位在阶梯夹具内部。

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