CN103868470B - 一种钻杆弯曲度检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钻杆弯曲度检测装置及方法，装置包括钻杆夹持部分、传感器传动部分和控制与运算部分。钻杆夹持部分设有三爪卡盘、V形块和步进电机A；三爪卡盘夹紧钻杆一端，钻杆另一端放在V形块上；传感器传动部分设有2D激光传感器和步进电机B；控制与运算部分包括单片机与上位机。本检测方法是用2D激光传感器采集钻杆多个截面的半侧轮廓数据点的三维坐标信息；通过上位机处理并计算出截面中心点，拟合出n个截面的中心线；求出最大弯曲点的最大弯曲度及坐标值，与钻杆弯曲度限定值相比，判断钻杆弯曲度是否合格，将判断结果提供给用户。本装置结构科学，检测方法简单，可高效准确获取钻杆弯曲度信息，为提高钻杆的生产精度提供技术支撑。

Description

一种钻杆弯曲度检测装置及方法

技术领域

本发明涉及一种钻杆弯曲度检测装置及方法，具体地说是一种用于检测钻杆弯曲程度是否达标并提供钻杆弯曲信息的装置及检测方法。

背景技术

随着我国钻进技术的发展，钻进施工的深度也越来越深，随之对于钻杆精度的要求也越来越高。其中，钻杆的弯曲度就是钻杆精度的重要参数。在钻进施工过程中，钻杆弯曲度过高就会导致钻进过程不平稳以及钻进位置偏移等问题。当前对钻杆弯曲度的检测方法基本依赖于工人利用机械仪表进行手动测量，这种方法不但效率低而且也缺乏数据的有效分析。

现有的激光测量钻杆弯曲度的方法，是根据采样定理布置一个或多个点激光传感器，通过旋转钻杆采集钻杆若干截面型面点数据，再对数据进行处理得出结论。这种方法需要较多的传感器，对传感器布置精度也有较高的要求，且需要对钻杆旋转有高精度控制。因此，该方法实施所需的装置成本高、难度大。

针对上述问题，研究一种原理正确、计算简单的钻杆弯曲度检测方法以及较低成本、高精度、高效率、高自动化程度的检测装置是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钻杆弯曲度检测装置及方法，从而自动地、高精度地、高效率地实现对钻杆弯曲度的检测。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：提供一种钻杆弯曲度检测装置，包括钻杆夹持部分、传感器传动部分和控制与运算部分；所述的钻杆夹持部分设有工作平台、V形块、三爪卡盘以及步进电机A；V形块、步进电机A通过螺栓固定在工作平台上；步进电机A的轴与三爪卡盘连接，三爪卡盘用于将待测钻杆一端夹紧,钻杆的另一端放置在V形块上；钻杆夹持部分用于实现钻杆的定位夹紧以及多次测量时的钻杆旋转；

所述的传感器传动部分设有步进电机B、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、丝杠座、传动平台以及高精度2D激光传感器；所述步进电机B通过联轴器与滚珠丝杠一端连接，滚珠丝杠另一端通过轴承与丝杠座相连；滚珠丝杠连接传动平台；所述传动平台又与直线导轨连接，且滚珠丝杠轴线与直线导轨平行；所述高精度2D激光传感器通过螺栓安装在传动平台上端；传感器传动部分用于带动高精度2D激光传感器移动中采集钻杆轮廓数据；

所述的控制与运算部分包括单片机与上位机，单片机通过数据线与步进电机A、步进电机B和上位机相连，上位机通过数据线与2D激光传感器相连；所述的单片机为外置的控制模块，用于控制传感器的位移以及钻杆的回转；上位机用于分析处理钻杆轮廓数据，得到检测结果。

本发明所述的单片机用于控制步进电机B驱动滚珠丝杠转动，单片机也用于控制步进电机A带动三爪卡盘转动，从而带动钻杆转动。

本发明还提供一种使用上述的装置进行钻杆弯曲度检测的方法，按如下步骤操作：

步骤一、将待测钻杆装夹定位好；

步骤二、启动单片机，由单片机控制步进电机B驱动滚珠丝杠转动，带动高精度2D激光传感器沿滚珠丝杠轴线方向平缓移动；在移动过程中，高精度2D激光传感器将激光投射于钻杆半侧表面；移动过程中每一个瞬间，高精度2D激光传感器发射的激光束都将截取钻杆一个截面，获取该截面的半侧数据；从所有的截面的半侧数据中，等距离选取n组截面轮廓数据，高精度2D激光传感器完成对钻杆轮廓数据的采集，选择其中n个截面的轮廓数据送到上位机中保存；

步骤三、上位机对获取的钻杆轮廓数据进行数据处理，以椭圆作为n组截面形状的模型，对每组截面数据进行椭圆拟合，得到n组截面的椭圆方程，并求出n个截面的中心点坐标值；

步骤四、对n个截面的中心点进行数据处理，先以第一个截面与最后一个截面的中心点的连线作为基准轴线，并求出空间直线方程；新建二维坐标系，以高精度2D激光传感器的位移，即截面位移，作为x坐标，以截面中心点到基准轴线的距离作为y坐标，可以得到n组点；所述的y坐标值即为该截面的弯曲程度；对所述的n组点进行二维曲线拟合，得到的曲线即为钻杆弯曲度曲线；

步骤五、获得到钻杆弯曲度曲线后，求出钻杆弯曲度曲线的最大值，该点即为钻杆最大弯曲点处；将上述最大值与给定的钻杆弯曲度限定值作比较，判断最大弯曲点处的弯曲程度是否满足钻杆弯曲度判断要求，最大值大于限定值则表明钻杆不合格，反之为合格；

步骤六、为增加判断的准确度，进行多次测量；单片机控制步进电机A带动三爪卡盘转动一个角度，从而带动钻杆转动一个角度；随后，重复步骤二到步骤五，得到检测数据和结果，完成第二次测量；以此类推，完成多次测量；

步骤七、记录上述判断数据和结果，将判断结果以及最大弯曲点的坐标信息提供给用户；若多次测量结果都为合格，则表明钻杆弯曲度合格，否则不合格。

本发明的钻杆弯曲度检测装置及方法与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明提供的钻杆弯曲度检测装置，结构科学，检测精度高、自动化程度高，检测效率高、通过检测装置可以检测得到高精度的钻杆轮廓数据。其中，采用的2D激光传感器可以发射二维结构激光，直接采集到钻杆半侧截面的数据点信息，采集速度快，数据量大，且不需要许多电激光传感器以及传感器高精度的布置。同时，2D激光传感器配合滚珠丝杠以及直线导轨的驱动，可以完成整根钻杆的轮廓取样，避免钻杆高精度的旋转。

2、本发明提供的检测方法操作步骤简单、通过检测装置检测得到的钻杆轮廓数据，通过上位机计算和处理，可自动、快速地获取准确的钻杆弯曲度数据信息，为提高钻杆的生产精度提供有效的数据支撑。其中，本发明提供的方法以椭圆为钻杆截面形状的模型，突破以圆为模型的传统思维，充分考虑到二维激光照射到钻杆表面的角度问题，更加符合截面形状的真实情况，拟合精度更高。

附图说明

图1为本发明的钻杆弯曲度检测装置的结构示意图。

图2为本发明的钻杆弯曲度检测方法流程框图。

图中：1-工作平台、2-V形块、3-钻杆、4-三爪卡盘、5-步进电机A、6-步进电机B、7-联轴器、8-传动平台、9-高精度2D激光传感器、10-滚珠丝杠、11-丝杠座、12-直线导轨、13-上位机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详述。

实施例1：本发明提供一种钻杆弯曲度检测装置，其结构如图1所示。包括钻杆夹持部分、传感器传动部分和控制与运算部分；所述的钻杆夹持部分设有工作平台1、V形块2、三爪卡盘4以及步进电机A5；V形块2、步进电机A5通过螺栓固定在工作平台1上；步进电机A5的轴与三爪卡盘4链接，三爪卡盘4用于将钻杆3一端夹紧,钻杆3的另一端放置在V形块2上；钻杆夹持部分用于实现钻杆3的定位夹紧以及多次测量时的钻杆旋转。

所述的传感器传动部分设有步进电机B6、联轴器7、滚珠丝杠10、直线导轨12、丝杠座11、传动平台8以及高精度2D激光传感器9；所述步进电机B6通过联轴器7与滚珠丝杠10一端连接，滚珠丝杠10另一端通过轴承与丝杠座11相连；滚珠丝杠10连接传动平台8；所述传动平台8又与直线导轨12连接，并保证滚珠丝杠10轴线与直线导轨12平行；所述高精度2D激光传感器9通过螺栓安装在传动平台8上端；所述步进电机B6也与所述单片机相连；传感器传动部分用于带动高精度2D激光传感器9在移动中采集钻杆轮廓数据。

所述的控制与运算部分包括单片机与上位机13，单片机通过数据线与步进电机A5、步进电机B6、上位机13相连，上位机13通过数据线与2D激光传感器9相连；所述的单片机为外置的控制模块，放置于步进电机B6附近，用于控制传感器的位移以及钻杆3的回转。上位机13用于分析处理采集的钻杆轮廓数据，得到检测结果。

使用本发明上述装置进行钻杆弯曲度的检测的方法，参见图2所示的流程框图，具体按如下步骤操作：

步骤一、选取一根长度为3m的待测钻杆3，将钻杆3一端放置在V形块2上,钻杆3另一端用三爪卡盘4夹紧，完成装夹定位。

步骤二、启动单片机，由单片机控制步进电机B6驱动滚珠丝杠10转动，带动高精度2D激光传感器9沿滚珠丝杠10轴线方向平缓移动；高精度2D激光传感器9在平缓移动过程中，将激光投射于钻杆3半侧表面；移动过程中每一个瞬间，高精度2D激光传感器9发射的激光束都将截取钻杆3一个截面，获取该截面的半侧数据；从所有的截面的半侧数据中，等距离选取100组截面轮廓数据，每个截面选取50个点作为研究对象，共得到5000个有效数据（x_ij,y_ij,z_ij）,i=1,2,…100，j=1,2…50，完成对钻杆3轮廓数据的采集；将这100个截面的5000个轮廓数据送到上位机13中保存。

步骤三、上位机13对获取的钻杆3轮廓数据进行数据处理。以椭圆作为选取的100组截面形状的模型，对每组截面数据进行椭圆拟合，其中得到100组截面的椭圆方程并求出100个截面的中心点坐标值（x_i,y_i,z_i）,i=1,2,…100。

步骤四、对得到的100个截面的中心点进行数据处理，先以第一个截面与最后一个截面的中心点的连线作为基准轴线，并求出空间直线方程；新建二维坐标系，以高精度2D激光传感器9的位移，即截面位移，作为x坐标，以截面中心点到基准轴线的距离作为y坐标，可以得到100组点（x_j,y_j）,j=1,2,…100；所述的y坐标值即为该截面的弯曲程度；对所述的100组点进行五次多项式拟合，得到钻杆弯曲度曲线。

步骤五、获得到钻杆3弯曲度曲线后，求出钻杆3弯曲度曲线的最大值y_max，该点即为钻杆最大弯曲点处；将上述最大值y_max与给定的钻杆弯曲度限定值y_n作比较，判断最大弯曲点处的弯曲程度是否满足钻杆弯曲度判断要求，最大值大于限定值则表明此次测量的钻杆不合格，反之为合格。

步骤六、为增加判断的准确度，可进行多次测量；单片机控制步进电机A5带动三爪卡盘4转动30°，从而带动钻杆3转动30°；随后，重复步骤二到步骤五进行检测，并得出检测数据和结果，完成第二次测量；以此类推，对钻杆进行7次测量。

步骤七、记录上述8次测量的数据和结果，将判断结果以及最大弯曲点的坐标信息提供给用户；若8次测量结果都为合格，则表明钻杆弯曲度合格，否则不合格。

从实施例可见，本发明的钻杆弯曲度检测装置结构科学，本发明的检测方法简单，可以很方便的进行钻杆弯曲度检测，可高效准确获取弯曲度信息，为提高钻杆的生产精度提供技术支撑。

Claims (2)

1.一种钻杆弯曲度检测装置，包括钻杆夹持部分、传感器传动部分和控制与运算部分；所述的钻杆夹持部分设有工作平台、V形块、三爪卡盘以及步进电机A；V形块、步进电机A通过螺栓固定在工作平台上；步进电机A的轴与三爪卡盘连接，三爪卡盘用于将待测钻杆一端夹紧,钻杆的另一端放置在V形块上；钻杆夹持部分用于实现钻杆的定位夹紧以及多次测量时的钻杆旋转；其特征在于：

所述的传感器传动部分设有步进电机B、联轴器、滚珠丝杠、直线导轨、丝杠座、传动平台以及高精度2D激光传感器；所述步进电机B通过联轴器与滚珠丝杠一端连接，滚珠丝杠另一端通过轴承与丝杠座相连；滚珠丝杠连接传动平台；所述传动平台又与直线导轨连接，且滚珠丝杠轴线与直线导轨平行；所述高精度2D激光传感器通过螺栓安装在传动平台上端；传感器传动部分用于带动高精度2D激光传感器移动中采集钻杆轮廓数据；

所述的控制与运算部分包括单片机与上位机，单片机通过数据线与步进电机A、步进电机B和上位机相连，上位机通过数据线与2D激光传感器相连；所述的单片机为外置的控制模块，用于控制步进电机B驱动滚珠丝杠转动，从而控制传感器的位移；单片机也用于控制步进电机A带动三爪卡盘转动，从而带动钻杆转动；上位机用于分析处理钻杆轮廓数据，得到检测结果。

2.一种使用权利要求1所述的装置进行钻杆弯曲度检测的方法，其特征在于：按如下步骤操作：

步骤一、将待测钻杆装夹定位好；

步骤二、启动单片机，由单片机控制步进电机B驱动滚珠丝杠转动，带动高精度2D激光传感器沿滚珠丝杠轴线方向平缓移动；在移动过程中，高精度2D激光传感器将激光投射于钻杆半侧表面；移动过程中每一个瞬间，高精度2D激光传感器发射的激光束都将截取钻杆一个截面，获取该截面的半侧数据；从所有的截面的半侧数据中，等距离选取n组截面轮廓数据，高精度2D激光传感器完成对钻杆轮廓数据的采集，选择其中n个截面的轮廓数据送到上位机中保存；

步骤三、上位机对获取的钻杆轮廓数据进行数据处理，以椭圆作为n组截面形状的模型，对每组截面数据进行椭圆拟合，得到n组截面的椭圆方程，并求出n个截面的中心点坐标值；

步骤四、对n个截面的中心点进行数据处理，先以第一个截面与最后一个截面的中心点的连线作为基准轴线，并求出空间直线方程；新建二维坐标系，以高精度2D激光传感器的位移，即截面位移，作为x坐标，以截面中心点到基准轴线的距离作为y坐标，可以得到n组点；所述的y坐标值即为该截面的弯曲程度；对所述的n组点进行二维曲线拟合，得到的曲线即为钻杆弯曲度曲线；

步骤五、获得到钻杆弯曲度曲线后，求出钻杆弯曲度曲线的最大值，该最大值点即为钻杆最大弯曲点处；将上述最大值与给定的钻杆弯曲度限定值作比较，判断最大弯曲点处的弯曲程度是否满足钻杆弯曲度判断要求，最大值大于限定值则表明钻杆不合格，反之为合格；

步骤六、为增加判断的准确度，进行多次测量；单片机控制步进电机A带动三爪卡盘转动一个角度，从而带动钻杆转动一个角度；随后，重复步骤二到步骤五，得到检测数据和结果，完成第二次测量；以此类推，完成多次测量；

步骤七、记录上述判断数据和结果，将判断结果以及最大弯曲点的坐标信息提供给用户；若多次测量结果都为合格，则表明钻杆弯曲度合格，否则不合格。