CN108687559A - 用于钻孔机的自动刀具头放置和组装设备 - Google Patents

用于钻孔机的自动刀具头放置和组装设备 Download PDF

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Abstract

用于加工工件的方法包括使用多轴机器人以从盒中提起刀具头。机器人将刀具头附接到钻管的末端。钻管然后旋转并纵向平移以加工工件。通过移动钻管从工件上纵向地取回刀具头。机器人用于断开刀具头，更换断开的刀具头进入盒中，并从盒中取回一不同的刀具头以连接到钻管。

Description

用于钻孔机的自动刀具头放置和组装设备
交叉参照有关申请
本申请要求于2017年4月10日提交的美国临时申请序列号为62/483517的权益和优先权，其通过引用结合于此。
关于联邦赞助研究或研发的声明
不适用的
联合研究协议的缔约方名称
不适用的。
技术领域
本公开涉及用于在工件内钻出细长通道的机器领域。更具体地说，本公开涉及用于更换钻孔机上的机械刀具头的自动化设备。
背景技术
某些类型的细长管，例如钻地下井眼的过程中使用的钻铤，是沿着钻铤的一些或全部长度可具有多个内部特征的部件。一些钻铤可以使用10到30个钻孔刀具头进行加工，以下称为深孔钻井或BTA型机器上的“刀具头”。为了方便起见，这些机器以下将被称为“钻孔机”。与沿着钻铤长度的钻孔特征结合使用的刀具头通常通过螺纹连接与钻孔机上的钻管连接。钻管为任何特定的刀具头提供旋转和精确的轴向运动，从而将合适特征加工到钻铤中。
目前，无论何时需要更换刀具头，操作人员必须拆卸(例如，拧开)组装的刀具头与钻管之间的连接，使用手动或机械辅助提升操作移除并更换刀具头，并将更换刀具头与钻管之间的连接组装(拧在一起)。在这样的钻孔机的一些实施例中，每个刀具头也可能需要用于支撑钻孔机的压头内的刀具头的套管的更换。由于手动完成更换过程，更换时间的范围可以从5到20分钟，取决于刀具头的复杂程度以及操作人员的技能。在刀具头更换期间，钻孔机无法运行，导致生产效率下降。此外，在每次刀具头更换活动期间，操作人员都面临多种健康和安全风险(例如，跌落危险，滑倒危险，SIPP损伤)。
自动化刀具头更换的技术障碍是机器人准确定位并从多种刀具头拾取选定的刀具头的能力。由于刀具头目前没有设计成具有标准化的定位或拾取特征，因此使用可用的机器人末端执行器来适应多种刀具头几何形状是不切实际且成本过高的。
附图说明
图1示出了根据本公开的自动刀具头更换设备的示例实施例的透视图；
图2示出了图1所示的示例性实施例的顶视图；
图3示出了图1所示的示例性实施例的前视图；
图4示出了机器人末端执行器的实施例的侧视图。
具体实施方式
在根据本公开的刀具头放置和组装设备的各种示例性实施例中，专用刀具头适配器已被设计成适应刀具头尺寸和/或形状变化。机器人末端执行器只需要处理有限数量的刀具头适配器，而不是目前使用的各种刀具头。刀具头将被预先组装到它们相应的适配器上，因此下面将被单独称为“刀具头-适配器组件”。图1示出根据一些实施例的示例性自动钻孔机20的透视图。钻孔机20可以包括钻管支撑件，旋转和平移固定装置(“固定装置”)10。固定装置10可以提供钻管12的精确旋转支撑，并且可以包括内部马达(未示出)和线性轴承(未示出)，使得在操作期间钻管12可以被旋转和轴向地平移。在图1的图示中，至少一个第二支撑固定装置10B可以设置在固定装置10的左侧，从而在两个间隔开的位置处为钻管12提供轴向支撑，使得钻管总是在其纵向轴线上在旋转方向和平移方向上精确地移动。具有利用马达16A，16B，16C，16D，16E，16F沿着多个旋转轴线可移动的臂的机器人16可以使机器人末端执行器16G能够移动到选定的位置和取向，以支撑刀具头-适配器组件14，当它从钻管12组装或拆卸时。可以用作本公开的机器人16的铰接式机器人臂可以从例如瑞士苏黎世的ABB有限公司商购获得。
参照图2中钻孔机20的顶视图，机器人16的几何中心可以被限定为沿着钻孔器刀具底板17的原点(0，0，0)。刀具头盒21可以使其角部(X1，Y1)之一相对于原点(0，0，0)限定，使得机器人控制器18可以实现机器人16的自主操作。自主操作可以包括动作，使得刀具头夹具16G可以相对于刀具盒21自动定位以从刀具盒21夹紧和取回选定的刀具头-适配器组件14。前述操作还可以由操作人员25使用与钻孔机控制系统24相关联的人机界面(HMI)24A来执行。自动操作可以通过例如参照刀具盒21的角部(X1，Y1)预限定每个刀具头-适配器组件14的坐标(X，Y，Z)来实现。
图1和图3所示的钻孔机20的示例性操作包括以下动作。钻孔机操作人员(图2中的25)可以使用钻孔机控制系统24(和HMI24A)来停止钻孔机20并且可以使用钻孔机控制系统24与机器人控制器18通信，然后以操作机器人16以从钻管12缩回当前组装的刀具头-适配器组件。在一些实施例中，工件23可以是钻铤坯件。使刀具头-适配器组件停止在与压头(钻孔机20上的已知基准位置)相距固定的距离处。在一些实施例中，当钻孔机轴向和旋转运动装置10上的轴向位置传感器10A指示钻管12已经前进到预定的轴向位置时，由此实现与目前附接到钻管12的刀具头对应的机加工操作。
然后，操作人员可以启动自动刀具头-适配器组件的移除，或者取决于机器人控制器18向钻孔机器20提供自动控制的能力，刀具头-适配器组件的移除可以自动化而不需要操作人员25的介入。使用钻管旋转和平移装置10使钻管12纵向缩回。机器人16定位刀具头-适配器组件14和钻管12。机器人16可夹紧适配器14B，并且施加所需的力以从钻管12拆卸适配器14B(具有附接的刀具头14A)。
在一些情况下(其中需要高度的扭矩)，从钻管拆卸刀具头-刀具头适配器14组件可能需要使用配备有扭矩放大器的端部执行器。
机器人16然后可以将刀具头-适配器组件14放置在刀具头盒21中的指定位置。机器人16返回到压头并且从压头移除刀具头套管11。机器人16将刀具头套管11放置在套管盒22中的指定位置中。
然后，操作人员25或钻孔机控制系统24可以选择下一个所需的刀具头-适配器组件14，并启动自动刀具头组件操作。机器人16从套管盒22中的指定位置定位并拾取刀具头套管11。机器人16将套管11安装到钻孔压头中。
在一些实施例中，每个刀具头-适配器组件14的坐标位置(X，Y，Z)可以被预编程到机器人控制器18中，使得钻孔机20的操作可以关于制造特定类型的机加工装置，例如但不限于钻铤，被完全自动化。
机器人16从刀具盒21中的指定位置定位并拾取刀具头-适配器组件14。机器人16然后施加所需的力来组装适配器14B(具有附接的刀具头14A)和钻管12之间的连接。由此安装新的刀具头-适配器组件14，并且机器人16可从刀具头-适配器组件14释放并移动到原始位置。原始位置通常在刀具头-接合器组件14和工件23(例如钻铤)之间的路径之外，使得机加工操作可以通过旋转和平移钻管12和/或旋转工件23(例如钻铤)而开始。所有的机加工操作都可以在安全围栏19内进行，使得人员在钻孔机20的操作期间通常从钻孔器刀具底板17中排除。
在一些实施例中，可以使用具有内置照相机和载荷单元的机器人末端执行器。参照图4，在机器人末端执行器16G上，安装照相机(照相机和载荷单元组件30的一部分)以帮助机器人16识别钻管(图3中的12)的中心线。当机器人16接近钻管12时，照相机可以通过可调整的照明设置拍摄钻管12的多个图像。这些图像可以用于识别钻管12的中心线。照相机可以是2D照相机或3D照相机。2D照相机生成规则的2D图像，3D照相机生成3D点云模型。从后置数据分析，机器人16然后能够自动识别钻管12的中心线并且计算相应的机器人目标位置以启动刀具头和适配器组件与钻管的连接组件。
载荷单元是在敏感方向上测量力的装置。为了确定由机器人和/或钻管施加的力和扭矩，可以沿着由机器人TCP(刀具中心)坐标(TCP-X，TCP-Y和TCP-Z)限定的所有三个笛卡尔坐标(X，Y，Z)的三个相互正交的轴布置多轴载荷单元点)。因此，载荷单元30能够测量沿TCP-X，TCP-Y和TCP-Z方向的力和扭矩。载荷单元30为机器人提供“触觉”感测能力，使得机器人与工件的接触力和/或扭矩可以被精确控制。
如图4所示，机器人末端执行器16G将刀具头-刀具头适配器14组件组装到钻管12。沿着每个TCP坐标轴的力由机器人控制系统(图1中的18)监控。所测量的力将被用于实时调整机器人末端执行器的取向，使得刀具头-刀具头适配器组件14和钻管12的同心度可以保持在组件公差内。上述布置也可以用于机器人执行的部件插入、螺纹和攻丝应用。
尽管以上仅详细描述了一些示例，但本领域技术人员将容易理解，在示例中许多修改是可能的。因此，所有这些修改意图被包括在如以下权利要求所限定的本公开的范围内。

Claims (15)

1.一种用于更换钻孔机上的刀具头的自动化系统，包括：
多轴机器人，该多轴机器人在该多轴机器人的操作臂的端部上具有刀具头末端执行器；
刀具头盒，该刀具头盒设置成靠近多轴机器人并在其中存储多个刀具头；和
钻管，该钻管设置在钻管支撑件中，旋转和平移固定装置邻近机器人并布置成将钻管与设置在距钻管选定的纵向距离处的工件对准。
2.根据权利要求1所述的系统，其中坐标系由所述机器人在所述钻孔机的底板上的位置限定，所述坐标系限定每个刀具头在所述刀具头盒和所述钻管的末端中的位置。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括自动控制系统，该自动控制系统被构造为自动确定所述机器人末端执行器、刀具头盒、刀具头套管盒和所述钻管的末端的位置。
4.根据权利要求1所述的系统，其中每个刀具头包括用于组装到钻管压头的适配器。
5.如权利要求1所述的系统，还包括设置在所述操作臂上的照相机。
6.如权利要求5所述的系统，其中所述照相机包括二维或三维照相机中的至少一个。
7.根据权利要求6所述的系统，其中由所述照相机产生的图像被传送至所述机器人，以便使所述机器人臂将刀具头与所述钻管对准。
8.根据权利要求1所述的系统，还包括设置在所述末端执行器附近的多轴载荷单元，其中由所述多轴载荷单元进行的力和扭矩的测量被所述机器人用来调节所述机器人末端执行器取向，使得所述刀具头和所述钻管的同心度保持在预定的装配公差内。
9.一种用于更换机器上的刀具头的方法，包括：
使用多轴机器人从盒中提起刀具头；
使用机器人将刀具头附接到钻管的末端；
使钻管旋转并纵向平移以机加工工件；
通过移动钻管从工件上纵向地取回刀具头；和
使用机器人断开刀具头，更换断开的刀具头进入盒中并从盒中取回不同的刀具头以附接到钻管。
10.根据权利要求9所述的方法，还包括使用所述机器人将不同的刀具头附接到所述钻管并且使用所述不同的刀具头来机加工所述工件。
11.根据权利要求9所述的方法，其中每个刀具头包括用于将所述刀具头组装到钻管压头的刀具头适配器。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，通过参照所述盒、所述钻管和所述机器人到所选定的坐标系的位置来自动地执行提升所述刀具头、附接所述刀具头、机加工所述工件、取回所述刀具头以及断开所述刀具头和更换所述盒中的所述刀具头。
13.如权利要求9所述的方法，还包括在所述机器人的末端执行器附近生成至少一二维图像，其中所述图像用来使所述机器人臂将所述刀具头与所述钻管对准。
14.根据权利要求9所述的方法，还包括沿着靠近所述机器人上的末端执行器的多个轴测量力，其中所述力测量由所述机器人用来调整机器人末端执行器取向，使得所述刀具头和所述钻管的同心度保持在预定的组装公差内。
15.如权利要求9所述的方法，其中使用所述机器人断开所述刀具头还包括：
为机器人配备扭矩放大器。
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