CN114753786A - 钻机自动换杆控制方法、装置、系统及钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻机自动换杆控制方法、装置、系统及钻机，属于工程机械技术领域。所述方法包括：接收凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置信号；定义换杆状态，所述换杆状态包括自动加杆状态和自动卸杆状态；自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态以执行相应状态下的动作；自动卸杆过程中，判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态以执行相应状态下的动作。所述装置、系统及钻机均是利用所提出的方法来控制钻机进行自动换杆。本发明克服了人为因素带来的操作效率降低以及作业安全性降低的问题，从整体上提高钻机的效率。

Description

钻机自动换杆控制方法、装置、系统及钻机

技术领域

本发明属于工程机械技术领域，具体涉及一种钻机自动换杆控制方法、装置、系统及钻机。

背景技术

钻机的换杆系统的快慢很大程度上都会影响钻机的工作效率，特别是遇到一些对机器不是很熟悉的操作手或者是一些新手，适应换杆操作都需要一定的时间。即使是一些比较熟练的操作工，有时候由于疏忽或者操作失误，会导致钻杆的掉落从而影响生产安全。在现有的大多数钻机中，换杆系统都是通过人为的一步一步操作，在每一步的衔接过程中都需要操作手的观察与经验判断，如果经验不足会导致反复操作，从而会导致整机穿孔效率的降低。更为严重的，由于操作手的疏忽和操作失误会出现掉杆现象。

发明内容

技术问题：本发明提供一种钻机自动换杆控制方法、装置、系统及钻机，旨在克服人为因素带来的操作效率降低以及作业安全性降低的问题，通过自动化方案从整体上提高钻机的效率。

技术方案：第一方面，本发明提供一种钻机自动换杆控制方法，包括：

接收凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置信号，所述凿岩机的位置包括特定位置M1～M7；

定义换杆状态，所述换杆状态包括自动加杆状态和自动卸杆状态；

自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态以执行相应状态下的动作；

自动卸杆过程中，判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态以执行相应状态下的动作。

优选的，所述自动加杆状态包括：

第一自动加杆状态，所述第一自动加杆状态为松螺纹；

第二自动加杆状态，所述第二自动加杆状态为快速返回至位置M6；

第三自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为钻杆进入夹爪；

第四自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为钻杆至凿岩中心；

第五自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为重夹M6至M5；

第六自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为轻夹M5至M4；

第七自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为机械手回钻杆库。

进一步地，所述判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态包括：

如果M2≤凿岩机位置＜M3，进入第一自动加杆状态；

如果M3≤凿岩机位置＜M6&机械手在钻杆库位置，进入第二自动加杆状态；

如果M6≤凿岩机位置&机械手在钻杆库位置，进入第三自动加杆状态；

如果M4≤凿岩机位置&机械手在凿岩中心，进入第五自动加杆状态。

优选地，所述自动卸杆状态包括：

第一自动卸杆状态，所述第一自动卸杆状态为快速返回至M4；

第二自动卸杆状态，所述第二自动卸杆状态为钻杆退出夹爪；

第三自动卸杆状态，所述第三自动卸杆状态为机械手至凿岩中心；

第四自动卸杆状态，所述第四自动卸杆状态为夹爪关闭；

第五自动卸杆状态，所述第五自动卸杆状态为备用状态；

第六自动卸杆状态，所述第六自动卸杆状态为紧上螺纹；

第七自动卸杆状态，所述第七自动卸杆状态为松下螺纹；

第八自动卸杆状态，所述第八自动卸杆状态为松上螺纹；

第九自动卸杆状态，所述第九自动卸杆状态为钻杆退出夹爪；

第十自动卸杆状态，所述第十自动卸杆状态为机械手至钻杆库；

第十一自动卸杆状态，所述第十一自动卸杆状态为快速前进至M3；

第十二自动卸杆状态，所述第十二自动卸杆状态为紧螺纹。

进一步地，所述判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态包括：

如果凿岩机位置＜M4&扶钎器打开，进入第一自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M4&扶钎器关闭&机械手在钻杆库位置&钻杆在夹爪位置，进入第二自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M4&扶钎器关闭&机械手在钻杆库位置&钻杆不在夹爪位置，进入第三自动卸杆状态；

如果M4≤凿岩机位置＜M5&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心，进入第六自动卸杆状态；

如果M5≤凿岩机位置＜M6&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心，进入第八自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M6&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心，进入第九自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M6&扶钎器关闭&机械手在钻杆库，进入第十一自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M3&扶钎器关闭&机械手在钻杆库，进入第十二自动卸杆状态。

第二方面，本发明提供一种钻机自动换杆控制装置，利用所述的钻机自动换杆控制方法控制钻机自动换杆，包括：

信号接收单元，其被配置为用于接收凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置信号；

状态定义单元，其被配置为用于定义换杆状态，所述换杆状态包括自动加杆状态和自动卸杆状态；

执行控制单元，其被配置为在自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态以执行相应状态下的动作；在自动卸杆过程中，判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态以执行相应状态下的动作。

第三方面，提供一种钻机自动换杆控制系统，包括：

信号采集元件，其配置为用于获取凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态、钻杆位置信号；

控制器，其包括所提出的钻机自动换杆控制装置；所述信号采集单元能够将所获取的信号数据传递给控制器的信号接收单元。

进一步地，所述信号采集单元包括：

绝对值编码器，用于标定M1-M7的位置和测量凿岩机的位置；

接近开关，用于判断机械手的位置以及钻杆的位置。

进一步地，所述控制系统还包括开关，所述开关用于选择自动加杆及自动卸杆。

第四方面，提供一种钻机，利用所述的钻机自动换杆控制方法控制钻机自动换杆。

本发明与现有技术相比，通过对换杆系统进行自动化的操作，极大地增加工作效率以及提高生产安全，尽量避免一些人为因素而导致的效率降低以及一些安全风险问题。

附图说明

图1为钻机的换杆系统的机械结构图；

图2为本发明的实施例中的钻机自动换杆控制方法的流程图；

图3～图9为本发明的实施例中的M1～M7位置的示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和说明书附图对本发明作进一步的说明。说明的是，术语“第一”、“第二”等仅是出于便于描述的目的，并不能理解为对数量和性质等的限定。

结合图1所示，钻机自动换杆系统的涉及的机械机构包括钻杆库1、推进梁2、凿岩机3、扶钎器4、机械手5和夹爪6等，所涉及的元器件有编码器7、接近开关8、控制器、液压阀组9等等。

图2示出了本发明实施例中钻机自动换杆控制方法的流程图。结合图2，示例中该方法包括：

步骤S100：接收凿岩机的位置、、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置信号，所述凿岩机的位置包括设定位置M1～M7。本发明主要判断凿岩机目前处于的位置进而确定执行何种控制动作。

图3～9给出了凿岩机的重要位置M1～M7，这几个位置是换杆系统必须的几个位置，具体为：

M1：凿岩机在最前端，如图3所示；

M2：凿岩机在扶钎器处，如图4所示；

M3：快速前进停止位置，如图5所示；

M4：下连接套在扶钎器，如图6所示；

M5：取杆位置，如图7所示；

M6：上连接套退螺纹位置，如图8所示；

M7：凿岩机在最尾端，如图9所示。

对于机械手的位置，示例中所涉及的机械手的位置包括：机械手在钻杆库、机械手在凿岩中心；所涉及的扶钎器的状态包括扶钎器打开和扶钎器关闭；钻杆位置包括钻杆在夹爪位置和钻杆不在夹爪位置。

步骤S200：定义换杆状态，换杆状态包括自动加杆状态和自动卸杆状态。在本发明的实施例中，自动加杆包括以下状态：

第一自动加杆状态：松螺纹；

第二自动加杆状态：快速返回至位置M6；

第三自动加杆状态：钻杆进入夹爪；

第四自动加杆状态：钻杆至凿岩中心；

第五自动加杆状态：重夹M6至M5；

第六自动加杆状态：轻夹M5至M4；

第七自动加杆状态：机械手回钻杆库。

自动卸杆包括以下状态：

第一自动卸杆状态：快速返回至M4；

第二自动卸杆状态：钻杆退出夹爪；

第三自动卸杆状态：机械手至凿岩中心；

第四自动卸杆状态：夹爪关闭；

第五自动卸杆状态：备用状态；

第六自动卸杆状态：紧上螺纹；

第七自动卸杆状态：松下螺纹；

第八自动卸杆状态：松上螺纹；

第九自动卸杆状态：钻杆退出夹爪；

第十自动卸杆状态：机械手至钻杆库；

第十一自动卸杆状态：快速前进至M3；

第十二自动卸杆状态：紧螺纹。

步骤S300：自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态以执行相应状态下的动作；自动卸杆过程中，判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态以执行相应状态下的动作。

在本发明的示例中，在自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态包括：

如果M2≤凿岩机位置＜M3：进入第一自动加杆状态；

如果M3≤凿岩机位置＜M6&机械手在钻杆库位置：进入第二自动加杆状态；

如果M6≤凿岩机位置&机械手在钻杆库位置：进入第三自动加杆状态；

如果M4≤凿岩机位置&机械手在凿岩中心：进入第五自动加杆状态。

顺序执行各种状态下的动作，当状态处于：

第一自动加杆状态：

-扶钎器夹紧；

-凿岩机旋转后退即松螺纹；

-当凿岩机到达M3的时候，进入第二自动加杆状态。

第二自动加杆状态：

-凿岩机快速后退至M6位置；

-当凿岩机到达M6位置的时候，进入第三自动加杆状态。

第三自动加杆状态：

-打开夹爪；

-旋转钻杆库，将杆送入夹爪；

-当钻杆在出库位置的时候，进入第四自动加杆状态。

第四自动加杆状态：

-夹紧钻杆，机械手从钻杆库移至凿岩中心；

-当机械手在凿岩中心的时候，进入第五自动加杆状态。

第五自动加杆状态：

-凿岩机旋转推进即紧螺纹；

-夹爪重夹；

-当凿岩机到达M5位置的时候，进入第六自动加杆状态。

第六自动加杆状态：

-扶钎器夹紧，夹爪轻夹

-凿岩机旋转推进即紧螺纹

-当凿岩机到达M4位置的时候，进入第七自动加杆状态

第七自动加杆状态：

-机械手从凿岩中心移至钻杆库；

-当机械手到达钻杆库位置的时候，自动加杆程序结束跳出。

在本发明的示例中，在自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动卸杆状态包括：

如果凿岩机位置＜M4&扶钎器打开：进入第一自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M4&扶钎器关闭&机械手在钻杆库位置&钻杆在夹爪位置，进入第二自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M4&扶钎器关闭&机械手在钻杆库位置&钻杆不在夹爪位置，进入第三自动卸杆状态；

如果M4≤凿岩机位置＜M5&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心：进入第六自动卸杆状态；

如果M5≤凿岩机位置＜M6&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心：进入第八自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M6&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心：进入第九自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M6&扶钎器关闭&机械手在钻杆库：进入第十一自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M3&扶钎器关闭&机械手在钻杆库：进入第十二自动卸杆状态。

顺序执行各种状态下的动作，当状态处于：

第一自动卸杆状态：

-凿岩机返回至M4位置；

-当凿岩机到达M4的时候，进入第二自动卸杆状态。

第二自动卸杆状态：

-当钻杆不在出库位置，进入第三自动卸杆状态。

第三自动卸杆状态：

-机械手从钻杆库到凿岩中心；

-当机械在凿岩中心的时候，进入第四自动卸杆状态。

第四自动卸杆状态：

-夹紧夹爪；

-当夹爪夹紧的时候，进入第六自动卸杆状态。

第六自动卸杆状态：

-夹紧扶钎器；

-夹爪重夹；

-凿岩机旋转推进即紧上螺纹；

-当上螺纹拧紧的时候，进入第七自动卸杆状态。

第七自动卸杆状态：

-夹紧扶钎器；

-夹爪轻夹；

-凿岩机旋转返回即松下螺纹；

-当凿岩机位置到达M5的时候，进入第八自动卸杆状态。

第八自动卸杆状态：

-夹爪重夹

-凿岩机旋转返回即松上螺纹；

-当凿岩机位置到达M6的时候，进入第九自动卸杆状态。

第九自动卸杆状态：

-当钻杆不在出库位置，进入第十自动卸杆状态。

第十自动卸杆状态：

-夹爪夹紧；

-机械手从凿岩中心移至钻杆库；

-当机械手在钻杆库位置的时候，进入第十一自动卸杆状态。

第十一自动卸杆状态：

-凿岩机推进；

-当凿岩机到达位置M3的时候，进入第十二自动卸杆状态。

第十二自动卸杆状态：

-夹紧扶钎器；

-凿岩机旋转推进即紧螺纹；

-当凿岩机位置到达M2的时候，自动卸杆程序结束跳出。

通过所提出的钻机自动换杆控制方法，从而克服人为因素带来的操作效率降低以及增加作业安全，通过自动化方案从整体上提高钻机的效率。

进一步地，本发明的实施例中，基于所提供的钻机自动换杆控制方法，提供一种钻机自动换杆控制装置，该装置可以通过所提供的钻机自动换杆控制方法来控制钻机自动换杆。具体的，该装置包括信号接收单元、状态定义单元和执行控制单元。其中，其中，信号接收单元被配置为用于接收凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置信号；状态定义单元被配置为用于定义换杆状态，所述换杆状态包括自动加杆状态和自动卸杆状态；执行控制单元被配置为在自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态以执行相应状态下的动作；在自动卸杆过程中，判断当前凿岩机位置、机械手的位置和扶钎器的状态决定进入何种自动卸杆状态以执行相应状态下的动作。具体的钻机上可通过电磁阀组来执行相应的动作。

再一方面，本发明的实施例中，还提供一种钻机自动换杆控制系统，其包括数据采集单元和控制器。其中，信号采集元件，其配置为用于获取凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态、钻杆位置信号；控制器包括上述的钻机自动换杆控制装置，数据采集单元能够将所获取的信号数据传递给控制器的信号接收单元。在本发明的实施例中，可结合图1，数据采集元件包括绝对值编码器，可用于标定M1-M7的位置和测量凿岩机的位置。数据采集元件还包括接近开关，可用于判断机械手的位置以及钻杆的位置。例如在图1所示的结构中，设置有三个接近开关，其中一个接近开关可用于检测机械手是否在钻杆库，一个用于检测机械手是否在凿岩中心，最后一个用于检测钻杆位置。接近开关可将检测信号传输给控制器。在本发明的示例中，控制器可以采用可编程控制器。

进一步地，本发明可通过设置一个开关，通过开关来选择自动加杆及自动卸杆。以及设置压力应变器，从而通过压力的检测来判断拧紧程度。还可以设置人机交互界面，用于显示数据及进行人机交互，使得操作手可以根据界面来判断各种状况。

利用该系统，当钻机钻孔(冲击)停止之后，操作手只需判断此时是需要加杆继续进行钻孔还是已完成此次钻孔需要拆杆至钻杆库。当操作手明确下一步需要加杆还是拆杆的时候，只需要按下加杆按钮或者拆杆按钮，自动换杆系统会根据事先编写好的软件代码自动进行一系列的换杆操作直至加杆完毕或者拆杆完毕。

最后一方面，本发明提供了一种钻机，该钻机利用所提供的钻机自动换杆控制方法控制钻机自动换杆，该钻机可以克服人为因素带来的操作效率降低以及增加作业安全，通过自动化方案从整体上提高钻机的效率。

上述实施例仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和等同替换，这些对本发明权利要求进行改进和等同替换后的技术方案，均落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种钻机自动换杆控制方法，其特征在于，包括：

接收凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置信号，所述凿岩机的位置包括特定位置M1～M7；

定义换杆状态，所述换杆状态包括自动加杆状态和自动卸杆状态；

自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态以执行相应状态下的动作；

自动卸杆过程中，判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态以执行相应状态下的动作。

2.根据权利要求1所述的钻机自动换杆控制方法，其特征在于，所述自动加杆状态包括：

第一自动加杆状态，所述第一自动加杆状态为松螺纹；

第二自动加杆状态，所述第二自动加杆状态为快速返回至位置M6；

第三自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为钻杆进入夹爪；

第四自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为钻杆至凿岩中心；

第五自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为重夹M6至M5；

第六自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为轻夹M5至M4；

第七自动加杆状态，所述第三自动加杆状态为机械手回钻杆库。

3.根据权利要求2所述的钻机自动换杆控制方法，其特征在于，所述判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态包括：

如果M2≤凿岩机位置＜M3，进入第一自动加杆状态；

如果M3≤凿岩机位置＜M6&机械手在钻杆库位置，进入第二自动加杆状态；

如果M6≤凿岩机位置&机械手在钻杆库位置，进入第三自动加杆状态；

如果M4≤凿岩机位置&机械手在凿岩中心，进入第五自动加杆状态。

4.根据权利要求1-3任一项所述的钻机自动换杆控制方法，其特征在于，所述自动卸杆状态包括：

第一自动卸杆状态，所述第一自动卸杆状态为快速返回至M4；

第二自动卸杆状态，所述第二自动卸杆状态为钻杆退出夹爪；

第三自动卸杆状态，所述第三自动卸杆状态为机械手至凿岩中心；

第四自动卸杆状态，所述第四自动卸杆状态为夹爪关闭；

第五自动卸杆状态，所述第五自动卸杆状态为备用状态；

第六自动卸杆状态，所述第六自动卸杆状态为紧上螺纹；

第七自动卸杆状态，所述第七自动卸杆状态为松下螺纹；

第八自动卸杆状态，所述第八自动卸杆状态为松上螺纹；

第九自动卸杆状态，所述第九自动卸杆状态为钻杆退出夹爪；

第十自动卸杆状态，所述第十自动卸杆状态为机械手至钻杆库；

第十一自动卸杆状态，所述第十一自动卸杆状态为快速前进至M3；

第十二自动卸杆状态，所述第十二自动卸杆状态为紧螺纹。

5.根据权利要求4所述的钻机自动换杆控制方法，其特征在于，所述判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态包括：

如果凿岩机位置＜M4&扶钎器打开，进入第一自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M4&扶钎器关闭&机械手在钻杆库位置&钻杆在夹爪位置，进入第二自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M4&扶钎器关闭&机械手在钻杆库位置&钻杆不在夹爪位置，进入第三自动卸杆状态；

如果M4≤凿岩机位置＜M5&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心，进入第六自动卸杆状态；

如果M5≤凿岩机位置＜M6&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心，进入第八自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M6&扶钎器关闭&机械手在凿岩中心，进入第九自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M6&扶钎器关闭&机械手在钻杆库，进入第十一自动卸杆状态；

如果凿岩机位置＝M3&扶钎器关闭&机械手在钻杆库，进入第十二自动卸杆状态。

6.一种钻机自动换杆控制装置，利用权利要求1-5任一项所述的钻机自动换杆控制方法控制钻机自动换杆，其特征在于，包括：

信号接收单元，其被配置为用于接收凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置信号；

状态定义单元，其被配置为用于定义换杆状态，所述换杆状态包括自动加杆状态和自动卸杆状态；

执行控制单元，其被配置为在自动加杆过程中，判断当前凿岩机位置和机械手的位置决定进入何种自动加杆状态以执行相应状态下的动作；在自动卸杆过程中，判断当前凿岩机位置、机械手的位置、扶钎器的状态和钻杆位置决定进入何种自动卸杆状态以执行相应状态下的动作。

7.一种钻机自动换杆控制系统，其特征在于，包括：

信号采集元件，其配置为用于获取凿岩机的位置、机械手的位置、扶钎器的状态、钻杆位置信号；

控制器，其包括权利要求6所述的钻机自动换杆控制装置；所述信号采集单元能够将所获取的信号数据传递给控制器的信号接收单元。

8.根据权利要求7所述的钻机自动换杆控制系统，其特征在于，所述信号采集单元包括：

绝对值编码器，用于标定M1-M7的位置和测量凿岩机的位置；

接近开关，用于判断机械手的位置以及钻杆的位置。

9.根据权利要求8所述的钻机自动换杆控制系统，其特征在于，所述控制系统还包括：

开关，用于选择自动加杆及自动卸杆；

压力变送器，通过压力的检测来判断拧紧程度；

人机交互界面，用于显示数据及进行人机交互。

10.一种钻机，其特征在于，利用权利要求1-5任一项所述的钻机自动换杆控制方法控制钻机自动换杆。

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