WO2021063151A1 - 一种水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法 - Google Patents

一种水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法 Download PDF

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许为松
胡孝新
程熙
石姚姚
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    • E21B19/18—Connecting or disconnecting drill bit and drilling pipe

Definitions

  • the invention relates to the field of horizontal directional drilling rig manufacturing, in particular to an electrical control system and control method of a horizontal directional drilling rig.
  • Trenchless horizontal directional drilling rigs are typical construction machinery products using trenchless technology.
  • HDDs are typical construction machinery products using trenchless technology.
  • 49% of public facilities construction projects use HDD, and 17.6% of enterprises in the existing trenchless industry have adopted HDD As a business focus.
  • Trenchless horizontal directional drilling rigs play a very important role in urban construction, especially in the construction of municipal infrastructure.
  • the present invention provides an electrical control system and control method for a horizontal directional drilling rig.
  • the specific technical solutions are as follows:
  • the electrical control system of a horizontal directional drilling machine of the present invention has an automatic rod loading state and an automatic rod unloading state.
  • the control system includes a motor, a position sensor, a controller, a detection device, and a mechanical arm.
  • the mechanical arm is provided with The gripper, the motor is used to drive the power head to move, the position sensor is used to detect the position of the power head, the detection device is used to detect the position of the drill rod and the gripper, and the controller is used The motor is controlled according to the position of the power head to control the motion of the power head, and the robot arm and the gripper are controlled to control the movement of the drill rod at the same time.
  • the motor includes a push-pull motor for driving the power head in a push-pull motion and a rotary motor for driving the power head in a rotary motion.
  • controller is a PLC controller.
  • a Hall sensor is also provided on the push-pull motor.
  • An electrical control method for a horizontal directional drilling rig includes two control methods: automatic rod loading and automatic rod unloading.
  • S2 The controller controls the movement of the motor, and the motor drives the power head to do push-pull and rotational movement;
  • the detection device detects the drill rod, and if it detects that there is a drill rod in the holder, the detection device transmits a detection signal to the controller, and the controller controls the holder to tighten the drill rod;
  • S5 The controller controls the robotic arm to drive the holder to flip, and install the drill rod on the power head;
  • P1 The control mode of the horizontal directional drilling rig is switched to automatic mode
  • the controller controls the movement of the motor, and the motor drives the power head to perform forward push and forward rotation, thereby driving the drill rod on the power head to rotate and drill;
  • the controller controls the robotic arm to turn over until the detection device detects that the gripper reaches the shackle position of the drill pipe;
  • the detection device transmits the detection signal to the controller, and the controller controls the gripper to clamp the drill rod;
  • the controller controls the movement of the motor, and the motor drives the power head to reversely rotate and pull back until the drill rod is retracted.
  • FIG. 1 is a diagram of the control system of the present invention
  • Figure 2 is a flow chart of the automatic rod mounting control system of the present invention
  • Fig. 3 is a flow chart of the automatic unloading rod control system of the present invention.
  • the terms “installed”, “connected”, “connected”, “fixed” and other terms should be understood in a broad sense. For example, they can be fixedly connected or detachably connected. , Or integrated; it can be a mechanical connection or an electrical connection; it can be directly connected or indirectly connected through an intermediate medium, and it can be the internal communication of two components or the interaction relationship between two components.
  • installed can be fixedly connected or detachably connected. , Or integrated; it can be a mechanical connection or an electrical connection; it can be directly connected or indirectly connected through an intermediate medium, and it can be the internal communication of two components or the interaction relationship between two components.
  • an electrical control system for a horizontal directional drilling rig includes a motor, a position sensor, a controller, a detection device, and a mechanical arm.
  • the mechanical arm is provided with a gripper, and the motor is used to drive the power head to move.
  • the position sensor is used to detect the position of the power head
  • the detection device is used to detect the position of the drill rod and the gripper
  • the controller is used to control the action of the motor according to the position of the power head In order to control the movement of the power head, at the same time control the action of the mechanical arm and the gripper to control the movement of the drill rod.
  • the motor includes a push-pull motor used to drive the power head to make a push-pull movement and a rotary motor to drive the power head to make a rotary movement, and the controller is a PLC controller.
  • the control system has two states: automatic rod loading and automatic rod unloading.
  • the specific control method is as follows:
  • Figure 2 is a flow chart of the automatic rod mounting control system of the present invention. As shown in the figure, the specific steps of the automatic rod mounting control method are as follows:
  • the PLC controller sends forward rotation signals to the push-pull motor and the rotary motor respectively, and the push-pull motor starts to run after receiving the forward rotation signal and drives the power head of the horizontal directional drilling rig to push forward.
  • the rotating motor starts to run after receiving the forward rotation signal and drives the power head to rotate forward;
  • the detection device After the power head stops rotating and pushes forward, the detection device detects whether there is a drill rod in the gripper on the robot arm. If there is no drill rod, the system waits for a rod signal until the detection device Detecting the presence of a drill rod, the detection device transmits a detection signal to the PLC controller, and the PLC controller sends a clamping signal to the gripper and at the same time a turning signal to the robot arm;
  • FIG. 3 is a flow chart of the automatic lever unloading control system of the present invention. As shown in the figure, the specific steps of the automatic unloading rod control method are as follows:
  • P1 The horizontal directional drilling rig is switched to automatic mode
  • the PLC controller sends forward rotation signals to the push-pull motor and the rotary motor respectively. After receiving the forward rotation signal, the push-pull motor starts to run and drives the power head of the horizontal directional drilling rig to push forward. The motor starts to run after receiving the forward rotation signal and drives the power head to rotate forward, thereby driving the drill rod on the power head to rotate and drill;
  • the PLC controller After the power head stops rotating and pushes forward, the PLC controller sends a flip signal to the robot arm until the detection device detects that the gripper reaches the flip and shackle position of the drill rod, Then the PLC controller controls the robotic arm to stop turning, and sends a clamping signal to the gripper, and the gripper clamps the turning shackle;
  • the PLC controller After the clamper clamps the reversing shackle, the PLC controller sends a reversing signal to the rotating motor, and the power head performs the reversing reversal shackle. If the reversing shackle is unsuccessful, The power head continues to rotate and reverse the shackle until the shackle is successful, and then the PLC controller sends a reversal signal to the push-pull motor, and the power head is pulled back until the drill rod is unhooked.
  • the detection of the position of the power head in this embodiment can also be achieved by installing a Hall sensor on the push-pull motor.

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Abstract

一种水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，在自动卸杆时，当位置传感器反馈钻杆到达卸扣位置时，钻杆停止旋转与钻进，夹持器夹紧翻转卸扣，动力头反向旋转并后拉退扣；在自动装杆时，当位置传感器反馈动力头到达装杆位置时，检测装置检测所述夹持器内有钻杆存在后控制器控制机械手臂翻转装杆，装杆到位后动力头正向旋转并前推上紧钻杆。该水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，可以实现钻杆的自动装卸，装卸钻杆更加方便便捷，且不受钻机手主观判断的影响。

Description

一种水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法 技术领域
本发明涉及水平定向钻机制造领域，尤其涉及一种水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法。
背景技术
随着城市建设的快速发展，城市和农村对基础设施建设的要求也越来越高。地下管网作为一个城市基础设施的重要组成部分，比如水电、通讯、天然气以及石油等领域的地下管道或管线的铺设工程中，通常会采用非开挖技术进行地下管线的铺设、更换或修复作业，以保护生态环境并提高铺管效率。非开挖水平定向钻机，简称HDD，是应用非开挖技术的典型工程机械产品，目前公共设施建设工程中有49％用到了HDD，现有的非开挖行业中17.6％的企业已经将HDD作为业务重点。非开挖水平定向钻机在城市建设，尤其是市政基础设施建设中有着非常重要的作用。
不过在进行钻机作业时，一根钻杆钻完后需要钻机手人工操作卸扣和装杆。这种操作方式不仅效率低下，耗时耗力，而且在卸扣和装杆的过程中，钻机手容易受到其自己主观判断的影响，无法精准地控制装杆旋转扭矩，有时会产生卸扣困难甚至损坏钻杆的现象。
因此，结合上述存在的技术问题，有必要提供一种新的技术方案。
发明内容
为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，具体技术方案如下所述：
本发明的一种水平定向钻机的电气控制系统，具有自动装杆状态和自动卸杆状态，所述控制系统包括马达、位置传感器、控制器、检测装置和机械手臂，所述机械手臂上设置有夹持器，所述马达用于带动动力头运动，所述位置传感器用于检测所述动力头的位置，所述检测装置用于检测钻杆和所述夹持器的位置，所述控制器用于根据所述动力头的位置控制所述马达动作以控制所述动力 头的运动，同时控制所述机械手臂和夹持器动作以控制钻杆运动。
进一步地，所述马达包括用于驱动所述动力头做推拉运动的推拉马达和驱动所述动力头做旋转运动的旋转马达。
进一步地，所述控制器为PLC控制器。
进一步地，所述推拉马达上还设置有霍尔传感器。
一种水平定向钻机的电气控制方法，包括自动装杆和自动卸杆两种控制方法。
进一步地，自动装杆的控制方法步骤如下：
S1：水平定向钻机的控制模式切换至自动模式；
S2：控制器控制马达运动，所述马达驱动动力头做推拉和旋转运动；
S3：当设置在装杆位置的位置传感器检测到所述动力头后，所述位置传感器将其检测信号传送给所述控制器，所述控制器控制所述马达停止运动；
S4：检测装置对钻杆进行检测，如果检测到夹持器内有钻杆，所述检测装置将检测信号传送至所述控制器，所述控制器控制所述夹持器加紧钻杆；
S5：所述控制器控制机械手臂带动所述夹持器进行翻转，将钻杆安装至所述动力头上；
S6：当设置在装杆位置的检测装置检测到钻杆安装到位后，所述控制器控制所述马达运动，所述马达驱动所述动力头正向旋转和前推，直至上紧钻杆。
进一步地，自动卸杆的控制方法步骤如下：
P1：水平定向钻机的控制模式切换至自动模式；
P2：控制器控制马达运动，所述马达驱动动力头做前推和正向旋转运动，从而带动所述动力头上的钻杆旋转和钻进；
P3：当设置在卸扣位置的位置传感器检测到所述动力头后，所述位置传感器将其检测信号传送给所述控制器，所述控制器控制所述马达停止运动；
P4：所述控制器控制机械手臂进行翻转，直至检测装置检测到夹持器到达钻杆的卸扣位置；
P5：所述检测装置将检测信号传送至所述控制器，所述控制器控制所述夹持器夹紧钻杆；
P6：所述控制器控制所述马达运动，所述马达驱动所述动力头反向旋转和后拉，直至钻杆退扣。
本发明的一种水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，具有如下有益效果：
(1)本发明的水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，其解决了自动装、卸杆的自动控制问题；
(2)本发明的水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，其解决了卸杆困难的控制问题；
(3)本发明的水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，其解决了夹持器自动夹持、翻转的控制问题。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1是本发明的控制系统图；
图2是本发明的自动装杆控制系统流程图；
图3是本发明的自动卸杆控制系统流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或者元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确 具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以使固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以使直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
请参阅图1，图1是本发明的控制系统图。如图所示，一种水平定向钻机的电气控制系统，包括马达、位置传感器、控制器、检测装置和机械手臂，所述机械手臂上设置有夹持器，所述马达用于带动动力头运动，所述位置传感器用于检测所述动力头的位置，所述检测装置用于检测钻杆和所述夹持器的位置，所述控制器用于根据所述动力头的位置控制所述马达动作以控制所述动力头的运动，同时控制所述机械手臂和夹持器动作以控制钻杆运动。
所述马达包括用于驱动所述动力头做推拉运动的推拉马达和驱动所述动力头做旋转运动的旋转马达，所述控制器为PLC控制器。
所述控制系统具有自动装杆和自动卸杆两种状态，具体的控制方法如下：
请参阅图2，图2是本发明的自动装杆控制系统流程图。由图所示，自动装杆的控制方法具体步骤如下：
S1：水平定向钻机切换至自动模式；
S2：所述PLC控制器给所述所推拉马达和旋转马达分别发出正转信号，所述推拉马达收到正转信号后开始运行并带动所述水平定向钻机的动力头进行前推，所述旋转马达接收到正转信号后开始运行并带动所述动力头正向旋转；
S3：当设置在装杆位置的所述位置传感器检测到所述动力头未到达装杆位置后，所述推拉马达和旋转马达继续运行，所述动力头继续旋转和前推，直至所述位置传感器检测到所述动力头到达装杆位置，然后将其检测信号传送给所述PLC控制器，所述PLC控制器给所述推拉马达和旋转马达发出停止信号，所述动力头停止旋转和前推；
S4：所述动力头停止旋转和前推后，所述检测装置检测所述机械手臂上的夹持器内是否存在钻杆，如果不存在钻杆，系统等待有杆信号，直至所述检测 装置检测到存在钻杆，所述检测装置将检测信号传送给所述PLC控制器，所述PLC控制器给所述夹持器发出夹紧信号，同时也给所述机械手臂发出翻转信号；
S5：所述夹持器和机械手臂收到信号后，所述夹持器将钻杆加紧，同时所述机械手臂进行翻转，如果所述检测装置未检测到钻杆安装在所述动力头上，说明所述机械手臂未翻转到位，所述机械手臂继续翻转直至翻转到位，钻杆安装到所述动力头上；
S6：当钻杆安装到位后，所述PLC控制器给所述推拉马达和旋转马达发出运行信号，所述动力头进行正向旋转，然后前推装杆，直至上紧钻杆。
请参阅图3，图3是本发明的自动卸杆控制系统流程图。由图所示，自动卸杆的控制方法具体步骤如下：
P1：水平定向钻机切换至自动模式；
P2：所述PLC控制器给所述推拉马达和旋转马达分别发出正转信号，所述推拉马达收到正转信号后开始运行并带动所述水平定向钻机的动力头进行前推，所述旋转马达接收到正转信号后开始运行并带动所述动力头正向旋转，从而带动所述动力头上的钻杆旋转和钻进；
P3：当设置在卸扣位置的所述位置传感器检测到所述动力头未到达装杆位置后，所述推拉马达和旋转马达继续运行，所述动力头继续旋转和前推，直至所述位置传感器检测到所述动力头到达卸扣位置，然后所述位置传感器将其检测信号传送给所述PLC控制器，所述PLC控制器给所述推拉马达和旋转马达发出停止信号，所述动力头停止旋转和前推，从而使钻杆停止旋转和钻进；
P4：所述动力头停止旋转和前推后，所述PLC控制器给所述机械手臂发出翻转信号，直至所述检测装置检测到所述夹持器到达所述钻杆的翻转卸扣位置，然后所述PLC控制器控制所述机械手臂停止翻转，并给所述夹持器发出夹紧信号，所述夹持器夹紧所述翻转卸扣；
P5：所述夹持器夹紧所述翻转卸扣后，所述PLC控制器给所述旋转马达发出反转信号，所述动力头进行旋转反转卸扣，如果旋转卸扣不成功，所述动力头继续进行旋转反转卸扣，直至卸扣成功，然后所述PLC控制器给所述推拉马达发出反转信号，所述动力头后拉直至钻杆退扣。
另外，本实施例中检测所述动力头的位置还可以采用在推拉马达上安装霍尔传感器来测算实现。
本发明的水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法的有益效果是：
(1)本发明的水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，其解决了自动装、卸杆的自动控制问题；
(2)本发明的水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，其解决了卸杆困难的控制问题；
(3)本发明的水平定向钻机的电气控制系统及其控制方法，其解决了夹持器自动夹持、翻转的控制问题。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改和变型。

Claims (7)

  1. 一种水平定向钻机的电气控制系统，其特征在于，所述控制系统具有自动装杆状态和自动卸杆状态，所述控制系统包括马达、位置传感器、控制器、检测装置和机械手臂，所述机械手臂上设置有夹持器，所述马达用于带动动力头运动，所述位置传感器用于检测所述动力头的位置，所述检测装置用于检测钻杆和所述夹持器的位置，所述控制器用于根据所述动力头的位置控制所述马达动作以控制所述动力头的运动，同时控制所述机械手臂和夹持器动作以控制钻杆运动。
  2. 根据权利要求1所述的水平定向钻机的电气控制系统，其特征在于，所述马达包括用于驱动所述动力头做推拉运动的推拉马达和驱动所述动力头做旋转运动的旋转马达。
  3. 根据权利要求1所述的水平定向钻机的电气控制系统，其特征在于，所述控制器为PLC控制器。
  4. 根据权利要求2所述的水平定向钻机的电气控制系统，其特征在于，所述推拉马达上还设置有霍尔传感器。
  5. 一种水平定向钻机的电气控制方法，其特征在于，所述控制方法包括自动装杆和自动卸杆两种控制方法。
  6. 根据权利要求5所述的水平定向钻机的电气控制方法，其特征在于，自动装杆的控制方法步骤如下：
    S1：水平定向钻机的控制模式切换至自动模式；
    S2：控制器控制马达运动，所述马达驱动动力头做推拉和旋转运动；
    S3：当设置在装杆位置的位置传感器检测到所述动力头后，所述位置传感器将其检测信号传送给所述控制器，所述控制器控制所述马达停止运动；
    S4：检测装置对钻杆进行检测，如果检测到夹持器内有钻杆，所述检测装 置将检测信号传送至所述控制器，所述控制器控制所述夹持器加紧钻杆；
    S5：所述控制器控制机械手臂带动所述夹持器进行翻转，将钻杆安装至所述动力头上；
    S6：当设置在装杆位置的检测装置检测到钻杆安装到位后，所述控制器控制所述马达运动，所述马达驱动所述动力头正向旋转和前推，直至上紧钻杆。
  7. 根据权利要求5所述的水平定向钻机的电气控制方法，其特征在于，自动卸杆的控制方法步骤如下：
    P1：水平定向钻机的控制模式切换至自动模式；
    P2：控制器控制马达运动，所述马达驱动动力头做前推和正向旋转运动，从而带动所述动力头上的钻杆旋转和钻进；
    P3：当设置在卸扣位置的位置传感器检测到所述动力头后，所述位置传感器将其检测信号传送给所述控制器，所述控制器控制所述马达停止运动；
    P4：所述控制器控制机械手臂进行翻转，直至检测装置检测到夹持器到达钻杆的卸扣位置；
    P5：所述检测装置将检测信号传送至所述控制器，所述控制器控制所述夹持器夹紧钻杆；
    P6：所述控制器控制所述马达运动，所述马达驱动所述动力头反向旋转和后拉，直至钻杆退扣。
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