劉 偉，朱興龍，丁 俊，劉永智

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

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基于光電傳感器的鐵鉆工自動(dòng)找心方法研究

劉 偉，朱興龍，丁 俊，劉永智

(揚(yáng)州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127)

鐵鉆工是現(xiàn)代化石油生產(chǎn)中重要的自動(dòng)化輔助設(shè)備，為了提高工作效率，必須提高其自動(dòng)化程度，其中自動(dòng)找心是實(shí)現(xiàn)鐵鉆工全自動(dòng)過(guò)程的關(guān)鍵技術(shù)之一。介紹了鐵鉆工的工作過(guò)程，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)自動(dòng)找心的要求，提出了自動(dòng)找心的方法，設(shè)計(jì)了鐵鉆工自動(dòng)找心的控制系統(tǒng)，并搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)，驗(yàn)證了所提方案的可行性。

鐵鉆工；自動(dòng)找心；光電傳感器；光柵尺

自動(dòng)化鉆井是在20世紀(jì)90年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)前沿的鉆井技術(shù)，是21世紀(jì)鉆井技術(shù)中的主要發(fā)展方向。鐵鉆工為液壓動(dòng)力大鉗的替代產(chǎn)品，在鉆井平臺(tái)上能夠安全、高效地完成鉆具的上、卸扣和緊、沖扣等工作，是現(xiàn)代化石油生產(chǎn)中重要的自動(dòng)化輔助設(shè)備。鐵鉆工的應(yīng)用在降低操作人員勞動(dòng)強(qiáng)度、提高鉆井生產(chǎn)效率等方面起到了非常重要的作用，因此提高鐵鉆工的自動(dòng)化程度有著重要的意義[1-4]。

鐵鉆工在上、卸鉆具過(guò)程中，要求鐵鉆工夾緊鉗中心與鉆具中心重合，這樣可以避免夾緊系統(tǒng)中圓形導(dǎo)軌的損傷，保證鐵鉆工設(shè)備工作正常。而一般鐵鉆工多采用人工找心的方法，定位精度及工作效率較低，而且增加了工人的勞動(dòng)量，對(duì)于工人的安全也存在著威脅[5-6]。

針對(duì)人工找心方法存在的問(wèn)題，本文對(duì)鐵鉆工如何實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找心的問(wèn)題進(jìn)行了研究，提出了自動(dòng)找心方法，借助于光電傳感器與光柵尺測(cè)量鉆桿直徑，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)，并搭建了試驗(yàn)平臺(tái)。

1 鐵鉆工的工作過(guò)程

手臂式鐵鉆工的結(jié)構(gòu)如圖1所示，鐵鉆工的鉗體分為上下兩個(gè)部分，上部鉗體為旋扣鉗，下部鉗體為夾緊鉗(主鉗)和沖扣鉗(背鉗)；上下兩部分鉗體通過(guò)連接架與鉸接臂的一端連接。

1—底座;2—支撐立柱;3—鉸接臂;4—夾緊鉗;5—沖扣鉗;6—旋扣鉗;7—控制柜

上部鉗體的工作過(guò)程由夾緊鉗和旋扣鉗配合完成。旋扣鉗由2個(gè)夾緊油缸、4個(gè)旋扣馬達(dá)、彈簧等組成。旋扣鉗上扣過(guò)程中，夾緊鉗固定下部鉆桿，旋扣鉗2個(gè)夾緊油缸活塞桿伸出，使旋扣鉗的摩擦滾筒夾緊上部鉆具，4個(gè)同步旋扣馬達(dá)帶動(dòng)摩擦滾筒逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)上部鉆具順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使上部鉆具與下部鉆具快速旋扣，通過(guò)壓力變送器檢測(cè)達(dá)到預(yù)設(shè)扭矩時(shí)，4個(gè)旋扣馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，2個(gè)夾緊油缸活塞桿縮回，完成旋扣鉗的上扣過(guò)程。旋扣鉗卸扣過(guò)程中，旋扣鉗夾緊上部鉆具，4個(gè)旋扣馬達(dá)帶動(dòng)摩擦滾筒順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)摩擦力驅(qū)動(dòng)上部鉆具逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，直至上下部鉆桿完全脫離，完成旋扣鉗的卸扣過(guò)程。

在上述上、卸扣和緊、沖扣過(guò)程中，夾緊鉗中心與鉆桿中心重合(找心)是通過(guò)人工完成的，因此在整體工作過(guò)程中有高度的人工參與，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，效率低，且存在一定的安全隱患。本文針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，提出了自動(dòng)找心的方法。

2 自動(dòng)找心精度與找心方法

2.1 自動(dòng)找心精度

本文使用的鐵鉆工在整體轉(zhuǎn)動(dòng)的圓周方向上是浮動(dòng)的，夾緊鉗兩油缸同步夾緊，可以將鉆桿扶正，從而消除周向誤差；在鉸接臂徑向伸縮時(shí)同樣存在著誤差，稱為徑向誤差，在裝配鉗體、鉸接臂的過(guò)程中往往存在著裝配間隙，裝配間隙在1mm～2mm之間，因此將徑向誤差控制在1mm之內(nèi)，就可以很好地用裝配間隙補(bǔ)償徑向誤差。綜合鐵鉆工周向誤差和徑向誤差，應(yīng)將自動(dòng)定心精度控制在1mm之內(nèi)才能滿足鐵鉆工的鉆具自動(dòng)定心要求。

2.2 自動(dòng)找心原理

圖2 自動(dòng)找心原理圖

3 自動(dòng)找心實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)鐵鉆工的鉆具定心要求和自動(dòng)定心原理，本文選用QLRA12-T10NK-J型光電傳感器，其響應(yīng)時(shí)間小于5ms，重復(fù)精度不大于5%；光柵尺選用SINO KA-300/5u/320mm/3m/TTL型號(hào)的光柵尺，其精度是5μm；控制器選用三菱FX3U-128M型PLC，觸摸屏型選用GS2110-WTBD，選用擴(kuò)展模塊FX2N-1HC；其整體接線圖如圖3所示。

圖3 整體接線圖

3.2 實(shí)驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)

由圖16可以獲得faFM和waFM歐式空間點(diǎn)的坐標(biāo)變換，faFM在Lv、Q方向的變動(dòng)范圍分別為-0.08 mm～0.08 mm和-0.1 mm～0.1 mm，waFM在Lv、Q方向的變動(dòng)范圍都為-0.2 mm～0.2 mm。

根據(jù)鐵鉆工的鉆具自動(dòng)定心原理和控制要求，采用GX-Developer編程軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)控制過(guò)程，其控制流程圖如圖4所示，根據(jù)控制的流程編寫(xiě)PLC控制程序。

4 實(shí)驗(yàn)調(diào)試與精度測(cè)試

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

根據(jù)所提出的自動(dòng)找心方法，搭建了模擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。將圓柱體放在六自由度平臺(tái)上，對(duì)射光電傳感器安裝在支架上，支架安裝在另一六自由度平臺(tái)上，光柵尺安裝在水平導(dǎo)軌側(cè)面，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)水平絲桿移動(dòng)，模擬伸縮臂，控制系統(tǒng)由三菱PLC與GOT1275觸摸屏構(gòu)成。

圖4 鉆具自動(dòng)定心流程圖

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及元件的安裝

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

模擬鉆桿的直徑測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1,表中數(shù)據(jù)是電機(jī)以不同頻率驅(qū)動(dòng)絲杠,即模擬伸縮臂以不同速度接近鉆桿,以此來(lái)研究不同速度對(duì)鉆桿直徑測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。

表1 被測(cè)圓柱體直徑測(cè)量的脈沖數(shù)

從表1可以看出，速度越快，脈沖數(shù)越多，也就是測(cè)量的直徑偏大，這反映了系統(tǒng)慣性造成的前沖現(xiàn)象。同時(shí)由于PLC存在掃描周期誤差以及光電傳感器具有一定的響應(yīng)時(shí)間，所以造成測(cè)量數(shù)據(jù)不一致。

從表1可知脈沖數(shù)的總平均值為9 588.6個(gè)脈沖，且所用光柵尺精度為5μm，即一個(gè)脈沖數(shù)相當(dāng)于5μm，所以測(cè)量的平均直徑為47.943mm(表1中最大直徑48.040mm，最小直徑47.850mm)。而模擬鉆桿直徑實(shí)測(cè)為50.120mm，與平均值相差2.177mm，誤差分析如下。

光電傳感器射出的激光是一個(gè)光斑，存在一定的直徑，如圖6所示。而這一光斑直徑的大小影響模擬鉆桿直徑的測(cè)量結(jié)果，如圖7所示。

圖6 光電傳感器發(fā)射光線光斑實(shí)物圖

圖7 圓柱體測(cè)量直徑偏差圖

由于控制器記錄數(shù)據(jù)是通過(guò)光電傳感器的通斷來(lái)計(jì)數(shù)的，也就是利用光電傳感器的下降、上升沿觸發(fā)來(lái)實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。當(dāng)激光束完全被遮擋時(shí)計(jì)數(shù)，而對(duì)射傳感器的光線右邊緣一離開(kāi)模擬鉆桿(相當(dāng)于上升沿)就開(kāi)始計(jì)數(shù)。從圖7中可以看出，此時(shí)被測(cè)模擬鉆桿直徑少了一個(gè)激光光斑的直徑，故需要在測(cè)量結(jié)果上加上光斑直徑，即：

補(bǔ)償量計(jì)算為：

這樣實(shí)驗(yàn)測(cè)量直徑為：

根據(jù)以上修正公式，得出最大直徑為50.217mm，最小直徑為50.027mm，公差在±0.1mm左右，完全滿足自動(dòng)找心精度的要求。

根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)，控制電機(jī)后退二分之一個(gè)修正后的脈沖數(shù)，光電傳感器發(fā)射中心正好停在鉆桿直徑位置上，如圖8所示。

圖8 自動(dòng)定心實(shí)物圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了利用光電對(duì)射傳感器與光柵尺結(jié)合的自動(dòng)找心方法，通過(guò)搭建1HC模塊平臺(tái)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行修正，給出了修正公式，得出實(shí)驗(yàn)結(jié)果是可行的，誤差值控制在 0.100mm的范圍內(nèi)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，伸縮臂的伸縮速度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一定的影響，因此在光電對(duì)射傳感器接近和離開(kāi)鉆桿時(shí)速度放慢，以克服伸縮臂慣性對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。下一步將把論文提出的方法應(yīng)用到鐵鉆工上，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證。

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The study on automatically detecting the center of iron roughneck based on photoelectric sensor

LIU Wei, ZHU Xinglong,DING Jun,LIU Yongzhi

(School of Mechanical Engineering, Yangzhou University, Jiangsu Yangzhou, 225127, China)

The iron roughneck is an importantly automated auxiliary equipment in modern oil production. In order to improve the efficiency of the work, the automatic degree must be improved, and detecting the drill pipe center automatically is one of the key technologies of iron roughneck in the automatic process. This paper introduces the working process of the iron roughneck. On this basis and according to the requirements of automatically detecting the drill pipe center, it proposes the method of automatically detecting the center of the drill pipe and designs the control system. It establishes the corresponding experiment platform to perform the related experiments, proves the feasibility of the proposed method.

iron roughneck; auto-detecting the center; photoelectric sensor; grating ruler

10.3969/j.issn.2095-509X.2015.09.017

2015-07-31

劉偉(1990—)，男，江蘇徐州人，揚(yáng)州大學(xué)碩士研究生，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械電子工程。

TH122

A

2095-509X(2015)09-0066-04