一种控制智能伸缩臂带动执行元件对准钻具接头的方法技术

本发明专利技术涉及一种控制智能伸缩臂带动执行元件对准钻具接头的方法，包括：S1、通过钻具接头定位装置，得到钻具接头的位置坐标；S2、油缸伸缩，带动大臂、小臂以及动执行元件移动，计算并推导出中钳中心的位置坐标；S3、PLC控制系统将钻具接头位置坐标与中钳中心位置进行对比：若不一致，则重复循环步骤S2到步骤S3，直到两个位置一致。中钳中心位置的平面坐标为中钳钳口的中心位置，上扣时高度坐标取中钳上端面位置，卸扣时高度坐标为下端面位置，即上端面位置减去中钳厚度。本发明专利技术的有益效果是：通过油缸带动大小臂以及执行元件，PLC控制系统将中钳中心坐标位置与钻具接头坐标位置进行对比来找准钻具接头位置，提高了作业效率和精度。

【技术实现步骤摘要】
一种控制智能伸缩臂带动执行元件对准钻具接头的方法
本专利技术属于石油钻井机械
，具体涉及一种用于铁钻工的智能伸缩臂及控制方法。
技术介绍
随着石油钻井作业自动化水平的提高，自动化钻具操作设备(如顶驱、铁钻工、钻台面机械手等)得到了广泛的应用。目前钻井平台上主要由司钻和钻工负责操作各种钻具操作设备，通过手动操作，使设备对准钻具接头，以实现钻具的夹紧、上升、下降、上扣、卸扣等操作。在操作钻具时，需要使用绞车、顶驱、钻台面机械手、铁钻工等不同的液压或电力驱动的动力设备。在操作不同设备时，都需要重新对准钻具接头，操作费时，影响效率，且存在较大的人为操作失误的可能性。以铁钻工为例。铁钻工是用于石油天然气钻井管具接头上卸扣和旋扣作业的钻台自动化工具。铁钻工主体结构主要由立柱、伸缩机构、旋转机构、冲扣钳、旋扣钳等组成。如图1所示，在进行上扣作业时，将上钳对准管具的上接头，中钳对准下接头，操作“上扣”指令，上钳夹住上接头同时中钳夹住下接头而下钳保持张开，然后冲扣缸伸出，此时上接头相对于下接头顺时针旋转。如图2所示，在进行卸扣作业时，将中钳对准管具的上接头，下钳对准下接头，操作“卸扣”指令，中钳夹住上接头同时下钳夹住下接头而上钳保持张开，然后冲扣缸伸出，此时上接头相对于下接头逆时针转动。在进行上卸扣和旋扣作业时，需要将冲扣钳送到指定位置，与钻具接头进行对准。但是由于进行实际作业时，钻具固定在井口或鼠洞中，接头端面的高度不固定，每次都需要对钻具接头端面进行重新识别，进而需要人工对冲扣钳进行一定角度的调整，才能使其与钻具接头精确地对准。上述设备的调整，操作费时，影响效率，且存在安全隐患。现有技术通过伸缩机构配合滑车在竖直面上的升降来组合实现冲扣钳与钻具接头的靠近和对准。但是，该方法的伸缩机构和滑车两个维度的动作相对独立，不能快速地将冲扣钳和旋扣钳与钻具接头精准对准，还需要操作人员手动调节相关高度。因此，亟需一种能够快速而精准将相关操作设备送至钻具接头处与其进行对准的设备。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题为了解决现有技术中存在的相关设备结构不能快速精准地与钻具接头进行对准的问题，本专利技术提供一种控制智能伸缩臂带动执行元件对准钻具接头的方法。另外，本专利技术还提供一种上述方法所控制的智能伸缩臂。(二)技术方案为了达到上述目的，本专利技术采用的主要技术方案包括：一种控制智能伸缩臂带动执行元件对准钻具接头的方法，智能伸缩臂包括：最底部的安装底座；大臂，一端与安装底座连接，另一端通过第一连接结构与小臂连接，大臂可相对安装底座转动；小臂的前端连接第二连接结构，执行元件安装在第二连接结构上；大臂油缸，通过伸缩带动大臂转动；大臂的转动带动整个智能伸缩臂连同执行元件在平面内移动；小臂油缸，通过伸缩带动小臂转动；小臂转动时的回转中心点为大臂和小臂在第一连接结构的铰接点；小臂的转动带动第二连接结构及执行元件在平面内移动；小臂转动时，大臂，小臂油缸的位置不发生变化；对准钻具接头的方法包括如下步骤：S1、通过钻具接头定位装置，将钻具接头的位置信息反馈至PLC控制系统，得到钻具接头的位置坐标；钻具接头位置为执行元件上的中钳钳心需要到达的位置；执行元件为冲扣钳；S2、通过控制经过比例阀的液压油流量来控制大臂油缸和小臂油缸的伸缩缸行进速度，带动大臂和小臂转动，进而带动执行元件移动；根据大臂油缸和小臂油缸的伸出长度，计算小臂前端所在的位置坐标；根据小臂前端与执行元件上的中钳钳心的相对固定，再推导出执行元件上的中钳钳心的位置坐标；S3、将步骤S2计算得到的执行元件上的中钳钳心的位置坐标反馈至PLC控制系统，PLC控制系统将步骤S1接收到的钻具接头的位置坐标与步骤S2得到的执行元件上的中钳钳心的位置坐标进行对比：若执行元件上的中钳钳心的位置坐标与钻具接头位置坐标不一致，则重复循环步骤S2到步骤S3，直到执行元件上的中钳钳心的位置坐标与钻具接头位置坐标一致。根据本专利技术，步骤S2中，计算小臂前端所在的位置坐标具体包括：S21、计算大臂底端到小臂前端的距离L1；S22、计算大臂底端与小臂前端连线所在直线与水平线的夹角α；小臂前端所在的横坐标X＝L1×cosα，纵坐标Y＝L1×sinα。根据本专利技术，步骤S21中，L1的计算过程为：大臂油缸的上下端点分别为C和D，小臂油缸的上下端点分别为G和F，大臂的上下端点分别A和O，小臂的前端为B点，小臂前端所在的位置坐标为B点的位置坐标；在三角形OAB中，根据余弦定理，L1＝(LOA2+LAB2-2×LOA×LAB×COS∠OAB’)；式中，∠OAB’＝∠FAB-∠FAG’-∠GAO；式中，根据余弦定理，∠FAG’＝arcos(LFA2+LGA2-LFG’2)/(2×LFA×LGA)；式中，FG’为变化后的小臂油缸的长度。根据本专利技术，步骤S22中，α的计算过程为：以B点和A点为准，分别向O点所在水平线引出垂足M和N；E点为O点与C所在水平线的垂足；α＝arsin(Y/L1)＝arsin(LOA×sin∠AON’-LAB×cos∠BAN’)式中，∠AON’＝∠AOD+∠DON’＝∠AOD+∠DOM’∠BAN’＝∠FAB-∠FAG’-∠OAN’＝∠FAB-∠FAG’-90°+∠AON’-∠GAO式中，∠DOM’＝90°-∠COE-∠COD’式中，根据余弦定理，∠COD’＝arcos(LOD2+LOC2-LCD’2)/(2×LOD×LOC)，CD’为变化后的大臂油缸的长度。一种上述的方法中控制的智能伸缩臂，包括：安装底座，位于最底部；大臂，一端与安装底座的上端相连，可相对安装底座转动；大臂的另一端通过第一连接结构与小臂连接；小臂随大臂一起运动，且可相对大臂转动；第二连接结构，位于小臂的前端；执行元件C型架，设置在第二连接结构上，用于安装执行元件；大臂和小臂带动执行元件移动；大臂油缸通过伸缩带动大臂转动；小臂油缸通过伸缩带动小臂转动。根据本专利技术，智能伸缩臂还包括：大臂油缸的下端与安装底座相连，可相对安装底座转动；小臂油缸的一端与小臂连接，另一端与大臂连接；大臂可相对安装底座转动；小臂油缸可相对小臂转动。根据本专利技术，智能伸缩臂还包括：短辅臂，与大臂相平行；短辅臂的一端连接安装底座，另一端连接第一连接结构，可相对安装底座转动。根据本专利技术，智能伸缩臂还包括：长辅臂，与小臂相平行；长辅臂的一端与第二连接结构相连，另一端与第一连接结构相连。根据本专利技术，大臂油缸和小臂油缸内设置内嵌传感器，内嵌传感器用于反馈大臂油缸和小臂油缸的伸出长度。根据本专利技术，大臂、短辅臂、第一连接结构与安装底座所在的铰接点构成第本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种控制智能伸缩臂带动执行元件对准钻具接头的方法，其特征在于，/n智能伸缩臂包括：最底部的安装底座(1)；/n大臂(3)，一端与安装底座(1)连接，另一端通过第一连接结构与小臂(4)连接，大臂(3)可相对安装底座(1)转动；/n小臂(4)的前端连接第二连接结构，执行元件安装在第二连接结构上；/n大臂油缸(2)，通过伸缩带动大臂(3)转动；大臂(3)的转动带动整个智能伸缩臂连同执行元件在平面内移动；/n小臂油缸(6)，通过伸缩带动小臂(4)转动；小臂(4)转动时的回转中心点为大臂(3)和小臂(4)在第一连接结构的铰接点；小臂(4)的转动带动第二连接结构及执行元件在平面内移动；小臂(4)转动时，大臂(3)，大臂油缸(2)的位置不发生变化；/n对准钻具接头的方法包括如下步骤：/nS1、通过钻具接头定位装置，将钻具接头的位置信息反馈至PLC控制系统，得到钻具接头的位置坐标；钻具接头位置为执行元件上的中钳钳心需要到达的位置；执行元件为冲扣钳；/nS2、通过大臂油缸(2)和小臂油缸(6)的伸缩，带动大臂(3)和小臂(4)转动，进而带动执行元件移动；/n根据大臂油缸(2)和小臂油缸(6)的伸出长度，计算小臂(4)前端所在的位置坐标；因为小臂(4)前端与执行元件上的中钳钳心位置的相对固定，可推导出对应的执行元件中钳钳心的位置坐标；/nS3、将步骤S2计算得到的执行元件上的中钳钳心的位置坐标反馈至PLC控制系统，PLC控制系统将步骤S1接收到的钻具接头的位置坐标与步骤S2得到的执行元件上的中钳钳心的位置坐标进行对比：若执行元件上的中钳钳心的位置坐标与钻具接头位置坐标不一致，则重复循环步骤S2到步骤S3，直到执行元件上的中钳钳心的位置坐标与钻具接头位置坐标一致。/n...

【技术特征摘要】
1.一种控制智能伸缩臂带动执行元件对准钻具接头的方法，其特征在于，
智能伸缩臂包括：最底部的安装底座(1)；
大臂(3)，一端与安装底座(1)连接，另一端通过第一连接结构与小臂(4)连接，大臂(3)可相对安装底座(1)转动；
小臂(4)的前端连接第二连接结构，执行元件安装在第二连接结构上；
大臂油缸(2)，通过伸缩带动大臂(3)转动；大臂(3)的转动带动整个智能伸缩臂连同执行元件在平面内移动；
小臂油缸(6)，通过伸缩带动小臂(4)转动；小臂(4)转动时的回转中心点为大臂(3)和小臂(4)在第一连接结构的铰接点；小臂(4)的转动带动第二连接结构及执行元件在平面内移动；小臂(4)转动时，大臂(3)，大臂油缸(2)的位置不发生变化；
对准钻具接头的方法包括如下步骤：
S1、通过钻具接头定位装置，将钻具接头的位置信息反馈至PLC控制系统，得到钻具接头的位置坐标；钻具接头位置为执行元件上的中钳钳心需要到达的位置；执行元件为冲扣钳；
S2、通过大臂油缸(2)和小臂油缸(6)的伸缩，带动大臂(3)和小臂(4)转动，进而带动执行元件移动；
根据大臂油缸(2)和小臂油缸(6)的伸出长度，计算小臂(4)前端所在的位置坐标；因为小臂(4)前端与执行元件上的中钳钳心位置的相对固定，可推导出对应的执行元件中钳钳心的位置坐标；
S3、将步骤S2计算得到的执行元件上的中钳钳心的位置坐标反馈至PLC控制系统，PLC控制系统将步骤S1接收到的钻具接头的位置坐标与步骤S2得到的执行元件上的中钳钳心的位置坐标进行对比：若执行元件上的中钳钳心的位置坐标与钻具接头位置坐标不一致，则重复循环步骤S2到步骤S3，直到执行元件上的中钳钳心的位置坐标与钻具接头位置坐标一致。


2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，计算小臂(4)前端所在的位置坐标具体包括：
S21、计算大臂(3)底端到小臂(4)前端的距离L1；
S22、计算大臂(3)底端与小臂(4)前端连线所在直线与水平线的夹角α；
小臂(4)前端所在的横坐标X＝L1×cosα，纵坐标Y＝L1×sinα。


3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤S21中，L1的计算过程为：
大臂油缸(2)的上下端点分别为D和C，小臂油缸(6)的上下端点分别为F和G，大臂(3)的上下端点分别A和O，小臂(4)的前端为B点，小臂(4)前端所在的位置坐标为B点的位置坐标；
在三角形OAB中，根据余弦定理，
L1＝(LOA2+LAB2-2×LOA×LAB×COS∠OAB’)(1)；
式(1)中，
∠OAB’＝∠FAB-∠FAG’-∠GAO(2)；
式(2)中，根据余弦定理，
∠FAG’＝arcos(LFA2+LGA2-LFG’2)/(2×LFA×LGA)(3)；
式(3)中，FG’为变化后的小臂油缸(6)的长度。

【专利技术属性】
技术研发人员：李学军，张义，崔杰，罗婧，李亚琦，
申请(专利权)人：北京捷杰西石油设备有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11