CN102335682B - 钻杆管端直度在线检测矫直设备及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钻杆管端直度在线检测矫直设备，用于检测和矫直待测钻杆的管端直度，其包括：一矫直机；一设于矫直机上的定位夹具装置；若干送料装置，沿钻杆轴向输送方向依次设于所述矫直机旁；一PLC电控***，与所述送料装置、矫直机和定位夹具装置分别电连接；一工控机，与所述PLC电控***连接；一升降驱动装置，设于所述矫直机上，所述升降驱动装置与PLC电控***电连接；一管端直度检测装置，与所述升降驱动装置固定连接，还与所述PLC电控***电连接。相应地，本发明还公开了一种钻杆管端直度在线检测矫直方法。

Description

钻杆管端直度在线检测矫直设备及方法

技术领域

本发明涉及一种冶金领域内的检测设备及其控制方法，尤其涉及一种钻杆管端的直度检测设备及其控制方法。 

背景技术

钻杆作为冶金领域内钢管生产的重要产品之一，需要保证其质量。钻杆直度是衡量钻杆质量的重要标准之一。钻杆的直度矫直由专门的矫直设备和工艺完成。然而，由于大部分钻杆都需要经过管端加厚处理，即将钻杆的两端部在加热状态下墩粗，以便于后面焊接加工，这就造成加厚的钻杆两端直径与钻杆中间部分的直径不一样，造成现有的矫直设备无法对钻管端部进行矫直，形成了钻杆矫直的盲区。 

目前弥补这一矫直盲区的方法是在钻杆矫直工序后增加了钻杆管端压力矫直工序，专门对钻杆的两端部进行局部矫直处理，使钻杆全长满足API直线度要求。该钻杆管端压力矫直工序由钻杆管端压力矫直设备实现，现有的钻杆管端压力矫直设备包括上料台架、V型输送辊、纵向旋转移运辊、压力矫直机、出料台架以及控制***等，完成钻杆的输入、矫直和矫直后的输出。但通过上述设备组成可以看出该压力矫直设备在矫直前必须得先判断出钻杆管端发生弯曲变形的部位和弯曲变形的大小，进而根据弯曲部位和弯曲大小确定压力矫直的部位和作用力的大小。 

现有技术是通过人为目测法确定弯曲变形部位和弯曲变形大小：由一名操作人员操作旋转支撑辊将待矫直的钻杆支撑起来并旋转，由另一名检测人员将一只记号笔支撑在钻杆管端的旁边机座上，粉笔与管端表面预留一定的距离，当钻杆旋转时，操作人员用眼睛观察管端表面与记号笔端的距离变化，当人为判断该距离增大且超过标准时，便用记号笔在管端表面划一记号，确定晃头超差部位，同时利用骑马规上的百分表指针判断盲区的直度，如超差，并用记号笔做好记号。当盲区和晃头都检测好后，另一名操作人员便停止旋 转钻杆，同时按照检测人员提供的信息和标记来判断需要矫直的部位和矫直量，然后进行手动矫直，手动矫直时，检测人员配合观察固定在矫直机旁边的百分表，人为判断矫直的进给量，及时通知操作人员停止矫直进给。该方法过分依赖于操作人员和检测人员的经验和技术水平，检测和矫直精度不高，效率低。 

发明内容

本发明的目的是提供一种钻杆管端直度在线检测矫直设备及方法，实现钻杆管端直度检测和矫直的自动化，从而提高检测和矫直的精度，提高工作效率。 

根据本发明的上述目的，本发明提出了一种钻杆管端直度在线检测矫直设备，用于检测和矫直待测钻杆的管端直度，其包括： 

一矫直机； 

一设于矫直机上的定位夹具装置； 

若干送料装置，沿钻杆轴向输送方向依次设于所述矫直机旁，其中每一送料装置均包括一周向旋转装置和一轴向输送装置； 

一PLC电控***，与所述送料装置、矫直机和定位夹具装置分别电连接；一工控机，与所述PLC电控***连接； 

一升降驱动装置，设于所述矫直机上，位于待测钻杆的上方，所述升降驱动装置与PLC电控***连接； 

一管端直度检测装置，与所述升降驱动装置固定连接，位于待测钻杆的上方，所述管端直度检测装置还与所述PLC电控***连接。 

优选地，所述矫直机包括：一矫直机座；一设于矫直机座上的顶头；一与所述顶头连接的动力机构；一与所述动力机构连接的压力传感器；一与所述顶头连接的矫直位移传感器。 

优选地，所述定位夹具装置，设于所述矫直机座上与所述顶头相对的位置，所述定位夹具装置包括：一夹具驱动电机；一与所述夹具驱动电机连接的传动轴，所述传动轴与钻杆平行设置；两夹具座，对称固定设于所述传动轴上；两夹具，分别与各夹具座对应固定连接。 

优选地，所述定位夹具装置中两夹具的夹持面均为高低台阶面，所述各 高低台阶面均包括：一高夹持面和一低夹持面，所述低夹持面设置于高夹持面的内侧，所述高夹持面与对应的低夹持面的临界处均设有一定位开关，所述两定位开关均与PLC电控***连接。该高低台阶面的设置使得定位夹具可以将具有一定管径差的钻杆管端牢牢夹持住，另外定位开关的设置可以防止钻杆管端与钻杆管端直度在线检测矫直设备发生碰撞，起到很好的定位控制作用。 

优选地，所述各送料装置还包括：一固定座，其上表面开有一滑槽，所述滑槽与钻杆轴向输送方向垂直设置；一平移支架，其底部设有一滑块，所述滑块设于所述滑槽内，所述周向旋转装置和轴向输送装置均设于平移支架上；所述各送料装置中的平移支架均通过一连接件与一平移支架驱动元件连接，所述平移支架驱动元件与所述PLC电控***连接。上述设置可以实现被输送的钻杆贴近或远离定位夹具，实现钻杆沿与其轴向方向垂直的方向进行平移。 

优选地，所述各平移支架均包括： 

一直角架，包括一底板和一垂直板，所述滑块设于底板的底部，所述轴向输送装置设于垂直板的上端部； 

一摆动板，其左端与所述垂直板的上部铰接，所述周向旋转装置设于摆动板的右端； 

一楔形块，其倾斜面朝上可滑动地设于所述底板上，所述楔形块的滑动轨迹与钻杆轴向输送方向平行； 

一支承，其上端与所述摆动板的右端下表面固定连接，其下端与一轴承连接，所述轴承搁置于所述楔形块的倾斜面上； 

一拉杆，与所述楔形块固定连接； 

所述各平移支架的拉杆均与一拉杆驱动元件连接，所述拉杆驱动元件与PLC电控***连接。 

上述设置可以通过拉动拉杆，调节轴向输送装置与周向旋转装置的相对高低，从而使其交替投入到对钻杆的输送作用中。 

优选地，所述升降驱动装置包括： 

一支撑座，固定设于所述矫直机上； 

一电机，固定设于所述支撑座上； 

两主动链轮，相对设于所述支撑座上，并通过同一链轮传动轴与所述电机连接，所述各主动链轮均通过一链条与一对从动链轮对应连接； 

四根曲臂杆，分别与各从动链轮对应固定连接，所述各曲臂杆彼此平行设置； 

一升降框架，其左、右两边支架分别与两对从动链轮对应连接的曲臂杆固定连接，所述升降框架的前边支架与所述管端直度检测装置固定连接。 

优选地，所述管端直度检测装置包括： 

一长条状的测量架，沿钻杆轴向方向与钻杆平行设置，所述测量架与升降驱动装置固定连接； 

两V型骑板，开口向下设置，所述V型骑板上设有一同步压轮，所述同步压轮上设有一周向旋转编码器，所述周向旋转编码器均与PLC电控***连接； 

两V型骑板驱动元件，分别与各V型骑板对应连接，所述两V型骑板驱动元件对称固定设于所述测量架上，所述V型骑板驱动元件还均与PLC电控***连接； 

若干位移传感器，沿所述测量架长度方向排布于测量架的下表面，所述各位移传感器均与PLC电控***连接； 

四个限位开关，分别为沿测量架依次设置的第一、第二、第三和第四限位开关，其中第一、第二限位开关设于所述测量架的前端下表面，第三、第四限位开关设于所述测量架的后端下表面，所述四个限位开关均与PLC电控***连接。 

优选地，所述管端直度检测装置还包括： 

一固定架，设于所述升降驱动装置与测量架之间； 

一对柔性组件，其上端与所述固定架连接，其下端与所述测量架连接，用以实现测量架与固定架的相对浮动。该柔性组件的设置可以使得V型骑板始终贴合钻杆表面，实现柔性浮动。 

优选地，所述位移传感器为非接触式激光位移传感器。 

相应地，本发明还提供了一种钻杆管端直度在线检测矫直方法，其包括如下步骤： 

1)开始； 

2)PLC电控***控制升降驱动装置带动管端直度检测装置下降到检测工位； 

3)PLC电控***控制轴向输送装置沿钻杆轴向方向输送钻杆，管端直度检测装置检测钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将其传输至PLC电控***； 

4)PLC电控***将钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n传输至工控机，工控机分别计算钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n与预设的标准直度δ₀的差值Q₁，Q₂，……，Q_n，若Q₁，Q₂，……，Q_n均小于或等于0则直接执行步骤6)，若Q_i＞0，则工控机将最大正差值Q_max传输至PLC电控***执行步骤5)，1≤i≤n； 

5)矫直机根据PLC电控***的控制对钻杆前端最大正差值Q_max对应的测量点进行矫直； 

6)PLC电控***控制杆管端直度检测装置离开钻杆表面后，PLC电控***控制轴向输送装置继续向前输送钻杆，管端直度检测装置检测钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将其传输至PLC电控***； 

7)PLC电控***将钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n传输至工控机，工控机分别计算钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n与预设的标准直度δ₀的差值Q₁，Q₂，……，Q_n，若Q₁，Q₂，……，Q_n均小于或等于0，则直接执行步骤9)，若Q_i＞0，则工控机将最大正差值Q_max传输至PLC电控***执行步骤8)，1≤i≤n； 

8)矫直机根据PLC电控***的控制对钻杆后端最大正差值Q_max对应的测量点进行矫直； 

9)结束。 

优选地，所述步骤3)具体包括： 

3a)钻杆前端进入测量架下方，测量架前端的第二限位开关检测到钻杆后向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***接收到第二限位开关传输的“有料”信号后控制轴向输送装置减速输送钻杆； 

3b)测量架前端的第一限位开关检测到钻杆后向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***接收到第一限位开关传输的“有料”信号后控制轴向输送装置停止输送钻杆； 

3c)PLC电控***控制V型骑板驱动元件带动V型骑板下降直至V型骑板骑在钻杆前端表面，然后PLC电控***控制周向旋转装置带动钻杆旋转，设于测量架上的N个位移传感器对应检测距钻杆前端端部距离为X₁，X₂，……，X_n的各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将测得的结果传输至PLC电控***，周向旋转编码器检测钻杆转过的角度并将角度信号传输至PLC电控***，钻杆转过360度后，PLC电控***控制周向旋转装置停止旋转钻杆。 

优选地，所述步骤5)或步骤9)具体包括： 

a)PLC电控***根据周向旋转编码器传输的角度信号控制周向旋转装置旋转钻杆，使待矫直部位沿周向方向旋转对准矫直机的顶头的中心位置； 

b)PLC电控***控制轴向输送装置调整钻杆的轴向位置，同时控制定位夹具装置中的夹具驱动电机调整夹具的轴向位置，使待矫直部位沿轴向方向位于两夹具的正中； 

c)PLC电控***控制送料装置的平移支架连同钻杆一起向靠近两夹具夹持面的方向平移，设于两夹具上的定位开关检测到钻杆后，向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***控制平移支架停止动作； 

d)工控机计算矫直机的顶头进给量设定值，顶头进给量设定值λ的计算模型为： 

$\mathrm{\λ}=\frac{b_0{E}_0{\mathrm{\δ}}_{\max }}{G}+b_1\frac{D^5}{l^3{t}^2}+b_2$

上式中：E₀为弹性模量；G为钻杆的屈服强度；δ_max待矫直点的初始弯曲量，其由对应的位移传感器测得；D为钻杆外径；l为两夹具的间距；t为钻杆的壁厚；b₀、b₁、b₂分别为线性回归系数，b₀为0.8～1.2，b₁为0.4～0.7，b₂为0.6～0.8； 

e)PLC电控***控制矫直机的动力机构推动顶头动作，直至顶头接触到钻杆表面； 

f)工控机将顶头进给量传输至PLC电控***，PLC电控***控制顶头顶紧钻杆表面后继续向前进给，矫直位移传感器实时检测顶头实际进给量，并实时传输至PLC电控***； 

g)当顶头实际进给量等于顶头进给量设定值时，PLC电控***控制顶头 复位。 

优选地，所述步骤6)具体包括： 

6a)PLC电控***控制V型骑板升起，离开钻杆前端表面，然后PLC电控***控制轴向输送装置继续向前输送钻杆，测量架上的第四限位开关检测不到钻杆后，向PLC电控***发送“无料”信号，PLC电控***接收到第四限位开关发送的“无料”信号后，控制轴向输送装置减速输送钻杆； 

6b)测量架上的第三限位开关检测不到钻杆后，向PLC电控***发送“无料”信号，PLC电控***接收到第三限位开关发送的“无料”信号后，控制轴向输送装置停止输送钻杆； 

6c)PLC电控***控制V型骑板驱动元件带动V型骑板下降直至V型骑板骑在钻杆，PLC电控***控制周向旋转装置带动钻杆旋转，设于测量架上的N个位移传感器对应检测距钻杆后端端部距离为X₁，X₂，……，X_n的各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将测得的结果传输至PLC电控***，周向旋转编码器检测钻杆转过的角度并将角度信号传输至PLC电控***，钻杆转过360度后，PLC电控***控制周向旋转装置停止旋转钻杆。 

优选地，所述各步骤中，当PLC电控***控制轴向输送装置沿钻杆轴向方向输送钻杆时，PLC电控***先控制拉杆驱动元件带动楔形块滑动，使摆动板摆动至轴向输送装置高于周向旋转装置的位置，PLC电控***再控制轴向输送装置输送钻杆。 

优选地，所述各步骤中，当PLC电控***控制周向旋转装置旋转钻杆时，PLC电控***先控制拉杆驱动元件带动楔形块滑动，使摆动板摆动至周向旋转装置高于轴向输送装置的位置，PLC电控***再控制周向旋转装置旋转钻杆。 

本发明所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备能够对现有钻杆管端检测盲区进行自动化精确检测，并根据检测结果进行矫直，大大提高了钻杆管端矫直的生产效率。 

说明书附图 

图1为本发明所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备结构示意图。 

图2为本发明所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备中定位夹具装置的 结构示意图。 

图3为本发明的一种优选实施例中定位夹具装置的结构示意图。 

图4a为本发明的一种优选实施例中送料装置的结构示意图。 

图4b为图4a的侧视图。 

图5为本发明的一种优选实施例中若干送料装置的连接关系俯视图。 

图6为送料装置中的轴向输送装置的输送工位示意图。 

图7为送料装置中的周向旋转装置的输送工位示意图。 

图8a为本发明所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备中升降驱动装置的结构俯视图。 

图8b为图8a的侧视图。 

图9为本发明所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备中管端直度检测装置的结构示意图。 

附图标号说明： 

1-矫直机11-矫直机座12-顶头13-动力机构 

14-压力传感器    15-矫直位移传感器    2-定位夹具装置     21-夹具驱动电机 

22-传动轴        23-夹具座            24-夹具            241-高夹持面 

242-低夹持面     243-定位开关         25-夹具电机编码器  3-送料装置 

31-周向旋转装置  32-轴向输送装置      33-固定座          331-滑槽 

34-平移支架      341-直角架           342-摆动板         343-楔形块 

344-支承         345-轴承             346-拉杆           35-滑块 

36-枢轴          4-平移轴             6-连接件           7-平移支架驱动元件 

8-升降驱动装置   81-支撑座            82-电机            83-主动链轮 

84-链轮传动轴    85-链条              86-从动链轮        87-曲臂杆 

88-升降框架      9-管端直度检测装置   91-测量架          92-V型骑板 

93-同步压轮      94-周向旋转编码器    95-V型骑板驱动元件 

96-位移传感器    97-第一限位开关      98-第二限位开关    99-第三限位开关 

910-第四限位开关 911-固定架           912-柔性组件 

具体实施方式

下面将结合说明书附图，详细介绍本发明是一种优选实施例。 

如图1所示的是钻杆管端直度在线检测矫直设备，其包括：矫直机1；设于矫直机1上的定位夹具装置2，设于矫直机1上的升降驱动装置8，与升降驱动装置8固定连接的管端直度检测装置9，在矫直机1的两侧还设有若干输送钻杆的送料装置，其中矫直机1、定位夹具装置2、送料装置、驱动装置8以及管端直度检测装置9均与一起控制作用的PLC电控***连接，PLC电控***与工控机连接。 

矫直机1包括：矫直机座11；设于矫直机座上的顶头12，用于顶紧钻杆进行矫直；与顶头12连接的动力机构13，用于给顶头12提供进给力；与动力机构13连接的压力传感器14，用于实时检测进给压力，其将检测信号传输给PLC电控***；与顶头12连接的矫直位移传感器15，用以实时检测进给量，其将检测信号传输至PLC电控***。 

如图2和图3所示，本发明中的定位夹具装置2设于所述矫直机座上与顶头12相对的位置，定位夹具装置2包括：夹具驱动电机21；与夹具驱动电机21连接的传动轴22，传动轴22与钻杆平行设置；两夹具座23，对称固定设于传动轴22上；两夹具24，分别与各夹具座23对应固定连接；其中两夹具24的夹持面均为高低台阶面，由一高夹持面241和一低夹持面242组成，从而形成与钻杆管端匹配的夹持面，高夹持面241与对应的低夹持面242的临界处均设有一定位开关243，两定位开关243均与PLC电控***连接。 

如图4a和图4b所示，本发明中的送料装置包括轴向输送钻杆的轴向输送装置32，以及周向旋转钻杆的周向旋转装置31，此外还包括：固定座33，其上表面开有一滑槽331，滑槽331与钻杆轴向输送方向垂直设置；平移支架34，周向旋转装置31和轴向输送装置32均设于其上，平移支架34的底部设有一滑块35，滑块35设于滑槽331内，可沿滑槽331滑动。平移支架34包括：由一底板和一垂直板组成的直角架341；摆动板342的左端通过枢轴36与垂直板的上部铰接；楔形块343，其倾斜面朝上可滑动地设于底板上,楔形块343的滑动轨迹与钻杆轴向输送方向平行；支承344，其上端与摆动板342的右端下表面固定连接，其下端与轴承345连接；轴承345搁置于楔形块343的倾斜面上。因此移动楔形块343的水平位置，便可以通过与其接触连接的轴承345间接调节摆动板342的摆动位置，从而调节周向旋转装置 31和轴向输送装置32的相对高低，使得周向旋转装置31和轴向输送装置32可控地进入输送工位。 

如图5所示，若干送料装置3依次分设于矫直机1的入口处和出口侧两侧，每一台送料装置3均通过一连接件6与平移轴4连接，平移轴4由平移支架驱动元件7控制，带动平移支架，进而带动钻杆向定位夹具装置方向靠近或远离定位夹具装置。平移支架驱动元件7可以是气缸、油缸、丝杆等任何可以提供拉力和推力的元件，其接受与其连接的PLC电控***的控制。 

如图6所示，各送料装置之间通过拉杆346彼此连接，拉杆346与楔形块343固定连接。当钻杆P需要轴向输送时，拉杆驱动元件10接受与其连接的PLC电控***的控制，拉动拉杆346，进而使楔形块343沿钻杆输送方向水平移动，轴承沿楔形块343的倾斜面向下运动，使得摆动板向小角度方向摆动，周向旋转装置31与钻杆P不发生接触，仅有轴向输送装置32与钻杆P接触，轴向运输钻杆P，此时钻杆P距离地面的高度也较低。拉杆驱动元件10可以是气缸、油缸、丝杆等任何可以提供拉力和推力的元件。 

如图7所示，当钻杆P需要周向旋转时，拉杆驱动元件10接受与其连接的PLC电控***的控制，拉动拉杆346，进而使楔形块343沿钻杆输送方向水平移动，轴承沿楔形块343的倾斜面向上运动，使得摆动板向大角度方向摆动，轴向输送装置32与钻杆P不发生接触，仅有周向旋转31装置与钻杆P接触，周向旋转钻杆P，此时钻杆P距离地面的高度较图6所示的状态较高。因此该装置同时还可调节钻杆P距离地面的高度，从而在检测、矫直过程中配合各步骤调整相应的位置。 

如图8a和图8b所示，升降驱动装置包括：支撑座81，其固定架设于矫直机的矫直机座上；电机82固定设于支撑座81上；两个主动链轮83，相对设于支撑座81上，并通过同一链轮传动轴84与所述电机82连接，各主动链轮83均通过一条链条85与一对从动链轮86对应连接；四根曲臂杆87，分别与各从动链轮86对应固定连接，所述各曲臂杆87彼此平行设置；一升降框架88，其左、右两边支架分别与两对从动链轮86对应连接的曲臂杆87固定连接，所述升降框架88的前边支架与所述管端直度检测装置9固定连接。 

需要了解的是，上述升降驱动装置的具体结构仅是本发明所述钻杆管端直度在线检测矫直设备中升降驱动装置的一种实现方式，其他采用气缸驱动、 蜗轮蜗杆驱动、齿轮齿条驱动等能够实现升降驱动装置上升或下降的装置均在本发明的保护范围内。 

如图9所示，管端直度检测装置包括：长条状的测量架91，其沿钻杆轴向方向与钻杆平行设置，测量架91与升降驱动装置固定连接；两个V型骑板92，开口向下设置，各V型骑板92上均设有一同步压轮93，所述各同步压轮93上均对应设有一周向旋转编码器94，所述各周向旋转编码器94均与PLC电控***连接，当钻杆旋转时，与其接触的同步压轮93便在摩擦力的作用下与钻杆同步转动，周向旋转编码器94对同步压轮转过的角度进行检测，从而间接测量钻杆转过的角度；两个V型骑板驱动元件95，分别与两个V型骑板92对应连接，两个V型骑板驱动元件95对称固定设于测量架91上，各V型骑板驱动元件与PLC电控***连接，接受PLC电控***的控制，V型骑板驱动元件95可以为气缸、油缸或其他动力元件；9个位移传感器96均为激光位移传感器，其沿测量架长度方向依次排布于测量架91的下表面，对与所述9个激光位移传感器96对应的9个测量点进行直度测量，所述各激光位移传感器96均与PLC电控***连接；第一限位开关97和第二限位开关98设于测量架91的前端下表面，第三限位开关99和第四限位开关910设于测量架91的后端下表面，上述四个限位开关均与PLC电控***连接；固定架911，设于所述升降驱动装置与测量架(91)之间；一对柔性组件912，其上端与所述固定架911连接，其下端与所述测量架91连接，用以实现测量架91与固定架911的相对浮动。该柔性组件可以是弹簧组件等任何可以实现柔性功能的组件，目的是为了使测量架91实现浮动，从而提高测量的精度。 

下面将结合上述钻杆管端直度在线检测矫直设备，介绍钻杆管端直度在线检测矫直方法： 

1)开始； 

2)PLC电控***控制升降驱动装置带动管端直度检测装置下降到检测工位； 

3)PLC电控***控制轴向输送装置沿钻杆轴向方向输送钻杆，管端直度检测装置检测钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将其传输至PLC电控***： 

钻杆前端进入测量架下方，测量架前端的第二限位开关检测到钻杆后向 PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***接收到第二限位开关传输的“有料”信号后控制轴向输送装置减速输送钻杆； 

测量架前端的第一限位开关检测到钻杆后向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***接收到第一限位开关传输的“有料”信号后控制轴向输送装置停止输送钻杆； 

PLC电控***控制V型骑板驱动元件带动V型骑板下降直至V型骑板骑在钻杆前端表面，然后PLC电控***控制周向旋转装置带动钻杆旋转，设于测量架上的9个位移传感器对应检测9个测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ₉(具体测量值参见表1)，并将测得的结果传输至PLC电控***，周向旋转编码器检测钻杆转过的角度并将角度信号传输至PLC电控***，钻杆转过360度后，PLC电控***控制周向旋转装置停止旋转钻杆。 

4)PLC电控***将钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n传输至工控机，工控机分别计算钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n与预设的标准直度δ₀的差值Q₁，Q₂，……，Q_n，(各测量点的值如表1所示)若Q₁，Q₂，……，Q_n均小于或等于0则直接执行步骤6)，若Q_i＞0，则工控机将最大正差值Q_max传输至PLC电控***执行步骤5)，1≤i≤n； 

表1钻杆前端各测量点的测量值(单位：mm) 

δ1	δ2	δ3	δ4	δ5	δ6	δ7	δ8	δ9	δ0
										0.8	0.9	1.1	1.4	1.2	1.0	1.0	0.9	0.9	1.2
Q1	Q2	Q3	Q4	Q5	Q6	Q7	Q8	Q9
										0.4	-0.3	-0.1	0.2	0	-0.2	-0.2	-0.3	-0.3

因此需要对δ₄(Q₄)对应的这一点进行矫直。 

5)矫直机根据PLC电控***的控制对钻杆前端δ₄(Q₄)对应的这一点进行矫直： 

a)PLC电控***根据周向旋转编码器传输的角度信号控制周向旋转装置旋转钻杆，使待矫直部位沿周向方向旋转对准矫直机的顶头的中心位置； 

b)PLC电控***控制轴向输送装置调整钻杆的轴向位置，同时控制定位夹具装置中的夹具驱动电机调整夹具的轴向位置，使待矫直部位沿轴向方向 位于两夹具的正中； 

c)PLC电控***控制送料装置的平移支架连同钻杆一起向靠近两夹具夹持面的方向平移，设于两夹具上的定位开关检测到钻杆后，向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***控制平移支架停止动作； 

d)工控机计算矫直机的顶头进给量设定值，顶头进给量设定值λ的计算模型为： 

$\mathrm{\λ}=\frac{b_0{E}_0{\mathrm{\δ}}_{\max }}{G}+b_1\frac{D^5}{l^3{t}^2}+b_2$

其中E₀值为210Gpa；G为382Mpa；δ_max即为δ₄，其值如表1所示为1.4mm；D为139.7mm；l为800mm；t为9.17mm；b₀为1.2；b₁为0.7；b₂为0.7，算得λ＝2.67mm； 

e)PLC电控***控制矫直机的动力机构推动顶头动作，直至顶头接触到钻杆表面； 

f)工控机将顶头进给量传输至PLC电控***，PLC电控***控制顶头顶紧钻杆表面后继续向前进给，矫直位移传感器实时检测顶头实际进给量，并实时传输至PLC电控***； 

g)当顶头实际进给量等于顶头进给量设定值2.67mm时，PLC电控***控制顶头复位。 

6)PLC电控***控制管端直度检测装置离开钻杆表面后，PLC电控***控制轴向输送装置继续向前输送钻杆，管端直度检测装置检测钻杆后端各测量点的初始弯曲量6₁，δ₂，……，δ₉，并将其传输至PLC电控***： 

PLC电控***控制V型骑板升起，离开钻杆前端表面，然后PLC电控***控制轴向输送装置继续向前输送钻杆，测量架上的第四限位开关检测不到钻杆后，向PLC电控***发送“无料”信号，PLC电控***接收到第四限位开关发送的“无料”信号后，控制轴向输送装置减速输送钻杆； 

测量架上的第三限位开关检测不到钻杆后，向PLC电控***发送“无料”信号，PLC电控***接收到第三限位开关发送的“无料”信号后，控制轴向输送装置停止输送钻杆； 

PLC电控***控制V型骑板驱动元件带动V型骑板下降直至V型骑板骑在钻杆，PLC电控***控制周向旋转装置带动钻杆旋转，设于测量架上的9 个位移传感器对应检测各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ₉，并将测得的结果传输至PLC电控***，周向旋转编码器检测钻杆转过的角度并将角度信号传输至PLC电控***，钻杆转过360度后，PLC电控***控制周向旋转装置停止旋转钻杆。 

7)PLC电控***将钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n传输至工控机，工控机分别计算钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n与预设的标准直度δ₀的差值Q₁，Q₂，……，Q_n，(各测量点的值如表2所示)若Q₁，Q₂，……，Q_n均小于或等于0则直接执行步骤6)，若Q_i＞0，则工控机将最大正差值Q_max传输至PLC电控***执行步骤5)，1≤i≤n； 

表2钻杆后端各测量点的测量值(单位：mm) 

δ1	δ2	δ3	δ4	δ5	δ6	δ7	δ8	δ9	δ0
										1.0	1.2	1.5	1.2	1.1	0.9	1.0	0.8	0.9	1.2
Q1	Q2	Q3	Q4	Q5	Q6	Q7	Q8	Q9
										-0.2	0	0.3	0	-0.1	-0.3	-0.2	-0.4	-0.3

因此需要对δ₃(Q₃)对应的测量点进行矫直。 

8)矫直机根据PLC电控***的控制对钻杆后端δ₃对应的点进行矫直进行矫直： 

a)PLC电控***根据周向旋转编码器传输的角度信号控制周向旋转装置旋转钻杆，使待矫直部位沿周向方向旋转对准矫直机的顶头的中心位置； 

b)PLC电控***控制轴向输送装置调整钻杆的轴向位置，同时控制定位夹具装置中的夹具驱动电机调整夹具的轴向位置，使待矫直部位沿轴向方向位于两夹具的正中； 

c)PLC电控***控制送料装置的平移支架连同钻杆一起向靠近两夹具夹持面的方向平移，设于两夹具上的定位开关检测到钻杆后，向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***控制平移支架停止动作； 

d)工控机计算矫直机的顶头进给量设定值，顶头进给量设定值λ的计算模型为： 

$\mathrm{\λ}=\frac{b_0{E}_0{\mathrm{\δ}}_{\max }}{G}+b_1\frac{D^5}{l^3{t}^2}+b_2$

其中，E₀为210Gpa；G为382Mpa；δ_max即为δ₃，其值为1.5mm；D为139.7mm；l为700mm；t为9.17mm；b₀为1.2；b₁为0.7；b₂为0.7；算得λ＝2.56mm。 

e)PLC电控***控制矫直机的动力机构推动顶头动作，直至顶头接触到钻杆表面； 

f)工控机将顶头进给量传输至PLC电控***，PLC电控***控制顶头顶紧钻杆表面后继续向前进给，矫直位移传感器实时检测顶头实际进给量，并实时传输至PLC电控***； 

g)当顶头实际进给量等于顶头进给量设定值2.56mm时，PLC电控***控制顶头复位。 

9)结束。 

若要进一步提高检测的精度，还可根据上述步骤对钻杆管端直度进行多次复检。 

本实施例中，由于钻杆前端、后端均只有一个测量点的直度测量值大于标准直度值，即只有一个点的Q_i＞0，因此就对该点进行矫直，若有若干点的Q_i均大于0，那么就需要在这些点中选择一个最大的值，并对该最大值对应的测量点进行矫直。 

要注意的是，以上列举的仅为本发明的具体实施例，显然本发明不限于以上实施例，随之有着许多的类似变化。本领域的技术人员如果从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应属于本发明的保护范围。 

Claims (14)

1.一种钻杆管端直度在线检测矫直设备，用于检测和矫直待测钻杆的管端直度，其特征在于，包括：

一矫直机(1)，其包括：一矫直机座(11)；一设于矫直机座上的顶头(12)；一与所述顶头(12)连接的动力机构(13)；一与所述动力机构(13)连接的压力传感器(14)；一与所述顶头(12)连接的矫直位移传感器(15)；

一设于矫直机(1)上的定位夹具装置(2)，其设于所述矫直机座(11)上与所述顶头(12)相对的位置，所述定位夹具装置(2)包括：一夹具驱动电机(21)；一与所述夹具驱动电机(21)连接的传动轴(22)，所述传动轴(22)与钻杆平行设置；两夹具座(23)，对称固定设于所述传动轴(22)上；两夹具(24)，分别与各夹具座(23)对应固定连接；

若干送料装置(3)，沿钻杆轴向输送方向依次设于所述矫直机(1)旁，其中每一送料装置(3)均包括一周向旋转装置(31)和一轴向输送装置(32)；

一PLC电控***，与所述送料装置(3)、矫直机(1)和定位夹具装置(2)分别电连接；

一工控机，与所述PLC电控***连接；

一升降驱动装置(8)，设于所述矫直机(1)上，位于待测钻杆的上方，所述升降驱动装置(8)与PLC电控***电连接；

一管端直度检测装置(9)，与所述升降驱动装置(8)固定连接，位于待测钻杆的上方，所述管端直度检测装置(9)还与所述PLC电控***电连接。

2.如权利要求1所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备，其特征在于，所述定位夹具装置(2)中两夹具(24)的夹持面均为高低台阶面，所述各高低台阶面均包括：一高夹持面(241)和一低夹持面(242)，所述低夹持面(242)设置于高夹持面(241)的内侧，所述高夹持面(241)与对应的低夹持面(242)的临界处均设有一定位开关(243)，所述两定位开关(243)均与PLC电控***连接。

3.如权利要求1所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备，其特征在于，所述各送料装置(3)还包括：一固定座(33)，其上表面开有一滑槽(331)，所述滑槽(331)与钻杆轴向输送方向垂直设置；一平移支架(34)，其底部设有一滑块(35)，所述滑块(35)设于所述滑槽(331)内，所述周向旋转装置(31)和轴向输送装置(32)均设于平移支架(34)上；所述各送料装置(3)中的平移支架(34)均通过一连接件(6)与一平移支架驱动元件(7)连接，所述平移支架驱动元件(7)与所述PLC电控***电连接。

4.如权利要求3所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备，其特征在于，所述各平移支架(34)均包括：

一直角架(341)，包括一底板和一垂直板，所述滑块(35)设于底板的底部，所述轴向输送装置(32)设于垂直板的上端部；

一摆动板(342)，其左端与所述垂直板的上部铰接，所述周向旋转装置(31)设于摆动板(342)的右端；

一楔形块(343)，其倾斜面朝上可滑动地设于所述底板上,所述楔形块(343)的滑动轨迹与钻杆轴向输送方向平行；

一支承(344)，其上端与所述摆动板(342)的右端下表面固定连接，其下端与一轴承(345)连接，所述轴承(345)搁置于所述楔形块(343)的倾斜面上；

一拉杆(346)，与所述楔形块(343)固定连接；

所述各平移支架的拉杆(346)均与一拉杆驱动元件(10)连接，所述拉杆驱动元件(10)与PLC电控***电连接。

5.如权利要求1所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备，其特征在于，所述升降驱动装置(8)包括：

一支撑座(81)，固定设于所述矫直机(1)上；

一电机(82)，固定设于所述支撑座(81)上；

两主动链轮(83)，相对设于所述支撑座(81)上，并通过同一链轮传动轴(84)与所述电机(82)连接，所述各主动链轮(83)均通过一链条(85)与一对从动链轮(86)对应连接；

四根曲臂杆(87)，分别与各从动链轮(86)对应固定连接，所述各曲臂杆(87)彼此平行设置；

一升降框架(88)，其左、右两边支架分别与两对从动链轮(86)对应连接的曲臂杆(87)固定连接，所述升降框架(88)的前边支架与所述管端直度

检测装置(9)固定连接。

6.如权利要求1-5中任意一项所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备，其特征在于，所述管端直度检测装置(9)包括：

一长条状的测量架(91)，沿钻杆轴向方向与钻杆平行设置，所述测量架(91)与升降驱动装置(8)固定连接；

两V型骑板(92)，开口向下设置，所述各V型骑板(92)上均设有一同步压轮(93)，所述各同步压轮(93)上均对应设有一周向旋转编码器(94)，所述各周向旋转编码器(94)均与PLC电控***连接；

两V型骑板驱动元件(95)，分别与各V型骑板(92)对应连接，所述各V型骑板驱动元件(95)对称固定设于所述测量架(91)上，所述各V型骑板驱动元件(95)还均与PLC电控***电连接；

若干位移传感器(96)，沿所述测量架长度方向排布于测量架(91)的下表面，所述各位移传感器(96)均与PLC电控***连接；

四个限位开关，分别为沿测量架依次设置的第一、第二、第三和第四限位开关，其中第一限位开关(97)、第二限位开关(98)设于所述测量架(91)的前端下表面，第三限位开关(99)、第四限位开关(910)设于所述测量架(91)的后端下表面，所述四个限位开关均与PLC电控***连接。

7.如权利要求6所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备，其特征在于，所述管端直度检测装置(9)还包括：

一固定架(911)，设于所述升降驱动装置(8)与测量架(91)之间；

一对柔性组件(912)，其上端与所述固定架(911)连接，其下端与所述测量架(91)连接，用以实现测量架(91)与固定架(911)的相对浮动。

8.如权利要求6所述的钻杆管端直度在线检测矫直设备，其特征在于，所述位移传感器(96)为非接触式位移传感器。

9.一种钻杆管端直度在线检测矫直方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）开始；

2）PLC电控***控制升降驱动装置(8)带动管端直度检测装置(9)下降到检测工位；

3）PLC电控***控制轴向输送装置(32)沿钻杆轴向方向输送钻杆，管端直度检测装置(9)检测钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将其传输至PLC电控***；

4）PLC电控***将钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n传输至工控机，工控机分别计算钻杆前端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n与预设的标准直度δ₀的差值Q₁，Q₂，……，Q_n，若Q₁，Q₂，……，Q_n均小于或等于0则直接执行步骤6），若Q_i＞0，则工控机将最大正差值Q_max传输至PLC电控***执行步骤5），1≤i≤n；

5）矫直机(1)根据PLC电控***的控制对钻杆前端最大正差值Q_max对应的测量点进行矫直；

6）PLC电控***控制管端直度检测装置(9)离开钻杆表面，PLC电控***控制轴向输送装置(32)继续向前输送钻杆，管端直度检测装置(9)检测钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将其传输至PLC电控***；

7）PLC电控***将钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n传输至工控机，工控机分别计算钻杆后端各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n与预设的标准直度δ₀的差值Q₁，Q₂，……，Q_n，若Q₁，Q₂，……，Q_n均小于或等于0，则直接执行步骤9），若Q_i＞0，则工控机将最大正差值Q_max传输至PLC电控***执行步骤8），1≤i≤n；

8）矫直机(1)根据PLC电控***的控制对钻杆后端最大正差值Q_max对应的测量点进行矫直；

9）结束。

10.如权利要求9所述的钻杆管端直度在线检测矫直方法，其特征在于，所述步骤3）包括：

3a）钻杆前端进入测量架(91)下方，测量架(91)前端的第二限位开关(98)检测到钻杆后向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***接收到第二限位开关(98)传输的“有料”信号后控制轴向输送装置(32)减速输送钻杆；

3b）测量架(91)前端的第一限位开关(97)检测到钻杆后向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***接收到第一限位开关(97)传输的“有料”信号后控制轴向输送装置(32)停止输送钻杆；

3c）PLC电控***控制V型骑板驱动元件(95)带动V型骑板(92)下降直至V型骑板(92)骑在钻杆前端表面，然后PLC电控***控制周向旋转装置(31)带动钻杆旋转，设于测量架(91)上的N个位移传感器(96)对应检测距钻杆前端端部距离为X₁,X₂,……,X_n的各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将测得的结果传输至PLC电控***，周向旋转编码器(94)检测钻杆转过的角度并将角度信号传输至PLC电控***，钻杆转过360度后，PLC电控***控制周向旋转装置(31)停止旋转钻杆。

11.如权利要求10所述的钻杆管端直度在线检测矫直方法，其特征在于，所述步骤5）或步骤8）具体包括：

a）PLC电控***根据周向旋转编码器(94)传输的角度信号控制周向旋转装置(31)旋转钻杆，使待矫直部位沿周向方向旋转对准矫直机(1)的顶头(12)的中心位置；

b）PLC电控***控制轴向输送装置(32)调整钻杆的轴向位置，同时控制定位夹具装置(2)中的夹具驱动电机(21)调整夹具(24)的轴向位置，使待矫直部位沿轴向方向位于两夹具(24)的正中；

c）PLC电控***控制送料装置(3)的平移支架(34)连同钻杆一起向靠近两夹具夹持面的方向平移，设于两夹具(24)上的定位开关(243)检测到钻杆后，向PLC电控***传输“有料”信号，PLC电控***控制平移支架(34)停止动作；

d）工控机计算矫直机(1)的顶头进给量设定值，顶头进给量设定值λ的计算模型为：

$\mathrm{\λ}=\frac{b_0{E}_0{\mathrm{\δ}}_{\max }}{G}+b_1\frac{D^5}{l^3{t}^2}+b_2$

上式中：E₀为弹性模量；G为钻杆的屈服强度；δ_max待矫直点的初始弯曲量，其由对应的位移传感器测得；D为钻杆外径；l为两夹具的间距；t为钻杆的壁厚；b₀、b₁、b₂分别为线性回归系数，b₀为0.8～1.2，b₁为0.4～0.7，b₂为0.6～0.8；

e）PLC电控***控制矫直机(1)的动力机构(13)推动顶头(12)动作,直至顶头(12)接触到钻杆表面；

f）工控机将顶头进给量传输至PLC电控***，PLC电控***控制顶头(12)顶紧钻杆表面后继续向前进给，矫直位移传感器(15)实时检测顶头实际进给量，并实时传输至PLC电控***；

g）当顶头实际进给量等于顶头进给量设定值时，PLC电控***控制顶头(12)复位。

12.如权利要求11所述的钻杆管端直度在线检测矫直方法，其特征在于，所述步骤6）具体包括：

6a）PLC电控***控制V型骑板(92)升起，离开钻杆前端表面，然后PLC电控***控制轴向输送装置(32)继续向前输送钻杆，测量架(91)上的第四限位开关(910)检测不到钻杆后，向PLC电控***发送“无料”信号，PLC电控***接收到第四限位开关(910)发送的“无料”信号后，控制轴向输送装置(32)减速输送钻杆；

6b）测量架(91)上的第三限位开关(99)检测不到钻杆后，向PLC电控***发送“无料”信号，PLC电控***接收到第三限位开关(99)发送的“无料”信号后，控制轴向输送装置(32)停止输送钻杆；

6c）PLC电控***控制V型骑板驱动元件(95)带动V型骑板(92)下降直至V型骑板(92)骑在钻杆，PLC电控***控制周向旋转装置(31)带动钻杆旋转，设于测量架(91)上的N个位移传感器(96)对应检测距钻杆后端端部距离为X₁,X₂,……,X_n的各测量点的初始弯曲量δ₁，δ₂，……，δ_n，并将测得的结果传输至PLC电控***，周向旋转编码器(94)检测钻杆转过的角度并将角度信号传输至PLC电控***，钻杆转过360度后，PLC电控***控制周向旋转装置(31)停止旋转钻杆。

13.如权利要求12所述的钻杆管端直度在线检测矫直方法，其特征在于，所述各步骤中，当PLC电控***控制轴向输送装置(32)沿钻杆轴向方向输送钻杆时，PLC电控***先控制拉杆驱动元件(10)带动楔形块(343)滑动，使摆动板(342)摆动至轴向输送装置(32)高于周向旋转装置(31)的位置，PLC电控***再控制轴向输送装置(32)输送钻杆。

14.如权利要求13所述的钻杆管端直度在线检测矫直方法，其特征在于，所述各步骤中，当PLC电控***控制周向旋转装置(31)旋转钻杆时，PLC电控***先控制拉杆驱动元件(10)带动楔形块(343)滑动，使摆动板(342)摆动至周向旋转装置（31）高于轴向输送装置（32）的位置，PLC电控***再控制周向旋转装置（31）旋转钻杆。

Images