专利名称：用于圆管的装配控制系统的制作方法
技术领域：
本发明主要涉及油气井钻探系统，更特别地是涉及一种使用顶部驱动器在螺纹管之间装配螺纹连接机构，例如钻探套管的控制系统。
背景技术：
油气井钻探系统包括多种类型的通常指的是“圆管”的管道。圆管包括钻杆、套管、和其它可螺纹连接的油气井结构。连接在一起的圆管的长“管柱”典型地被用于钻探井筒并用于防止井筒在钻探后的坍塌。一些圆管被制成在其一端具有外螺纹且另一端具有内螺纹。其它圆管的特征是其每一端部均为外螺纹，并且通过具有两个内螺纹的螺纹套环在该圆管之间建立起连接。将一系列圆管连接在一起而形成“管柱”的操作通常称为“装配”工序。
一种装配螺纹圆管的方法包括雇用熟练的操作员使用通称为“动力管钳”的液压驱动工具的多步骤工序。液压动力管钳具有若干缺点。在装配工序的某些部分中，为了完成装配连接，液压动力管钳应该能够将大量扭矩施加到螺纹管上。但是，在装配工序的其它部分中，如果圆管无意中上错了扣，为了保护圆管不受到损坏，液压动力管钳应限制扭矩。而且，在装配工序的某些部分，动力管钳应该能够缓慢地转动螺纹管以便开始螺纹管的螺纹，并且能够迅速地转动螺纹管以便建立起连接。
尽管设计出具有这些特征中的部分特征的特定液压动力管钳是有可能的，但是设计出具有所有这些特征的液压动力管钳以便在油气井钻塔的恶劣环境中加以使用是不现实的。此外，圆管的重复处理可导致熟练操作员的疲劳和厌倦，从而导致对装配工序的疏忽。因此，存在一种对可自动化操作并且相对于扭矩和转速具有较大动态范围的装配系统的需要。
发明内容
本发明涉及一种用于使用顶部驱动电动机在第一圆管和第二圆管之间建立起螺纹连接的装配控制系统。本发明的控制系统监测在装配工序中通过顶部驱动器施加至第一圆管的转数、扭矩和转速中的至少一个，并且如果达到了扭矩极限值就终止该装配工序。顶部驱动器是典型地连接至一个或多个圆管，以便在井筒钻探过程中向圆管提供扭矩和转速控制的油气井结构。顶部驱动器在装配工序过程中典型地不被使用，这是因为需要精确地控制以防止对将被连接的圆管的螺纹造成损坏。因此，本发明的控制系统紧密地地监测并控制顶部驱动器施加至圆管的扭矩和转速，以便在装配工序过程中保护圆管的螺纹不受损坏。
在一个实施例中，本发明涉及一种用于在第一圆管和第二圆管之间建立螺纹连接的装配控制系统，该系统包括连接至第一圆管的顶部驱动器和可操作地连接至该顶部驱动器并向顶部驱动器发送至少一个指令信号的控制器。该顶部驱动器响应该至少一个指令信号而产生扭矩和转速，并且所需的扭矩和转速在装配过程中被施加至第一圆管。顶部驱动器还产生传送至控制器的扭矩反馈信号。控制器使用该反馈信号监测在装配工序过程中施加至第一圆管的扭矩和转速。当达到预定的扭矩极限值时，该控制器终止装配工序。
在另一实施例中，本发明涉及一种在装配工序过程中使用顶部驱动器在第一圆管和第二圆管之间建立螺纹连接的方法，包括提供一顶部驱动器，将第一圆管连接至顶部驱动器，并且将一控制器可操作地连接至该顶部驱动器。在该实施例中，控制器通过例如电动机驱动系统将指令信号从控制器传送至顶部驱动器。该顶部驱动器响应该指令信号将扭矩和转速施加至第一圆管。该顶部驱动器还将扭矩反馈信号传送至控制器。该控制器反过来使用该反馈信号监测在装配工序过程中施加至第一圆管的扭矩。对于装配工序的至少一个不同的阶段设定一预定的扭矩极限值，其中当超过该至少一个预定扭矩极限值的任何一个时，控制器终止装配工序。
当结合附图加以考虑时，本发明的这些和其它特征以及优点通过参照下面的详细说明而将更好地理解，其中图1是根据本发明一示例性实施例的装配控制系统的示意图。
图2是根据本发明一示例性实施例的装配控制系统的方框图。
图3是根据本发明一示例性实施例的装配工序的工序流程图。
图4是根据图3的装配工序的螺纹配合阶段的工序流程图。
图5是根据图3的装配工序的初始拧螺纹阶段的工序流程图。
图6是根据图3的装配工序的主拧螺纹阶段的工序流程图。
图7是根据图3的装配工序的最终拧螺纹阶段的工序流程图。
图8是根据本发明一示例性实施例的拧紧阶段的工序流程图。
图9是根据本发明一示例性实施例的装配控制系统的扭矩、旋转方向和转数之间的关系的图表。
图10是根据本发明一示例性实施例的控制器的方框图。
具体实施例方式
如图1-10所示，本发明的实施例涉及一种在多阶段的装配工序过程中可被用于在圆管之间建立起螺纹连接的装配控制系统。
在一个实施例中，该装配控制系统包括一可操作地连接至控制器以用于在装配工序过程中提供转数、扭矩和转速控制的顶部驱动器。在该实施例中，可旋转的圆管在控制器的控制下通过顶部驱动器旋转，用于与静止的圆管建立螺纹连接。
对于装配工序，存在多个标准阶段。例如，首先，在螺纹配合阶段的过程中，装配控制系统通过沿与可旋转圆管的螺纹的拧螺纹方向相反的方向旋转该可旋转的圆管而与圆管的螺纹相配合。一旦圆管的螺纹配合后，该装配控制系统沿拧螺纹方向转动可旋转的圆管，以便在初始拧螺纹阶段的过程中初始圆管的螺纹连接。在拧螺纹被启动后，装配控制系统在主拧螺纹阶段的过程中提高可转动圆管的转速。随后在最终拧螺纹阶段的过程中，在螺纹连接接近完成时，该装配控制系统降低可旋转的圆管的转速，以使得圆管不会突然停止。随后该装配控制系统增量地增加施加到可旋转的圆管的扭矩，直到在拧紧阶段的过程中螺纹连接被拧紧至最终扭矩值。
在装配工序的每一个上述阶段过程中，该装配控制系统设定顶部驱动器被允许施加到可旋转的圆管的转数或扭矩极限值。随后装配控制系统在装配工序每一个阶段的过程中监测转数、扭矩和/或由顶部驱动器施加在可旋转的圆管上的转数并且中止该装配工序。当上述参数中的一个超过该阶段的极限值时，在装配工序中将显示错误，例如，上错扣、螺纹损坏、或螺纹油供给过度，以及其它可能的错误。
图1是根据本发明示例性实施例的装配控制系统100的示意图。该装配控制系统100包括可操作地连接至控制器102的顶部驱动系统101。该顶部驱动系统101接收来自控制器102的指令信号104，并且通过产生施加至可旋转的圆管106的扭矩和转速而响应该指令信号104。在一个实施例中，顶部驱动器101连接至套管送入工具107，该套管送入工具依次连接至可旋转的圆管106，以便将来自顶部驱动器101的扭矩和转速传送至可旋转的圆管106。
在操作过程中，顶部驱动器101产生传送至控制器102的反馈信号108。该反馈信号108包括扭矩反馈信号和转速反馈信号。该控制器102在装配工序过程中使用反馈信号108监测顶部驱动器101的操作。控制器102的功能通过位于控制器102中的一组程序指令110来确定。
在一个实施例中，可旋转的圆管106通过顶部驱动器101旋转，以便在多阶段装配工序300的过程中(以下将参照图3详细描述)与静止的圆管114建立起螺纹连接。在该实施例中，可旋转的圆管106具有与静止的圆管114的相应螺纹部分116相配合的螺纹部分112，以便形成螺纹连接。尽管上面的讨论指的是具有配合连接的圆管，但是应该理解，圆管应该是具有外螺纹末端的套管，其通过具有相应内螺纹末端的配合连接器连接在一起。
图2是根据本发明一示例性实施例的装配控制系统100的方框图。在该实施例中，装配控制系统100包括如前所述的顶部驱动器101和控制器102。此外，装配控制系统100可包括可操作地连接至电动机202的电动机控制器200。在使用直流电机(DC)的实施例中，电动机控制器200接收来自交流(AC)电源208的高压/高电流的交流电206，并将该交流电转换至调节的和受控的直流电以供电动机202使用。反过来，该电动机202接收直流电并且将扭矩提供至顶部驱动器101，该扭矩在装配工序300的过程中被传送至可旋转的圆管106。该电动机控制器200通过控制施加在电动机202上的电压来控制电动机202的速度，并通过调节施加在电动机202上电流的大小来调节由电动机202施加的扭矩大小。尽管上文仅描述了直流电动机，但是也可使用交流电动机。在该实施例中，控制器可通过调节提供给交流电动机的电源的频率来调节该交流电动机的扭矩和速度。
在一个实施例中，如上所述的指令信号104包括一方向指令信号210，一扭矩极限信号212和一速度指令信号214。在该实施例中，电动机控制器200接收由装配系统控制器102传送的方向指令信号210，并且通过设定电动机202的旋转方向来响应该方向指令信号210。电动机202还可具有一用于颠倒电动机202的旋转方向的方向开关204。
通过这种方式，该实施例的装配系统控制器102可通过产生一方向指令信号210并将该方向指令信号210传送至电动机控制器200来控制可旋转的圆管106的旋转方向。
在该实施例中，电动机控制器200还可接收由装配系统控制器102传送的扭矩极限信号212。该实施例的电动机控制器200使用该扭矩极限信号212来调节提供至电动机202的电流的最大值。由于提供至电动机202的电流的最大值决定了可由电动机202提供至可旋转的圆管106的扭矩的最大值，因此装配系统控制器102限定了在装配工序300过程中电动机202可施加到可旋转圆管106的扭矩的大小。
电动机控制器200还可接收由装配系统控制器102传送的速度指令信号214。该实施例的电动机控制器200使用速度指令信号214来调节提供至电动机202的电压/频率。由于电动机202的转速由提供至电动机202的电压/频率所决定，因此在装配工序300的过程中，装配系统控制器102决定了电动机202传递至可旋转圆管106的转速。在一个实施例中，电动机控制器200还可包括独力地调节提供至电动机202的电流和电压(或频率)的可控硅整流器(SCR)。
在一个实施例中，如上所述的反馈信号108包括一扭矩反馈信号216。在该实施例中，电动机控制器200产生扭矩反馈信号216并将该信号传送至装配系统控制器102。该扭矩反馈信号216与流经电动机202的电流成比例，并因此与电动机202施加的扭矩成比例。在装配工序300的过程中，装配系统控制器102使用该扭矩反馈信号216来监控由电动机202施加到可旋转圆管106的扭矩的大小。
在一个实施例中，电动机202还可机械地连接至转数编码器218。在该实施例中，转数编码器218产生一与电动机202的转数成比例的转数反馈信号220。电动机202机械地连接至顶部驱动器101上，如先前所述，该顶部驱动器101可通过套筒送入工具107连接至可旋转的圆管106。因此，电动机202的转数还与可旋转圆管106的转数成比例。在装配工序300的过程中，通过使用转数反馈信号220，装配系统控制器102可决定可旋转的圆管106的转数。
图3是根据本发明一示例性实施例的装配工序300的工序流程图。装配工序300通过装配控制系统100来执行以便在可旋转圆管和静止的圆管之间建立起螺纹连接。在一个实施例中，如所述，装配工序300是包括螺纹配合阶段400，初始拧螺纹阶段500，主拧螺纹阶段600，最终拧螺纹阶段700，和拧紧阶段800的多阶段工序，每一阶段将在下面进行详述。
在一个实施例中，装配工序300始于螺纹配合阶段400。图4是根据本发明一示例性实施例的螺纹配合阶段400的工序流程图。在螺纹配合阶段400的过程中，装配控制系统100将可旋转圆管106的螺纹与静止的圆管114的螺纹相配合。
在所描述的实施例中，在401中，控制器102将可旋转圆管106的旋转方向设定为与可旋转圆管106的螺纹的拧螺纹方向相反的方向。例如，当可旋转圆管106的螺纹为右旋螺纹时，可旋转圆管106在螺纹配合阶段400的过程中沿逆时针方向旋转。
在402中，控制器102还如上所述通过产生速度指令信号214并将该速度指令信号214传送至电动机控制器200而设定顶部驱动器101的被允许施加至可旋转圆管106的最大转速。例如，在一个实施例中，可旋转圆管106的最大转速约为8RPM(转/分)。
随后，控制器102通过例如电动机控制器200将指令信号104传送至顶部驱动器101，以便在405中启动可旋转圆管106的旋转。贯穿螺纹配合阶段400，控制器102在406中通过如上所述那样监测分别从电动机控制器220和转数编码器218传送至控制器102的转数反馈信号220来监测可旋转圆管106的转数。
在412中，控制器102判定可旋转圆管106是否旋转了预定的转数。当可旋转圆管106已经旋转了预定的转数时，控制器102在414中终止螺纹配合阶段400。否则，控制器102在416中继续螺纹配合阶段400，直到可旋转圆管106旋转到预定的转数。在一个实施例中，可旋转圆管106在螺纹配合阶段400过程中的预定转数是1.5转。
当可旋转圆管106已经旋转了预定转数时，螺纹配合阶段400就完成了。在螺纹配合阶段400的过程中，可旋转圆管106优选地以约5转/分至约10转/分的速度范围和约500英尺-磅(ft-lbs)至约1500英尺-磅的扭矩范围旋转。当螺纹配合阶段400的过程完成时，装配控制系统100着手进行初始拧螺纹阶段500。
图5是根据本发明一示例性实施例的初始拧螺纹阶段500的工序流程图。在初始拧螺纹阶段500的过程中，装配控制系统100在可旋转圆管106和静止的圆管114之间启动螺纹连接。
在一个实施例中，控制器102在501中将可旋转圆管106的旋转方向设定为沿可旋转圆管106的拧螺纹方向。例如，如果可旋转圆管106的螺纹是右旋螺纹时，可旋转圆管106在初始拧螺纹阶段500的过程中以顺时针方向旋转。控制器102还在502中通过前述那样产生速度指令信号214并将该速度指令信号214传送至电动机控制器200来设定可旋转圆管106的最大转速。装配控制系统100在504中通过前述那样产生扭矩极限信号212并将该扭矩极限信号212传送至电动机控制器200来设定顶部驱动器101的允许施加至可旋转圆管106的扭矩极限值。例如，在一个实施例中，可旋转圆管106的最大转速和扭矩极限值分别为约8转/分和约1500英尺-磅。
随后，控制器102将指令信号104传送至顶部驱动器101，以便在505中启动可旋转圆管106的旋转。贯穿初始拧螺纹阶段500，控制器102在506中如上述那样通过监测分别从电动机控制器220和转数编码器218传送至控制器102的扭矩反馈信号216和转数反馈信号220来监测可旋转圆管106所施加的扭矩和转数。
控制器102在508中判定是否达到了扭矩极限值。如果已经达到了扭矩极限值，将在初始拧螺纹阶段500显示错误，例如螺纹的丝扣上错，控制器102在510中暂停装配工序300，并中断可旋转圆管106的旋转。
如果还未达到扭矩极限值，控制器102在512中判定可旋转圆管106是否旋转了预定转数。当可旋转圆管106已经旋转了预定转数时，控制器102在514中终止初始拧螺纹阶段500。否则，控制器102在516中继续初始拧螺纹阶段500，直到达到扭矩的极限值或者可旋转圆管106旋转了预定转数。在一个实施例中，可旋转圆管106在初始拧螺纹阶段500的过程中的预定转数为两转。
当可旋转圆管106在未超过初始拧螺纹阶段500的扭矩极限值的情况下已经旋转了预定转数时，初始拧螺纹阶段500被成功完成。在初始拧螺纹阶段500的过程中，可旋转圆管106优选地以约5转/分至约10转/分的速度范围，和约1000英尺-磅至约2000英尺-磅的扭矩范围旋转。当初始拧螺纹阶段500完成时，装配控制系统100进入主拧螺纹阶段600。
图6是根据本发明一示例性实施例的主拧螺纹阶段600的工序流程图。在601中，控制器102将在初始拧螺纹阶段500的过程中施加在可旋转圆管106上的转速提高至在主拧螺纹阶段600的过程中施加在可旋转圆管106上的转速。增加的施加在可旋转圆管106上的转速形成了将要旋转的螺纹中的阻力，并因此在602中，需要相应的增加顶部驱动器101的被允许施加至可旋转圆管106的扭矩的极限值，即控制器102通过增加顶部驱动器101的被允许施加至可旋转圆管106上的扭矩的极限值来补偿增加的在高转速下连接螺纹的阻力。例如，在一个实施例中，用于可旋转圆管106的扭矩极限值约为7000英尺-磅。
贯穿主拧螺纹阶段600，控制器在604中通过上述的监测分别从电动机控制器220和转数编码器218传送至控制器102的扭矩反馈信号216和转数反馈信号220而连续监测可旋转圆管106所施加的扭矩和转数。
主拧螺纹阶段600一直持续，直到控制器102在606中检测出与所施加的扭矩极限值附近的扭矩相关的转速降低了。与所施加的扭矩极限值附近的扭矩相关的转速的降低是由于在圆管的螺纹接近于完全螺纹连接时引起的增加的阻力导致的。当这种情况发生时，主拧螺纹阶段600完成，并且控制器102在608中进入最终拧螺纹阶段700。
在主拧螺纹阶段600的过程中，可旋转圆管106优选地以约10转/分至约20转/分的速度范围，且以最终扭矩极限值(下面进行描述)的约15％至30％的扭矩范围旋转。例如，在一个实施例中，最终扭矩极限值为25,000英尺-磅，并且扭矩极限值在主拧螺纹阶段600的过程中约为3750英尺-磅至约7500英尺-磅。当主拧螺纹阶段600完成时，装配控制系统100进入最终拧螺纹阶段700。
图7是根据本发明一示例性实施例的最终拧螺纹阶段700的工序流程图。在701中，控制器102将在主拧螺纹阶段600的过程中施加给可旋转圆管106的转速降低至在最终拧螺纹阶段700过程中施加给可旋转圆管106的转速。该速度的降低在不损坏圆管106和114的情况下允许可旋转圆管106与静止的圆管114之间形成螺纹连接。
例如，在一个实施例中，圆管106和114中的每一个均包括分别临近于螺纹部分112和116的肩部，其中这些肩部在形成螺纹连接后相互配合。在该情况下，当肩部接触在一起时，以过高转速来转动可旋转圆管106可损坏肩部和/或相配合的圆管106和114的螺纹。
因此，在最终拧螺纹阶段700过程中，可旋转圆管106优选地以约3转/分至约8转/分的速度范围，且以最终扭矩极限值(下面进行描述)的约15％至30％的扭矩范围旋转。例如，在一个实施例中，最终扭矩极限值为25,000英尺-磅，并且扭矩极限值在最终拧螺纹阶段700的过程中约为3750英尺-磅至约7500英尺-磅。优选地，用于可旋转圆管106的扭矩极限值为约7000英尺-磅。
贯穿最终拧螺纹阶段700，控制器102在703中监测可旋转圆管106所施加的扭矩和转数。当达到扭矩极限值时，控制器102在706中将施加的扭矩保持一段预定的时间，以便确定建立起了良好的连接。如果可旋转圆管106在扭矩极限值时终止旋转，这表明可旋转圆管106和静止的圆管114之间建立起了良好的连接，并且最终拧螺纹阶段700完成。当最终拧螺纹阶段700完成时，装配控制系统100进入拧紧阶段800。
图8是根据本发明一示例性实施例的拧紧阶段800的工序流程图。在拧紧阶段800过程中，控制器102在801中设定最终扭矩极限值。控制器随后在802中将顶部驱动器101的被允许施加至可旋转圆管106的扭矩极限值从在最终拧螺纹阶段700的过程中设定的扭矩极限值增量地增加到最终的扭矩极限值。
贯穿拧紧阶段800，控制器在803中监测施加至可旋转圆管106的扭矩。旋转持续进行直到达到增加的扭矩极限值。当达到增加的扭矩极限值时，控制器在805中判定最终扭矩极限值是否已经达到。如果还未达到最终扭矩极限值，顶部驱动器101的被允许施加至可旋转圆管106的扭矩极限值在807中再次增量地增加至新的增加的扭矩极限值。这一工序继续直到达到最终扭矩极限值。
当达到最终扭矩极限值时，控制器102在806中将所施加的扭矩保持一段预定的时间以便确定最终的连接。控制器102随后在807中监测可旋转圆管106的旋转，并且在808中确定是否旋转继续。如果可旋转圆管106在812中在预定的时间段期间继续以最终扭矩极限值旋转，则显示装配错误。如果可旋转圆管106在810中以扭矩极限值终止旋转，则表明可旋转圆管106和静止的圆管114之间建立起了良好的连接，并且拧紧阶段800完成。
在拧紧阶段800的过程中，最终扭矩极限值优选地在约8000英尺-磅至35,000英尺-磅的范围内，并且增加的扭矩极限值中的每一个增量的增加值均在约50英尺-磅至200英尺-磅的范围内。例如，在一个实施例中，最终扭矩极限值为约25,000英尺-磅，并且在增加的扭矩极限值中的每一个增量的增加值约为100英尺-磅。
如上所述在贯穿装配工序300的过程中，装配控制系统100监测、记录、并报告所施加至可旋转圆管106的扭矩。在一个实施例中，装配控制系统100可使用该信息建立扭矩对转数的图表(为方便起见，在下文中指的是扭矩-转数表)。
图9是一示例性的扭矩-转数图表900，示出了本据本发明示例性实施例的装配控制系统所施加的扭矩、扭矩极限值、旋转方向、转速和转数之间的关系。装配螺纹连接所需要的实际转数、实际施加的扭矩、和扭矩设定极限值取决于待连接的螺纹管的类型；因此，图表900所示的值仅仅是出于说明性的目的，这些参数中的每一个可通过用户输入至装配控制系统，或者可被程序更改而加以改变。图表900的上部分901示出了旋转的右旋螺纹管的扭矩903对转数904的图表，图表900的下部分902示出了旋转的右旋螺纹管的转速905对转数904的图表。
如前面讨论过的，在螺纹配合阶段400的过程中，螺纹管的螺纹通过沿逆时针方向旋转该螺纹管而与接收螺纹管的螺纹相配合。如图表900所示，在螺纹配合阶段400的过程中，转速沿逆时针方向增加至点906，并保持稳定至第二点907，随后在第三点908恢复静止。在螺纹配合阶段400的过程中，旋转的螺纹管沿逆时针方向总计旋转1.5转。
在初始拧螺纹阶段500的过程中，装配控制系统开始螺纹管的螺纹。装配控制系统沿顺时针方向开始转动旋转的螺纹管，直到在第四点909上达到选定的转速。该转速保持恒定直到转动的螺纹管在第五点910处总共旋转了两转。同样在初始拧螺纹阶段500的过程中，通过前述的装配控制系统将扭矩极限值设定为第一扭矩极限值E。施加至螺纹管的实际扭矩随后通过装配控制系统来监测。如果施加的扭矩超过了该第一扭矩极限值E，装配控制系统将停止转动的螺纹管的旋转。
在主拧螺纹阶段600的过程中，转速增加直到在第六点911达到最大值。同样在主拧螺纹阶段600的过程中，如从B点至B’点所示，由于更多的螺纹相互配合并且这些配合螺纹之间的摩擦增加了，施加至螺纹管的实际扭矩将增加。为了补偿这一点，可允许的扭矩极限值被增加至第二扭矩极限值F。主拧螺纹阶段600持续进行直到控制器检测出与所施加的第二扭矩极限值F附近的扭矩相关的转速降低。这在图表中以第七点912示出了。
在最终拧螺纹阶段700的过程中，转速从第七点912降低至第八点913。转速在最终拧螺纹阶段700的过程中降低，以使得当螺纹的肩部在拧螺纹工艺的结尾处相遇时能使可能发生的任何损害最小化。
在拧紧阶段800的过程中，螺纹管之间的连接在递增的工序中被拧紧至的最终扭矩值G。从C点至D点，可允许的扭矩极限值缓慢增加。在扭矩极限值的每一次增加过程中，先前所述的将旋转力提供至旋转圆管的电动机将转动该旋转的圆管，直到所施加的扭矩达到扭矩极限值，在该扭矩极限值处，电动机减速并停止旋转转动的螺纹管。在扭矩极限值的每一次增加过程中，电动机使旋转的螺纹管转动几分之一转而后停止。该工序重复直到达到最终的扭矩值G。在旋转螺纹管的增量旋转过程中，速度从第八点913降低至第九点914。
图10是根据本发明一个实施例的控制器102方框图。在该实施例中，控制器102包括具有中央处理单元(CPU)2002的处理器2000，高速缓冲存储器2004，和总线接口2006。该总线接口2006通过系统总线2008可操作地连接至主存储器2010和输入/输出(I/O)界面控制单元2012。该I/O界面控制单元2012通过I/O局部总线2014可操作地连接至储存控制器2016，还连接至I/O界面2018以用于接收并传送信号至外部设备。存储控制器2016可操作地连接至存储装置2022以用于存储执行先前所述的装配控制系统100的特征的程序指令110。
在操作中，处理器2000检索程序指令110并将它们储存于主存储器2010中。随后，该处理器2000执行存储于主存储器2010中的程序指令110，以便如先前所述那样执行装配控制系统100的功能。该处理器2000使用程序指令110来产生先前所述的指令信号104，并通过外部I/O装置2018将该指令信号104传递至先前所述的顶部驱动器101。顶部驱动器101响应该指令信号104并产生先前所述的被传送回到控制器102的反馈信号108。处理器2000通过外部I/O装置2018接收反馈信号108。处理器2000使用反馈信号108和程序指令110来产生额外的指令信号，指令信号210，212，和214，用于如先前所述那样传送至顶部驱动器101。
前述说明书已经参照本发明的不同实施例被提出了。对本领域和本发明相关的技术熟悉的人员将会理解，在不有意背离本发明的原理、精神及范围的前提下，可对所描述的结构和操作方法作出变更和改变。
例如，尽管示例性的装置和方法具有特定的机构和方法步骤，可替换的实施例可包括根据特定的应用所要求的或多或少的步骤。因此，前述说明书不应被认为仅仅是与附图中描述和显示的精确结构相关，相反，应被认为与下述权利要求相一致并且作为该权利要求的支持，其中这些权利要求具有它们最完整和最清楚的范围。
权利要求
1.一种用于在第一圆管和第二圆管之间建立螺纹连接的装配控制系统，包括连接至第一圆管的顶部驱动器；可操作地连接至顶部驱动器并且将至少一个指令信号发送至该顶部驱动器的控制器，该顶部驱动器响应该至少一个指令信号而产生扭矩和转速，该扭矩和转速在第一圆管和第二圆管之间的装配工序过程中被施加至第一圆管，其中顶部驱动器产生传送至控制器的扭矩或转动反馈信号中的至少一个，并且控制器监测至少一个反馈信号，用以确定在装配工序过程中施加至第一圆管的扭矩或转数中的至少一个，并且其中当达到预定扭矩或转数极限值中的一个时，控制器终止装配工序。
2.如权利要求1所述的系统，其中顶部驱动器是电动机。
3.如权利要求1所述的系统，还包括可操作地连接至电动机的电动机控制器，其中该电动机控制器通过控制施加至顶部驱动器的电压大小来控制顶部驱动器传递至第一圆管上的转速。
4.如权利要求1所述的系统，还包括可操作地连接至顶部驱动器的电动机控制器，其中该电动机控制器通过控制施加至顶部驱动器的电流大小来控制顶部驱动器传递至第一圆管上的扭矩。
5.如权利要求1所述的系统，还包括电动机控制器，用于控制可被施加至第一圆管的预定的最大可允许的扭矩极限值。
6.如权利要求1所述的系统，还包括转数编码器，用于监测第一圆管在装配工序过程中的转动量，并且产生一转数反馈信号并将该转数反馈信号传送至控制器。
7.一种在装配工序中使用顶部驱动器在第一圆管和第二圆管之间建立螺纹连接的方法，包括步骤提供一顶部驱动器；将第一圆管连接至该顶部驱动器；将一控制器可操作地连接至该顶部驱动器；将来自控制器的指令信号传送至该顶部驱动器；响应该指令信号而在顶部控制器中产生扭矩和转速，并在第一和第二圆管之间的装配工序过程中通过该顶部驱动器将该扭矩和该转速施加至第一圆管；将来自该顶部驱动器的扭矩或转数反馈信号中的至少一个传送至控制器，其中该控制器使用反馈信号监测在装配工序过程中施加至第一圆管的扭矩或转数中的至少一个；以及在装配工序的至少一个阶段中设定至少一个预定的扭矩或转数极限值，以便当达到至少一个预定的扭矩或转数极限值中的任一个时，控制器向顶部驱动器传送指令信号以终止该装配工序。
8.如权利要求7所述的方法，其中顶部驱动器是电动机。
9.如权利要求7所述的方法，还包括提供可操作地连接至该顶部驱动器的电动机控制器的步骤。
10.如权利要求7所述的方法，还包括步骤通过控制施加至顶部驱动器的电压大小来控制顶部驱动器传递至第一圆管的转速；并且通过控制施加至顶部驱动器的电流大小来控制顶部驱动器传递至第一圆管的扭矩。
11.如权利要求7所述的方法，还包括在装配工序的过程中获得扭矩对转数的数据，并且分析该数据以便判定第一和第二圆管之间的螺纹连接是否是适当的连接的步骤。
12.如权利要求7所述的方法，还包括螺纹配合阶段，其包括将用于螺纹接合的第一圆管的螺纹部分与第二圆管的螺纹部分对准的步骤。
13.如权利要求12所述的方法，还包括初始拧螺纹阶段，其包括步骤设定预定的初始拧螺纹阶段的扭矩极限值；监测第一圆管的转动量；并且监测施加至第一圆管的扭矩，其中在没有超过初始拧螺纹阶段的扭矩极限值的情况下，当第一圆管已经旋转了预定量时，初始拧螺纹阶段完成。
14.如权利要求13所述的方法，还包括一主拧螺纹阶段，其包括步骤增加第一圆管的转速；并且将初始拧螺纹阶段的扭矩极限值增加至主拧螺纹阶段的扭矩极限值。
15.如权利要求14所述的方法，其中当控制器检测到与接近于主拧螺纹阶段的扭矩极限值的扭矩施加至第一圆管相关的第一圆管的转速降低时，主拧螺纹阶段完成。
16.如权利要求15所述的方法，还包括一最终拧螺纹阶段，其包括步骤在主拧螺纹阶段过程中，将施加至第一圆管的转速降低至转数设定值以下；并且将主拧螺纹阶段的扭矩极限值增加至最终拧螺纹阶段的扭矩极限值。
17.如权利要求16所述的方法，其中当达到最终拧螺纹阶段的扭矩极限值时，最终拧螺纹阶段完成。
18.如权利要求17所述的方法，还包括一拧紧阶段，其包括步骤设定一最终扭矩极限值；并且增量地增加该最终拧螺纹阶段的扭矩极限值直到达到最终的扭矩极限值。
19.如权利要求18所述的方法，其中当施加至第一圆管的扭矩达到最终扭矩极限值并且旋转终止时，该拧紧阶段完成。
20.一种在装配工序中使用顶部驱动器在第一圆管和第二圆管之间建立螺纹连接的方法，包括步骤提供一顶部驱动器；将第一圆管连接至该顶部驱动器；将一控制器可操作地连接至该顶部驱动器；将来自该控制器的指令信号传送至该顶部驱动器；响应该指令信号而产生扭矩和转速，该扭矩和转速在第一和第二圆管之间的装配工序过程中通过顶部驱动器施加至第一圆管；将来自该顶部驱动器的扭矩或转数反馈信号中的至少一个传送至控制器，其中控制器使用该反馈信号监测在装配工序过程中施加至第一圆管的扭矩或转数中的至少一个；启动螺纹配合阶段，其包括将用于螺纹连接的第一圆管的螺纹部分与第二圆管的螺纹部分对准的步骤；启动初始拧螺纹阶段，其包括步骤设定预定的初始拧螺纹阶段的扭矩极限值；监测第一圆管的转数，和监测施加至第一圆管的扭矩，其中在不超过初始拧螺纹阶段的扭矩极限值的情况下，当第一圆管已经旋转了预定量时，初始拧螺纹阶段完成；启动主拧螺纹阶段，其包括步骤增加第一圆管的转速，并且将初始拧螺纹阶段的扭矩极限值增加至主拧螺纹阶段的扭矩极限值，其中当控制器检测到与接近于主拧螺纹阶段的扭矩极限值的扭矩施加至第一圆管相关的第一圆管的转速降低时，主拧螺纹阶段完成；启动最终拧螺纹阶段，其包括步骤降低施加至第一圆管的所增加的转速，并且将主拧螺纹阶段的扭矩极限值增加至最终拧螺纹阶段的扭矩极限值，其中当达到最终拧螺纹阶段的扭矩极限值时，最终拧螺纹阶段完成；以及启动拧紧阶段，其包括步骤设定一最终扭矩极限值，并且增量地增加该最终拧螺纹阶段的扭矩极限值，直到达到最终的扭矩极限值，其中当施加至第一圆管的扭矩达到最终扭矩极限值并且旋转停止时，拧紧阶段完成，并且当拧紧阶段完成时，圆管之间的螺纹连接完成。
21.如权利要求20所述的方法，还包括步骤在装配工序的过程中得到扭矩对转数的数据；和分析该数据以便确定螺纹连接是否为适当的连接。
全文摘要
提供了一种用于在第一圆管(106)和第二圆管(114)之间建立螺纹连接的装配控制方法和系统(100)。该系统(100)包括连接至第一圆管(106)的顶部驱动器(101)和可操作地连接至该顶部驱动器的控制器(102)，该控制器向顶部驱动器发送至少一个指令信号。该顶部驱动器(101)产生扭矩和转速以便响应在装配工序过程中在第一和第二圆管之间至少一个施加至第一圆管(106)的指令信号。该顶部驱动器(101)还产生传送至控制器(102)的扭矩反馈信号，以使得控制器可监测在装配工序过程中施加至第一圆管(106)的扭矩和转速。当达到预定的扭矩极限值时，该控制器(102)终止装配工序。
文档编号E21B19/00GK1839243SQ200380110511
公开日2006年9月27日 申请日期2003年10月9日 优先权日2003年10月9日
发明者J·克拉西克, 汉斯·范赖津亨 申请人:瓦克I/P公司