专利名称：钻杆在线全自动压力矫直方法
技术领域：
本发明涉及一种机械技术领域的方法，具体是一种钻杆在线全自动压力矫直方法。
背景技术：
油气井钻杆是用于石油天然气钻探开采的重要工具。石油工业专用无缝钢管 一油井管包括钻柱构件(钻杆、钻铤等)和套管、油管。石油勘探开发的钻井作 业必须使用钻杆和钻铤，固井必须使用套管，采油必须使用油管。根据统计，油 井每钻进l米约需油井管62千克，其中套管48千克、油管10千克、钻杆3千 克、钻铤0.5千克。在油气钻探过程中，钻杆要承受巨大的轴向压力和扭矩，且 要求钻探深度达到数千米，这对于钻杆的直度提出了很高的要求。
钻杆是一种非等直径无缝钢管，两头经加厚工艺形成加厚端，热处理完成后 通过避让加厚端办法对管身进行斜辊矫直。斜辊矫直效率高且矫直效果好，但难 以保证管端附近的直度。这样就在斜辊矫直后补充压力矫直工艺针对管端矫直。 目前国内钻杆压力矫直主要还依靠经验手动操作压力矫直机进行矫直。
经对现有技术的文献检索发现，中国台湾专利(专利号TW338102-A)介绍
了一种轴类零件自动检测矫直系统。此系统包括检测机构、进给机构、矫直机构、 物料收集机构以及带有自学习功能的软件等部分。它可以自动检测轴件的直度误
差并在线矫直，矫直参数采用自学习的方法获得并用电机控制进给。此专利矫直 对象是轴件，由于引证的矫直机构是电机驱动，导致压迫矫直过程稳定性不足， 且不适合对大型工件矫直。自学习功能中的调整步长不能自由设定，也没有对自 学习区分为粗调和精调，可导致收敛过慢或者发散。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供一种钻杆在线全自动压力矫直方法，使其 基于压力矫直原理，实现了钻杆端部的在线全自动压力矫直，解决了钻杆端部直 度超差的问题。本发明利用激光位移传感器检测，压力传感器和位移传感器控制液压缸进给，结合动态知识库技术、自学习技术和模糊理论，达到了很高的矫直
精度和智能化水平。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括如下步骤
首先，用辊架传送钻杆并用光电开关精确定位到检测位，钻杆边旋转边用非
接触方法检测其直度。如检测合格则传送钻杆下料，若不合格则首先进行矫直策
略选择，确定矫直的策略，将钻杆准确定位到阶梯夹具中。
其次，在上位机的矫直参数动态知识库中提取矫直参数，即知道油缸须进给
多大行程。
再次，开始液压驱动油缸进给，利用利用矫直行程控制技术实现油缸行程的 精确控制，完成了一次矫直过程。
最后，矫直完成后进行复检，利用矫直参数自学习系统来自动调整、优化矫 直参数，确保随矫直次数的增加，矫直效果会越来越理想。
所述的矫直策略选择是以工程经验为基础，在检测指标有两个及两个以上 时，根据不同的检测结果，利用模糊自学习理论自动决策矫直方法，以实现矫直 一次能满足多个检测指标。
所述的阶梯夹具是将普通夹具替换成阶梯夹具，阶梯夹具同时具有夹持管身 和加厚端的能力，可使得矫直轴向位置更靠近管端。
所述的矫直参数动态知识库是指在上位机建立的一个动态知识库，用于存储 矫直参数信息。对于钻杆来说，不同外径、钢级、夹具开距、检测结果对应不同 的矫直进给量，但要用解析的方法势必导致公式过于复杂，且误差和可靠性未必 理想。故首先建立矫直进给量动态知识库，根据钻杆直度检测结果，通过动态知 识库提取相应的矫直参数。该动态知识库将随生产的进行而不断修正完善。
所述的矫直行程控制技术是指在油缸进给过程中，系统能够感知压头与钻杆 的接触，在通过检测系统捕捉到接触点后，压头将继续进给一个位移量，该位移 量是从动态知识库中获得的矫直进给量。这一功能是采用压力传感器感知油缸压 力，采用位移传感器感知油缸行程实现的。
所述的矫直参数自学习系统是基于自学习理论的矫直参数的调整和优化。矫 直参数的调整无须人工参与，通过自动试矫来不断优化参数，使得矫直能保证较 高的一次成功率。
与现有技术相比，本发明基于压力矫直原理，具有显著的优点(l)使用普 通夹具必须避让加厚端，在较靠后的位置进行矫直。这样经常出现"直处压弯， 弯处亦弯"S型钻杆。选用了阶梯夹具，结合准确定位，则可真正将弯处矫直；
(2)矫直策略选择、矫直动态参数库以及矫直自学习系统将全部的矫直工艺信 息参数化，并自动选择、调整，改变了原先仅凭借操作人员的经验矫直的情况， 消除了人为因素，统一了工艺，产品更具有一致性。(3)更加智能的矫直参数自 学习算法。自学习步长可以人工设定，并自动根据粗调和微调改变补偿，解决了 参数的稳定性问题和收敛的快速性问题。(4)整个系统有较高的精度和生产节拍。
钻杆轴向定位精度lmm，周向定位精度5。，矫直行程定位精度0. 2mm。生产节 拍平均2min/根，视钻杆的规格和初始直度的不同有一定差异。
图l为钻杆示意图，其中(a)钻杆左端，(b)钻杆右端；
图2为矫直装置示意图，其中l.阶梯夹具，2.油缸压头，3.位移传感器， 4.进油回路，5.压力传感器，6.出油回路。
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案
为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于 下述的实施例。
如图l所示钻杆示意图，(a)为钻杆左端，(b)为钻杆右端。在加厚端容易 形成"晃头"直度缺陷，在加厚端附近，斜辊矫直盲区易产生"盲区"直度缺陷。 在本实施例利用三点反弯原理，针对晃头和盲区进行矫直。首先钻杆到检测位， 检测系统运行并利用激光位移传感器检测出钻杆的直度偏差角度和偏差量并传 递给矫直系统。 一对支撑夹具相距一定距离，钻杆靠在其上并夹紧，中点液压油
缸进给，压迫钻杆将其矫直。具体涉及的技术内容
1.矫直策略选择
对于晃头、盲区两个检测指标，根据实际情况需要，设定记晃头和盲区检测
值分别为A和B，结果分为合格(A〈2腿，B〈1. 2mm)、超标不多(A<2. 5mm， B<1. 8mm)、 超标较多(A〉2.5mm或B〉1.8mm)，盲区也同样，这样就有共9种组合。矫直策略 有如下三种依单一晃头指标矫直(即矫直相位取晃头检测偏心相位，矫直量按晃头检测结果从数据库提取)；依单一盲区指标矫直；综合晃头盲区指标矫直(定 义两个权重参数，综合矫直相位和矫直量就是分别的矫直相位和矫直量的加权平 均)。权重参数通过自学习获得。
2. 阶梯夹具
如图2所示，阶梯夹具1分为高低不同的两部分(类似阶梯状)， 一部分用 于夹持加厚端(晃头)， 一部分夹持管身，将钻杆轴向移动，利用激光位置传感 器定位，使得钻杆加厚段刚好夹持在阶梯夹具1低的部分，另一夹具则利用高的 部分夹持管身。这样能有效地对钻杆实际弯曲部分进行矫直。
3. 矫直参数动态知识库
在上位机中以文本文件的形式建立一个数据库，来存储所有的矫直参数。对 于不同外径、钢级、壁厚以及直度检测结果的组合对应不同的矫直进给量。生产 前在上位机人机界面中输入这批次钻杆的外径、钢级、壁厚，根据检测结果从数 据库中提取需要的进给量参数。数据库内的参数可以在人机界面中修改、保存。 关于数据库动态性的主要表现在它的自学习功能，详见具体实施方式
4。
4. 矫直行程控制技术
如图2所示，在可编程控制器PLC中设定一个接触压力域值，当油缸压头2 与钻杆接触时，进油回路4和出油回路6的压力会有显著的上升，用压力传感器 5检测压力。认为压力超过此域值时，油缸压头2与钻杆表面已经接触，此时位 移传感器3探针位置作为起始零点，探针到达给定行程(矫直进给量参数)后油 缸停止进给并保压，随后回退。同时，利用压力传感器5和位移传感器3进行液 压系统的压力的过压保护和超程保护，避免损坏产品和设备。
5. 矫直参数自学习技术
指基于自学习的矫直量的调整和优化。对于一种规格的钻杆，将直度检测结 果(偏心量)分为多个区间，每个区间对应一个矫直进给量。钻杆压矫后进行复 检，根据复检后检测点的偏心相位来判断前一次的矫直进给量取值是否偏大或偏 小。如果相位在0。附近(-30° —+30° )认为进给量偏小，如果相位在180° 附近，认为进给量偏大。对于偏大的进给参数，将本区间所对应矫直进给量减小 一个步长，反之增加一个步长。
在每批次钻杆的前3次检测矫直釆用快速自学习，即选用较大的调整歩长，
此后采用普通自学习并选用较小的调整步长。另外由于不希望进给量过大的情况 出现，可以对进给量过大(相位在180度附近)的情况取较大的调整步长。
实施例
本实施例选用钻杆规格外径127mm，钢级G105，壁厚9. 19mm，环境温度 20度，钻杆温度20度，矫直方式为两端部矫直。检测指标管端30腿处跳动 量小于2mm，管端366mm处跳动量小于1. 2mm。初始矫直参数均为6mm，通过一 个小时的参数自学习。实际生产一个班，实施效果对比
本实施例钻杆全部符合检测要求，生产节拍2分钟/根。压矫后钻杆表
面完好，能有效地针对弯曲部分矫直。
传统方法有少量钻杆不符合检测要求，生产节拍3分钟/根。个别钻杆 因进给量过大将型面破坏，基本都没有针对弯曲部分矫直，而是将钻杆压成s 型。
权利要求
1.一种钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征在于，包括如下步骤首先，用辊架传送钻杆并用光电开关定位到检测位，钻杆边旋转边用非接触方法检测其直度，如检测合格则传送钻杆下料，若不合格则首先进行矫直策略选择，确定矫直的策略，将钻杆准确定位到阶梯夹具中；其次，在上位机的矫直参数动态知识库中提取矫直参数，即知道油缸须进给多大行程；再次，开始液压驱动油缸进给，利用利用矫直行程控制技术实现油缸行程的精确控制，完成了一次矫直过程；最后，矫直完成后进行复检，利用矫直参数自学习系统来自动调整、优化矫直参数。
2. 如权利要求l所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所述的 矫直策略选择是指在检测指标有两个及两个以上时，根据检测结果，利用模糊 自学习理论自动决策矫直方法，以实现矫直一次能满足多个检测指标。
3. 如权利要求1或2所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所 述的矫直策略选择是指对于晃头、盲区两个检测指标，设定记晃头和盲区检测 值，结果分为合格、超标不多、超标较多，盲区也同样，这样就有共9种组合； 矫直策略有如下三种依单一晃头指标矫直，即矫直相位取晃头检测偏心相位， 矫直量按晃头检测结果从数据库提取；依单一盲区指标矫直；综合晃头盲区指标 矫直，定义两个权重参数，综合矫直相位和矫直量就是分别的矫直相位和矫直量 的加权平均，权重参数通过自学习获得。
4. 如权利要求1所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所述的 阶梯夹具是同时具有夹持管身和加厚端的能力，使得矫直轴向位置更靠近管端。
5. 如权利要求1或4所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所 述的阶梯夹具，分为高低两阶梯部分， 一部分用于夹持加厚端， 一部分夹持管身， 将钻杆轴向移动，利用激光位置传感器定位，使钻杆加厚段刚好夹持在夹具低的 部分，另一夹具则利用高的部分夹持管身。
6. 如权利要求1所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所述的矫直参数动态知识库是指在上位机中以文本文件的形式建立一个数据库，来存储 所有的矫直参数，对于不同外径、钢级、壁厚以及直度检测结果的组合对应不同 的矫直进给量，生产前在上位机人机界面中输入这批次钻杆的外径、钢级、壁厚， 根据检测结果从数据库中提取需要的进给量参数，数据库内的参数通过人机界面 修改、保存，数据库具有自学习功能。
7. 如权利要求l所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所述的 矫直行程控制技术是指在油缸进给过程中，系统能够感知压头与钻杆的接触，在 通过检测系统捕捉到接触点后，压头将继续进给一个位移量，该位移量是从动态 知识库中获得的矫直进给量。
8. 如权利要求1或7所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所 述的矫直行程控制技术，是指在可编程控制器PLC中设定一个接触压力域值，当 压头与钻杆接触时，压力超过此域值时，压头与钻杆表面已经接触，此时位移传 感器探针位置作为起始零点，探针到达给定行程后油缸停止进给并保压，随后回 退，同时，利用压力传感器和位移传感器进行液压系统的压力的过压保护和超程 保护。
9. 如权利要求l所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所述的 矫直参数自学习系统，是指基于自学习的矫直量的调整和优化，对于一种规格的 钻杆，将直度检测结果分为多个区间，每个区间对应一个矫直进给量，钻杆压矫 后进行复检，根据复检后检测点的偏心相位来判断前一次的矫直进给量取值是否 偏大或偏小，如果相位在0。附近认为进给量偏小，如果相位在18(T附近，认 为进给量偏大，对于偏大的进给参数，将本区间所对应矫直进给量减小一个步长， 反之增加一个步长。
10. 如权利要求1或9所述的钻杆在线全自动压力矫直方法，其特征是，所 述的矫直参数自学习系统，在每批次钻杆的前3次检测矫直采用快速自学习，即 选用粗调调整步长，此后采用普通自学习并选用精调调整步长。
全文摘要
一种机械技术领域的钻杆在线全自动压力矫直方法，包括如下步骤首先，用辊架传送钻杆并用光电开关精确定位到检测位，钻杆边旋转边用非接触方法检测其直度，如检测合格则传送钻杆下料，若不合格则首先进行矫直策略选择，确定矫直的策略，将钻杆准确定位到阶梯夹具中；其次，在上位机的矫直参数动态知识库中提取矫直参数，即知道油缸须进给多大行程；再次，开始液压驱动油缸进给，利用利用矫直行程控制技术实现油缸行程的精确控制，完成了一次矫直过程；最后，矫直完成后进行复检，利用矫直参数自学习系统来自动调整、优化矫直参数。本发明实现了钻杆端部的在线全自动压力矫直，解决了钻杆端部直度超差的问题。
文档编号B21D3/00GK101195135SQ20071017188
公开日2008年6月11日 申请日期2007年12月6日 优先权日2007年12月6日
发明者轮 时, 王海丽, 胡德金, 许黎明, 魏臣隽 申请人:上海交通大学