一种自动控制钻机作业的推进器系统及控制方法与流程

本发明涉及煤矿机械领域，具体涉及一种自动控制钻机作业的推进器系统及控制方法。

背景技术：

随着科学技术的进步，钻探工程设备的技术水平也进入了快速发展的阶段，钻探工程设备能够代替人工进行煤矿井下钻探作业。目前现有技术中已经实现了通过机械手和钻杆箱内钻杆进行配合抓取的方式进行自动上钻和自动打钻，其自动化程度正在逐步提升。

然而，现有技术中存在一个问题在于，自动控制钻进设备当有机械手从固定位置送入钻杆实现设备连续自动作业时，于机械手配合进行钻杆送入的回转机构其位置精度难以控制。在机械手每次送入钻杆或回收钻杆时回转机构应该停在固定位置，而在设备施工时由于钻孔角度的存在大角度钻进或垂直钻进情况，而回转机构自身重量与回转机构前端钻杆重量的叠加使回转机构的停止位置控制受到较大影响，尤其是使用液压油缸推进实现回转机构往复运动的运动，由于液压惯性问题导致回转机构制动存在延迟，导致回转减速机的停止位置存在偏差，特别是在回转机构自重较大、前端钻杆较多、钻孔角度较大、回转机构快速后退时，回转机构停止位置偏差更大。若在推进油缸处增加液压锁，回转机构在进行钻杆丝扣连接时会对钻杆螺纹产生较大破坏，因此无法使用液压锁对推进油缸进行制动。

技术实现要素：

为解决现有技术中的技术问题，本发明提供一种自动控制钻机作业的推进器系统及控制方法，该方法通过对回转减速机的推进油缸进行提前制动、增加回油被压、进行偏差补偿等技术手段实现对回转机构位置的准确定位。

根据本发明的一个方面，一种自动控制钻机作业的推进器系统包括：推进器，液压油缸，驱动推进器移动的液压马达，用于控制推进器移动方向的控制阀组，包括有角度传感器和位移传感器的钻机，以及用于接收角度传感器和位移传感器参数并进行计算的处理器；所述处理器根据角度传感器和位移传感器传输的参数对推进器的控制阀组发送控制信号，所述控制阀组根据所述控制信号控制推进器进行位置调整。

进一步可选的，所述控制阀组包括控制推进器移动方向的y型阀和设置在所述液压油缸回油管路中的限制阀，所述限制阀使液压油缸停止后可以制动。

进一步可选的，所述限制阀包括单向电磁阀、液控单向阀和抗衡阀等。

进一步可选的，所述推进器包括回转机构和导轨，所述回转机构与导轨之间安装有位移传感器，所述位移传感器为全段位移传感，其两端固定在所述导轨上，全段位移传感的磁环固定在所述回转机构上；所述导轨上设置有角度传感器以感知导轨与地面的夹角，所述位移传感器和角度传感器的输出端通过有线形式与处理器的输入端连接。

进一步可选的，所述处理器的输出端通过有线形式与所述控制阀组连接，所述处理器中预设有所述回转机构的起点位置与终点位置。

根据本发明的另一个方面，一种自动控制钻机作业的推进器的控制方法，其特征在于，包括：推进器在打钻过程中达到处理器中预设的终点位置，执行退钻操作；推进器后退的过程中，通过角度传感器和位移传感器获取推进器的位移参数和角度参数，将其传输至处理器；处理器的物体运动模型预设有测定位置，当所述推进器到达所述测定位置时，所述处理器根据所述位移参数和角度参数，通过物体运动模型计算推进器供压方向以及供入压力值，形成控制信号；所述控制阀组接收所述控制信号后进行推进器控制，推进器停止到预设的起点位置。

进一步可选的，所述物体运动模型为：

其中，m为推进器的质量，通过位移传感器采集到回转机构m距离起点位置的距离l；通过固定的相对位置变化及时间计算出回转机构停止前的相对速度v；角度传感器采集回转机构移动时的导轨与地面的夹角a；g为推进器的重力；μ为摩擦系数，f1为推力；所述供入压力值的计算方式如下：f1＝p×s；其中，p为推进器的功率，s为液压油缸的活塞面积。

进一步可选的，所述处理器根据所述位移参数和角度参数，通过物体运动模型计算推进器供压方向以及供入压力值，形成控制信号的步骤还包括：

处理器通过物体运动模型计算使得推进器以测定位置的位移参数和角度参数停止到所述预设的起点位置所需的供入压力值，形成控制信号，控制推进器停止；

位移传感器检测推进器的停止位置，判断推进器是否返回到预设的所述起点位置；

若否，则所述处理器根据所述推进器的停止位置确定供压方向及供入压力值，使推进器移动至预设的所述起点位置。

本发明的有益效果在于：

1.本发明所提出的技术方案中，其液压油缸能够实现自动提前制动。处理器根据位移传感器反馈的参数，在推进油缸运动时对回转机构或油缸的伸缩端位置进行判断，当回转机构后退至距离停止位置一定距离时停止，使回转机构处于浮动状态，且回转机构后退速度将快速下降；

2.本发明的技术方案能够实现自动偏差补偿：回转机构前后运动时通过位移传感器对回转机构运动位置进行实时监控，当回转机构推进油缸停止后判断回转机构的是否在预设的起点位置，若与起点位置存在偏差时，可通过重新对推进油缸进行低速控制，使回转机构运动到固定位置并制动。

3.本发明的技术方案增加回油被压：在需要回转机构停止时单纯的切断推进油缸进出油路无法实现对油缸的制动，通过在液压油缸中引入限制阀，以限制液压油缸回油侧的油路，进而对推进油缸进行制动。

附图说明

图1示出了本发明提出的自动控制钻机作业的推进器的控制方法的物体运动模型；

具体实施方式

现在将参照若干示例性实施例来论述本发明的内容。应当理解，论述了这些实施例仅是为了使得本领域普通技术人员能够更好地理解且因此实现本发明的内容，而不是暗示对本发明的范围的任何限制。

如本文中所使用的，术语“包括”及其变体要被解读为意味着“包括但不限于”的开放式术语。术语“基于”要被解读为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”和“一种实施例”要被解读为“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”要被解读为“至少一个其他实施例”。

实施例1

如图1所示出的内容，本实施例将对技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本实施例公开一种自动控制钻机作业的推进器系统，其主要包括：

推进器，其主要由回转机构和导轨组成。回转机构与导轨之间安装有位移传感器，位移传感器为全段位移传感，在本实施例中优选地使用高精度毫米级磁滞伸缩位移传感器。该位移传感器的两端固定在导轨上，全段位移传感的磁环固定在回转机构上；当回转机构沿导轨滑动时，磁环相对于传感器杆体的位置变化转化为电信号实时传入处理器，由处理器实时采集回转机构的位置。

导轨上还设置有角度传感器以感知导轨与地面的夹角，当钻机的推进器寻找打孔位置时，导轨需要不停变换角度；当打孔位置确定之后，通过角度传感器能够感应导轨与地面之间的夹角，形成电信号作为输出通过有线形式传入处理器，由处理器实施采集回转机构与地面的角度。位移传感器和角度传感器的输出端可以通过有线或无线的形式与处理器的输入端连接

推进器系统还包括：液压油缸，驱动推进器转动的液压马达以及用于控制推进器移动方向的控制阀组以及限制阀。液压油缸活塞杆的自由端与动力头连接，限制阀设置在液压油缸的活塞杆腔进油回路上，并且限制阀的反向进油口与液压油缸中活塞杆腔的进出油口连通，控制阀组中的进油口ⅰ与进油口ⅱ分别与液压马达的反转回路以及推进油缸活塞腔进油回路连接，控制阀组的出油口与限制阀的控制口连通形成控制油路。控制阀组包括控制推进器移动方向的y型阀和设置在液压油缸回油管路中的限制阀，限制阀使液压油缸停止后可以制动。限制阀包括单向电磁阀、液控单向阀和抗衡阀等。液压油缸的控制阀组采用y型阀，当阀处于中位时推进油缸进出油口沟通，使油缸处于浮动状态，满足回转机构连接丝扣的需求。在推进油缸后退时的回油管路中增加限制阀，使液压油缸停止后可以制动，避免因重力作业继续下滑。

由控制阀组通过控制油路来控制限制阀两端的油液能否自由流动，进而控制推进器，防止其因为自由落体的影响下滑；当控制阀组中没有油液进入，也就使得液控单向阀的控制油路中没有压力油，从而使得油液不能从活塞杆腔中流出并在液控单向阀两端自由流动，此时的推进器就无法后退，因此推进器就不会出现因自身重力或其他因素影响而下滑的情况，并且推进器可以停止在任何一个位置。

推进器系统还包括处理器，该处理器根据角度传感器和位移传感器传输的参数对推进器的控制阀组发送控制信号，控制阀组根据所述控制信号控制推进器进行位置调整。处理器中预设有推进器的回转机构起点位置与终点位置，同时包括有物体运动模型，用于计算控制阀组的供压方向和供入压力值。

本实施例的有益效果在于：

本实施例所提出的技术方案中，其液压油缸能够实现自动提前制动。处理器根据位移传感器反馈的参数，在推进油缸运动时对回转机构或油缸的伸缩端位置进行判断，当回转机构后退至距离停止位置一定距离时停止，使回转机构处于浮动状态，且回转机构后退速度将快速下降；

本实施例的技术方案增加回油被压：在需要回转机构停止时单纯的切断推进油缸进出油路无法实现对油缸的制动，通过在液压油缸中引入限制阀，以限制液压油缸回油侧的油路，进而对推进油缸进行制动。

实施例2

如图1所示出的内容，本实施例将对技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例只是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本实施例公开一种自动控制钻机作业的推进器的控制阀方法，其主要包括：

为了实现对回转机构位置的实时、准确检测，本实施例中在回转机构与导轨之间安装位移全段位移传感器，优选的采用高精度毫米级磁滞伸缩位移传感器，传感两端固定在导轨上，磁环固定在回转机构上，通过有线形式与处理器连接，并在处理器中预设回转机构的起点位置与终点位置。当回转机构沿导轨滑动时，磁环相对于传感器杆体的位置变化转化为电信号实时传入处理系统，由处理系统实时采集回转机构的位置。

处理器中提前预设推进器的起点位置及终点位置，该终点位置即指推进器在不同状态时，例如在打钻过程中打钻结束需要停止的位置；该起点位置即指推进器为配合机械手上钻，需要退回到初始设定的位置。当推进器需要后退时，控制阀组供油使回转机构快速后退，位移传感器实时判断回转机构位置，同时通过固定的相对位置变化及时间计算出回转机构停止前的相对速度v。导轨中的角度传感器采集回转机构移动时的导轨与地面的夹角a，形成如图1所示的物体运动模型。

通过位移传感器采集到的推进器m距离测定位置的距离l、推进器m当前的移动速度v、导轨与地面的夹角a，通过以下物体运动模型进行第一次计算，得出当推进器的反向供入压力值p1或变动压力值p2，由此使得推进器在预设的起点位置停止。油缸所需提供的推力f1通过下列公式计算，其中μ为摩擦系数。

通过计算出的使得推进器停在起点位置所需要的推力，反向推出此时油缸应提供的供入压力值，其计算公式为：

p＝f1/s；

其中，p为液压油缸需供入压力值，即液压油缸需供油压力，s为液压油缸的活塞面积。

由此形成控制信号，对推进器进行控制。

当推进器停止之后，位移传感器测量推进器的停止位置。当推进器到达预设的起点位置时，位移传感器将信号发送给处理器，处理器驱动液压阀关闭。此时限制阀实施动作，对油缸回油管路进行限制，对回转机构进行制动。防止回转机构因自身重力或其他因素影响而下滑的情况。

由于存在机械惯性或数据传输延迟的等无法避免的情况，推进器的停止位置可能位于起点位置之前或者之后。此时位移传感器能够将推进器的具体位置反馈给处理器。当出现回转机构的停止位置与起点位置存在一定偏差时，通过位移传感器检测推进器的停止位置属于未超过预设的起点位置状态还是属于已超过起点位置状态；

若属于未超过预设的起点位置状态，此时处理器判定供压方向为正向供压，通过计算停止位置与预设的起点位置之间的距离l，进行第二次物体运动模型的计算，得到正向供入压力值，形成控制信号对推进器进行控制，使其回到预设的起点位置；

若属于已超过预设的起点位置状态，此时处理器判定供压方向为反向供压，通过计算停止位置与预设的起点位置之间的距离l，进行第二次物体运动模型的计算，得到反向供入压力值，形成控制信号对推进器进行控制，使其回到预设的起点位置；将该步骤中的正向供入压力值或反向供入压力值形成的控制信号均为驱动控制阀组小量打开，回转机构微动，直至移动到准确位置后方可进行下一动作。

本实施例的技术方案能够实现自动偏差补偿：回转机构前后运动时通过位移传感器对回转机构运动位置进行实时监控，当回转机构推进油缸停止后判断回转机构的是否在预设的起点位置，若与起点位置存在偏差时，可通过重新对推进油缸进行低速控制，使回转机构运动到固定位置并制动。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

应理解，本发明的发明内容及实施例中各步骤的序号的大小并不绝对意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。