一种数字化钻机
阅读：1026发布：2020-08-30
专利汇可以提供一种数字化钻机专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种数字化钻机，包括用于给 钻杆 提供钻进动 力 的动力头，所述钻机上设置有 控制器 ，所述动力头上设置有可以测量动力头往复运动时前进和后退位移的位移 传感器 ，所述位移传感器的输出端与控制器电联接，所述控制器通过采集动力头上的位移传感器 信号 从而计算出钻孔深度。本实用新型结构简单，使用方便，能有效杜绝因钻工人为因素造成的施工钻孔深度与设计孔深不符的现象，且不需要额外的监督人员和 监控系统 ，施工效率高，自动化程度高，极大地提高了 煤 炭企业的经济效益。，下面是一种数字化钻机专利的具体信息内容。
1.一种数字化钻机，包括用于给钻杆提供钻进动力的动力头，其特征在于：所述钻机上设置有控制器，所述动力头上设置有用于测量动力头往复运动时前进和后退位移的位移传感器，所述位移传感器的输出端与控制器电联接，所述控制器通过采集动力头上的位移传感器数据计算出钻孔深度;
在所述动力头上设置有用于卡紧钻杆的卡盘，所述卡盘上设置有用于判断卡盘卡紧或松开状态的卡盘传感器，所述卡盘传感器的输出端与所述控制器电联接;
所述卡盘传感器为压力传感器，所述卡盘上的压力传感器连接在所述动力头卡盘的工作油管上，所述卡盘压力传感器将所测得的卡盘夹持压力转变为电信号后传递到控制器。
2.根据权利要求1所述的一种数字化钻机，其特征在于：所述数字化钻机还包括设置在所述动力头前方的用于装卸钻杆时卡紧钻杆的夹持器，所述夹持器上设置有用于判断夹持器夹持或松开状态的传感器，所述夹持器上的传感器输出端与所述控制器电联接。
3.根据权利要求2所述的一种数字化钻机，其特征在于：所述的夹持器上的传感器为压力传感器，所述夹持器压力传感器连接在所述夹持器的工作油管上，所述夹持器压力传感器将所测得的夹持器的夹紧压力转变为电信号后传递到控制器。
4.根据权利要求3所述的一种数字化钻机，其特征在于：所述动力头通过给进油缸和起拔油缸驱动，所述给进油缸和起拔油缸的工作油管上分别设有开关传感器，所述开关传感器与控制器电联接，当起拔油缸或给进油缸向动力头供油时触发开关传感器时，控制器开始采集位移传感器数据。
5.根据权利要求4所述的一种数字化钻机，其特征在于：所述的开关传感器为压力传感器开关或流量传感器开关，所述压力传感器开关或流量传感器开关将所测得数据转变为电信号后传递到控制器。
6.根据权利要求5所述的一种数字化钻机，其特征在于：所述的数字化钻机还包括与所述控制器电联接的用于显示钻孔深度的显示器。
7.根据权利要求5所述的一种数字化钻机，其特征在于：所述的数字化钻机还包括与所述控制器电联接的用于存储控制器数据的存储器。
一种数字化钻机
技术领域
背景技术
[0002] 煤矿井下瓦斯治理的常规措施为施工抽采钻孔进行瓦斯抽采，从而降低煤层瓦斯含量。由于需要控制的煤层面积大，意味着需要施工大量的抽采钻孔，因此能否保质保量的施工合格的抽采钻孔成为影响瓦斯抽采效果的重要因素。现有的瓦斯抽采钻孔施工一般由2—3名钻工在钻场内向煤岩层打钻，通过数出钻孔内钻杆的数量再乘以单根钻杆的长度得出所施工钻孔的深度。此种方法严重受限于钻工的自身素质，存在个别钻工通过多数钻杆从而将深度不够的钻孔冒充已施工至设计孔深的“打假钻”现象，为煤矿瓦斯治理留下严重的安全隐患。为杜绝施工假钻现象，现有矿井一般通过在钻场内安装视频监控系统，施工完成后退出钻孔内钻杆，结合地面监控视频，由现场施工人员数出钻杆数量再乘以标准钻杆的长度进而计算出孔深，此种方法需要额外的视频监控系统，人力和监管成本高，不便于管理，自动化能力低，影响施工效率，严重影响煤企经济效益，同时也不符合国家鼓励创建数字化智慧矿山的方针。为此需要发明一种更具智能化的矿山钻机。
发明内容
[0003] 本实用新型的目的是提供一种数字化钻机，以解决现有技术中钻孔施工效率低、自动化能力低、施工成本高、不便于管理和影响煤炭企业经济效益的问题。
[0004] 为了实现上述目的，本实用新型一种数字化钻机的技术方案是：
[0005] 一种数字化钻机，包括用于给钻杆提供钻进动力的动力头，所述钻机上设置有控制器，所述动力头上设置有用于测量动力头往复运动时前进和后退位移的位移传感器，所述位移传感器的输出端与控制器电联接，所述控制器通过采集动力头上的位移传感器数据计算出钻孔深度。通过在动力头上安装位移传感器，当动力头驱动钻杆钻进或后退时，位移传感器记录下动力头的给进或后退位移量，与位移传感器电联接的控制器通过采集钻孔施工过程中钻杆每次钻进和后退位移量逻辑计算得出所施工的钻孔深度。
[0006] 本实用新型的有益效果是：通过在钻机动力头位置设置位移传感器，钻孔施工过程中位移传感器随钻杆一起往复运动，控制器通过采集位移传感器记录的前进和后退位移量，通过逻辑计算即得出钻孔的钻进深度。本实用新型结构简单，使用方便，能有效杜绝因钻工人为因素造成的施工钻孔深度与设计孔深不符的现象，且不需要额外的监督人员和监控系统，施工效率高，自动化程度高，极大地提高了煤炭企业的经济效益。
[0007] 更进一步的，在所述动力头上设置用于卡紧钻杆的卡盘，所述卡盘上设置有用于判断所述卡盘卡紧或松开状态的卡盘传感器，所述卡盘传感器的输出端与所述控制器电联接。动力头驱动钻杆钻进的过程中需要同时给钻杆提供扭矩和给进力，这要求动力头需要紧紧夹持住钻杆而不能发生相对滑动；而当出现卡钻、抱钻或其他需要改变动力头在钻杆上的夹持位置时，此时动力头卡盘需要松开钻杆从而沿钻杆轴向与钻杆发生相对位移，由于此时动力头卡盘没有夹紧钻杆，钻杆实际上并没有钻进，但动力头依然可能会产生给进或后退位移量，使控制器计算的钻孔深度产生较大误差。由于此时动力头上的位移传感器所记录的给进量是无效位移量，故控制器在计算钻孔深度时可通过判断动力头卡盘的卡紧状态从而将卡盘处于松开状态下的无效位移量数据剔除，最终所求得的才是更为准确的钻孔深度。
[0008] 更进一步的，所述卡盘传感器为压力传感器，所述卡盘上的压力传感器连接在所述动力头卡盘的工作油管上，所述卡盘压力传感器将所测得的卡盘夹持压力转变为电信号后传递到控制器。通过在动力头卡盘上的工作油管上设置压力传感器，通过测得动力头卡盘工作油管中液压油的压力，将油压力以电信号的形式传递至控制器，控制器计算出动力头卡盘的夹持力，通过将计算出的动力头卡盘夹持力与动力头卡盘预设夹持力对比，当计算出的动力头卡盘夹持力大于或等于动力头卡盘预设夹持力时，控制器逻辑判断动力头卡盘夹紧钻杆，计算出的动力头卡盘夹持力小于动力头卡盘预设夹持力时，控制器逻辑判断动力头卡盘松开，没有夹紧钻杆，从而判断出动力头卡盘的夹持状态。
[0009] 更进一步的，所述数字化钻机还包括设置在所述动力头前方的用于装卸钻杆时卡紧钻杆的夹持器，所述夹持器上设置有用于判断夹持器夹持或松开状态的传感器，所述夹持器上的传感器输出端与所述控制器电联接。通过在夹持器上设置用于判断夹持器夹持或松开状态的传感器，从而判断出夹持器的夹持状态。控制器通过对动力头卡盘和夹持器的夹持状态分析，从而逻辑判断出钻机所处的工作状态，当动力头卡盘夹紧钻杆而夹持器松开时，说明钻机处于钻杆钻进或起拔钻杆状态，位移传感器记录的位移量为有效位移量，在计算钻孔深度时应将该有效位移量数据计算在内；当动力头卡盘和夹持器均处于夹紧状态或均处于松开状态或动力头松开而夹持器夹紧时，说明此时钻杆并未钻进或起拔钻杆，此时位移传感器记录的位移量属无效位移量，在计算钻孔深度时应将无效位移量数据剔除。
[0010] 更进一步的，所述的夹持器上的传感器为压力传感器，所述夹持器压力传感器连接在所述夹持器的工作油管上，通过测得夹持器工作油管中液压油的压力，将油压力以电信号的形式传递至控制器，控制器计算出夹持器的夹持力，通过将计算出的夹持器的夹持力与夹持器预设夹持力对比，当计算出的夹持器夹持力大于或等于夹持器预设夹持力时，控制器逻辑判断夹持器夹紧钻杆，计算出的夹持器夹持力小于动力头卡盘预设夹持力时，控制器逻辑判断夹持器松开，没有夹紧钻杆，从而判断出夹持器的夹持状态。
[0011] 更进一步的，所述动力头通过给进油缸和起拔油缸驱动，所述给进油缸和起拔油缸的工作油管上分别设有开关传感器，所述开关传感器与控制器电联接，当起拔油缸或给进油缸向动力头供油时触发开关传感器时，控制器开始采集位移传感器数据。通过在给进油缸和起拔油缸上设置传感器开关，使之只有当给进油缸或起拔油缸向动力头供油时，也即只有在动力头在钻机上发生位移时，控制器才开始采集位移传感器上的位移数据，从而避免了将那些动力头未发生给进或后退而仅仅因机械振动造成的动力头的小幅位移量纳入钻孔深度的计算中，大大减少了程序需要进行逻辑判断的数据量，提高了孔深测量的精确性。
[0012] 更进一步的，所述的开关传感器为压力传感器开关或流量传感器开关，所述压力传感器开关或流量传感器开关将所测得的数据转变为电信号后传递到控制器。在给进油缸和起拔油缸上设置压力传感器开关或流量传感器开关，通过测得给进油缸和起拔油缸向动力头注入液压油的流量或压力，从而使控制器只在动力头发生给进或后退时才开始采集位移传感器记录的数据。
[0013] 更进一步的，所述的数字化钻机还包括一个与所述控制器电联接的用于显示钻孔深度的显示器。通过在钻机上设置实时数出钻孔深度数据的显示器，方便工作人员随时读取钻孔深度。
[0015] 图1为本实用新型的结构示意图；
具体实施方式
[0017] 本实用新型一种数字化钻机的实施例如图1至图2所示。该数字化钻机包括用于夹持和驱动钻杆6在钻机上沿钻杆轴向往复运动的动力头2和设置在动力头2前方的在接换钻杆时用于夹持钻杆的夹持器7，动力头2通过动力头上的卡盘5夹紧钻杆6，钻进时动力头通过给进油缸驱动钻杆6进给，退钻时动力头通过起拔油缸驱动钻杆6退钻，在给进油缸的工作油管上设置有给进油缸流量开关传感器3，起拔油缸的工作油管上设置有起拔油缸流量开关传感器4。在本实施例中给进油缸流量开关传感器3和起拔油缸流量开关传感器4构成开关传感器，在其他实施例中开关传感器也可为压力传感器开关。动力头2上设有可测量动力头2前进和后退位移量的位移传感器1，位移传感器1的输出端电联接有PLC控制器8，PLC控制器8还与给进油缸流量开关传感器3和起拔油缸流量开关传感器4电联接，同时，PLC控制器8的输出端电联接有显示器9和数据存储器10，显示器用于实时显示钻孔深度，方便工作人员实时查看孔深，存储器用于记录存储数据，方便工作人员备份存档数据和打印。
[0018] 当动力头2驱动钻杆进给时，高压液压油从给进油缸流经给进油缸流量开关传感器3进入动力头，此时，给进油缸流量开关传感器3测得给进油缸工作油管中的液压油流量变化并将信号传递到PLC控制器8，PLC控制器8开始采集位移传感器1记录的位移数据。
[0019] 当动力头2驱动钻杆退钻时，高压液压油从起拔油缸流经起拔油缸流量开关传感器4进入动力头，此时，起拔油缸流量开关传感器4测得起拔油缸工作油管中的液压油流量变化并将信号传递到PLC控制器8，PLC控制器8开始采集位移传感器1记录的位移数据。
[0020] 当动力头2停止进给或后退时，高压液压油不再从起拔油缸或给进油缸注入动力头，给进油缸流量开关传感器3和起拔油缸流量开关传感器4测得液压油流量不再变化并将信号传递到PLC控制器8，PLC控制器8停止采集。
[0021] PLC控制器8将每次采集到的位移量数据通过逻辑判断计算得到在整个钻孔施工过程中钻杆前进的总位移量，也即孔深。在该过程中，给进油缸流量开关传感器3和起拔油缸流量开关传感器4起到启动孔深测量程序开关的作用，即只有在动力头发生进给或后退位移时，PLC控制器8才开始采集位移传感器1记录的位移数据，尽量减少在使用过程中因机械振动造成位移传感器记录的无效位移数据，从而提高测量精确度。
[0022] 考虑到可能存在的钻机空转及接换钻杆等工况，此时钻杆虽然没有实际进给和后退，但动力头2仍然发生有位移，PLC控制器8仍然采集有位移传感器1记录的动力头位移量，此位移量属于无效位移量，如果PLC控制器8不加区分的将该部分数据计入钻孔深度，那测得的钻孔深度将存在较大误差。为消除本部分误差，PLC控制器8将每次采集到的位移量数据在进行计算孔深时需先进行逻辑判断，即将动力头驱动钻杆向煤岩层钻进时动力头产生的进给位移量逻辑判断为有效给进位移量，记为正值；将动力头驱动钻杆向后退出钻孔时动力头产生的后退位移量逻辑判断为有效后退位移量，记为负值；将只有动力头转动而钻杆未转动时动力头产生的位移量逻辑判断为无效位移量，在计算孔深时予以剔除，从而通过测得的有效给进位移量和有效后退位移量计算得出钻孔深度。
[0023] 具体的逻辑判断方法为：在夹持器7的进出油管上分别设有夹持器压力传感器12，在动力头2的夹紧卡盘进出油管上分别设有卡盘压力传感器11，夹持器压力传感器12与卡盘压力传感器11分别与PLC控制器8电联接。PLC控制器可通过夹持器压力传感器和卡盘压力传感器分别计算出夹持器和动力头卡盘对钻杆的夹持力，通过将夹持器和动力头卡盘的夹持力分别与预设的夹持器夹持力和动力头卡盘夹持力对比，从而判断出夹持器7和动力头卡盘5是否夹紧钻杆。PLC控制器8通过对动力头卡盘和夹持器夹持状态的判断从而判定此时采集到的动力头位移量是属于有效位移量或无效位移量。具体的判定逻辑为：当动力头卡盘夹紧钻杆而夹持器松开时PLC控制器将采集到的动力头位移量逻辑判断为有效位移量，该有效位移量包括正常钻进时产生的有效给进位移量和起拔钻杆退钻时的有效后退位移量；将动力头卡盘和夹持器均处于夹紧状态或均处于松开状态或动力头松开而夹持器夹紧时动力头产生的位移量逻辑判断为无效位移量。本实施例中预设的夹持器夹持力和动力头卡盘夹持力可通过现场试验确定。
[0024] 具体实施时，首先根据现场试验确定预设的夹持器夹持力和动力头卡盘的夹持力，当夹持器的夹持力大于等于预设的夹持器夹持力时，PLC控制器逻辑判断夹持器7处于夹紧钻杆状态；当夹持器的夹持力小于预设的夹持器夹持力时，判定夹持器7处于松开状态。当动力头卡盘5的夹持力大于等于预设的卡盘夹持力时，PLC控制器逻辑判断动力头卡盘5处于夹紧钻杆状态；当卡盘夹持力小于预设的卡盘夹持力时，PLC控制器逻辑判断动力头卡盘5处于松开状态。
[0025] 动力头驱动钻杆正常钻进时，液压油从给进油缸进入动力头中，给进油缸流量开关传感器3将信号传递到PLC控制器8，PLC控制器8开始采集位移传感器1上记录的动力头位移数据。动力头上的卡盘压力传感器11将所测得的压力数据传递给PLC控制器8，PLC控制器通过将卡盘压力数据与预设的卡盘夹持力对比，判断出动力头卡盘5的压力数据大于等于预设的卡盘夹持力，PLC控制器逻辑判断动力头卡盘处于夹紧状态；同时夹持器压力传感器12将所测得的压力数据也传递给PLC控制器，PLC控制器通过将夹持器压力数据与预设的夹持器夹持力对比，判断出夹持器压力数据小于预设的夹持器夹持力，PLC控制器逻辑判断夹持器处于松开状态。动力头2驱动钻杆6向前钻进，PLC控制器根据此时动力头卡盘和夹持器夹紧状态判定此时采集到的动力头上的位移传感器1记录的动力头前进的位移量为有效给进位移量，记为正值，并将该有效给进位移量计入钻孔深度。
[0026] 当动力头驱动钻杆并进给完一根钻杆的长度后需要后退时，夹持器夹紧钻杆并保持相对静止，动力头卡盘松开钻杆，动力头沿钻杆轴向向后发生位移。此时动力头卡盘压力数据小于预设的卡盘夹持力，PLC控制器逻辑判断动力头卡盘处于松开状态；夹持器压力数据大于等于预设的夹持器夹持力，PLC控制器逻辑判断夹持器处于夹紧状态，此过程中PLC控制器根据此时动力头卡盘和夹持器夹紧状态判定采集到的动力头前进的给进位移量属于无效位移量，PLC控制器在计算钻孔深度时剔除该无效位移量。
[0027] 待动力头运动至初始位置需要接换钻杆时，放入新钻杆后，在上钻杆的过程中，动力头卡盘和夹持器分别夹紧两根钻杆，PLC控制器根据压力传感器数据逻辑判断动力头卡盘和夹持器均处于卡紧钻杆状态，钻孔内的钻杆没有发生实际的钻进，PLC控制器根据此时动力头卡盘和夹持器夹紧状态判定位移传感器记录的动力头给进位移量属于无效位移量，PLC控制器在计算钻孔深度时剔除该无效位移量。
[0028] 当钻机上未放入钻杆或虽放入钻杆但夹持器和动力头卡盘都未夹紧钻杆时，PLC控制器根据压力传感器数据逻辑判断动力头卡盘和夹持器均处于松开状态，钻机没有发生实际的钻进，PLC控制器根据此时动力头卡盘和夹持器的松开状态判定位移传感器记录的动力头给进位移量属于无效位移量，PLC控制器在计算钻孔深度时剔除该无效位移量。
[0029] 当需要退钻时，动力头卡盘夹紧钻杆，夹持器松开，PLC控制器通过将卡盘压力数据与预设的卡盘夹持力对比，判断出动力头卡盘5的压力数据大于等于预设的卡盘夹持力，PLC控制器逻辑判断动力头卡盘处于夹紧状态；同时夹持器压力传感器12将所测得的压力数据也传递给PLC控制器，PLC控制器通过将夹持器压力数据与预设的夹持器夹持力对比，判断出夹持器压力数据小于预设的夹持器夹持力，PLC控制器逻辑判断夹持器处于松开状态。动力头2驱动钻杆6向后退出钻孔，PLC控制器根据此时动力头卡盘和夹持器夹紧状态判定此时采集到的动力头上的位移传感器1记录的动力头前进的位移量为有效后退位移量，记为负值，并将该有效后退位移量计入钻孔深度。
[0030] 当动力头处于静止状态时，钻机未发生实际的钻进或起拔钻杆，高压液压油不会从给进油缸和起拔油缸进入动力头，此时，液压油不会触发给进油缸流量开关传感器3和起拔油缸流量开关传感器4，PLC控制器8停止采集位移传感器1记录的位移数据。
[0031] PLC控制器计算出的钻孔深度数据实时显示在与PLC控制器输出端电联接的显示器9上，位移传感器所记录的数据及PLC控制器所计算出的钻孔深度数据记录在与PLC控制器输出端电联接的数据存储器10中，方便技术人员查看钻机的工作状态及备份数据。
[0032] 由于位移传感器的测点间隔时间很短，测量精度较高，故本实用新型通过将给进油缸流量开关传感器3和起拔油缸流量开关传感器4作为触发PLC控制器开始采集位移传感器记录数据的开关，进而PLC控制器程序开始逻辑判断采集到的位移传感器数据并进行计算，整个过程使PLC控制器程序只需判断动力头在发生给进或后退时产生的位移数据。在钻机启动过程中，当动力头未发生给进或后退时，由于给进油缸和起拔油缸不会向动力头供油，从而给进油缸流量开关传感器3和起拔油缸流量开关传感器4也不会触发PLC控制器采集那些因机械振动造成的动力头的小幅位移量，从而提高了孔深测量的精确性和可靠性，同时也大大减少了程序需要进行逻辑判断的数据量。
[0033] 本实用新型通过对动力头卡盘和夹持器的夹持状态的逻辑判断将PLC控制器采集到的位移传感器数据分为有效给进位移、有效后退位移和无效位移，在计算钻孔深度时剔除无效位移，只根据钻杆发生实际进给的有效给进位移和起拔钻杆时的有效后退位移计算出钻孔深度，避免了诸如装卸钻杆时钻杆间丝扣接续等虽然动力头有位移但钻杆未发生给进或后退的无效钻进情况，使测得的孔深数据更准确。
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