一種鉆桿彎曲度檢測裝置及方法
【專利摘要】本發明涉及一種鉆桿彎曲度檢測裝置及方法，裝置包括鉆桿夾持部分、傳感器傳動部分和控制與運算部分。鉆桿夾持部分設有三爪卡盤、V形塊和步進電機A；三爪卡盤夾緊鉆桿一端，鉆桿另一端放在V形塊上；傳感器傳動部分設有2D激光傳感器和步進電機B；控制與運算部分包括單片機與上位機。本檢測方法是用2D激光傳感器采集鉆桿多個截面的半側輪廓數據點的三維坐標信息；通過上位機處理并計算出截面中心點，擬合出n個截面的中心線；求出最大彎曲點的最大彎曲度及坐標值，與鉆桿彎曲度限定值相比，判斷鉆桿彎曲度是否合格，將判斷結果提供給用戶。本裝置結構科學，檢測方法簡單，可高效準確獲取鉆桿彎曲度信息，為提高鉆桿的生產精度提供技術支撐。
【專利說明】一種鉆桿彎曲度檢測裝置及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種鉆桿彎曲度檢測裝置及方法，具體地說是一種用于檢測鉆桿彎曲程度是否達標并提供鉆桿彎曲信息的裝置及檢測方法。
【背景技術】
[0002]隨著我國鉆進技術的發展，鉆進施工的深度也越來越深，隨之對于鉆桿精度的要求也越來越高。其中，鉆桿的彎曲度就是鉆桿精度的重要參數。在鉆進施工過程中，鉆桿彎曲度過高就會導致鉆進過程不平穩以及鉆進位置偏移等問題。當前對鉆桿彎曲度的檢測方法基本依賴于工人利用機械儀表進行手動測量，這種方法不但效率低而且也缺乏數據的有效分析。
[0003]現有的激光測量鉆桿彎曲度的方法，是根據采樣定理布置一個或多個點激光傳感器，通過旋轉鉆桿采集鉆桿若干截面型面點數據，再對數據進行處理得出結論。這種方法需要較多的傳感器，對傳感器布置精度也有較高的要求，且需要對鉆桿旋轉有高精度控制。因此，該方法實施所需的裝置成本高、難度大。
[0004]針對上述問題，研究一種原理正確、計算簡單的鉆桿彎曲度檢測方法以及較低成本、高精度、高效率、高自動化程度的檢測裝置是非常有必要的。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在于提供一種鉆桿彎曲度檢測裝置及方法，從而自動地、高精度地、高效率地實現對鉆桿彎曲度的檢測。
[0006]為實現上述目的，本發明采用如下的技術方案:提供一種鉆桿彎曲度檢測裝置，包括鉆桿夾持部分、傳感器傳動部分和控制與運算部分；所述的鉆桿夾持部分設有工作平臺、V形塊、三爪卡盤以及步進電機A ;V形塊、步進電機A通過螺栓固定在工作平臺上；步進電機A的軸與三爪卡盤連接，三爪卡盤用于將待測鉆桿一端夾緊，鉆桿的另一端放置在V形塊上；鉆桿夾持部分用于實現鉆桿的定位夾緊以及多次測量時的鉆桿旋轉；
[0007]所述的傳感器傳動部分設有步進電機B、聯軸器、滾珠絲杠、直線導軌、絲杠座、傳動平臺以及高精度2D激光傳感器；所述步進電機B通過聯軸器與滾珠絲杠一端連接，滾珠絲杠另一端通過軸承與絲杠座相連；滾珠絲杠連接傳動平臺；所述傳動平臺又與直線導軌連接，且滾珠絲杠軸線與直線導軌平行；所述高精度2D激光傳感器通過螺栓安裝在傳動平臺上端；傳感器傳動部分用于帶動高精度2D激光傳感器移動中采集鉆桿輪廓數據；
[0008]所述的控制與運算部分包括單片機與上位機，單片機通過數據線與步進電機A、步進電機B和上位機相連，上位機通過數據線與2D激光傳感器相連；所述的單片機為外置的控制模塊，用于控制傳感器的位移以及鉆桿的回轉；上位機用于分析處理鉆桿輪廓數據，得到檢測結果。
[0009]本發明所述的單片機用于控制步進電機B驅動滾珠絲杠轉動，單片機也用于控制步進電機A帶動三爪卡盤轉動,從而帶動鉆桿轉動。[0010]本發明還提供一種使用上述的裝置進行鉆桿彎曲度檢測的方法，按如下步驟操作:
[0011]步驟一、將待測鉆桿裝夾定位好；
[0012]步驟二、啟動單片機，由單片機控制步進電機B驅動滾珠絲杠轉動，帶動高精度2D激光傳感器沿滾珠絲杠軸線方向平緩移動；在移動過程中，高精度2D激光傳感器將激光投射于鉆桿半側表面；移動過程中每一個瞬間，高精度2D激光傳感器發射的激光束都將截取鉆桿一個截面，獲取該截面的半側數據；從所有的截面的半側數據中，等距離選取η組截面輪廓數據，高精度2D激光傳感器完成對鉆桿輪廓數據的采集，選擇其中η個截面的輪廓數據送到上位機中保存；
[0013]步驟三、上位機對獲取的鉆桿輪廓數據進行數據處理，以橢圓作為η組截面形狀的模型，對每組截面數據進行橢圓擬合，得到η組截面的橢圓方程，并求出η個截面的中心點坐標值；
[0014]步驟四、對η個截面的中心點進行數據處理，先以第一個截面與最后一個截面的中心點的連線作為基準軸線，并求出空間直線方程；新建二維坐標系，以高精度2D激光傳感器的位移，即截面位移，作為X坐標，以截面中心點到基準軸線的距離作為I坐標，可以得到η組點；所述的y坐標值即為該截面的彎曲程度；對所述的η組點進行二維曲線擬合，得到的曲線即為鉆桿彎曲度曲線；
[0015]步驟五、獲得到鉆桿彎曲度曲線后，求出鉆桿彎曲度曲線的最大值，該點即為鉆桿最大彎曲點處；將上述最大值與給定的鉆桿彎曲度限定值作比較，判斷最大彎曲點處的彎曲程度是否滿足鉆桿彎曲度判斷要求，最大值大于限定值則表明鉆桿不合格，反之為合格；
[0016]步驟六、為增加判斷的準確度，進行多次測量；單片機控制步進電機A帶動三爪卡盤轉動一個角度，從而帶動鉆桿轉動一個角度；隨后，重復步驟二到步驟五，得到檢測數據和結果，完成第二次測量；以此類推，完成多次測量；
[0017]步驟七、記錄上述判斷數據和結果，將判斷結果以及最大彎曲點的坐標信息提供給用戶；若多次測量結果都為合格，則表明鉆桿彎曲度合格，否則不合格。
[0018]本發明的鉆桿彎曲度檢測裝置及方法與現有技術相比具有如下優點:
[0019]1、本發明提供的鉆桿彎曲度檢測裝置，結構科學，檢測精度高、自動化程度高，檢測效率高、通過檢測裝置可以檢測得到高精度的鉆桿輪廓數據。其中，采用的2D激光傳感器可以發射二維結構激光，直接采集到鉆桿半側截面的數據點信息，采集速度快，數據量大，且不需要許多電激光傳感器以及傳感器高精度的布置。同時，2D激光傳感器配合滾珠絲杠以及直線導軌的驅動，可以完成整根鉆桿的輪廓取樣，避免鉆桿高精度的旋轉。
[0020]2、本發明提供的檢測方法操作步驟簡單、通過檢測裝置檢測得到的鉆桿輪廓數據，通過上位機計算和處理，可自動、快速地獲取準確的鉆桿彎曲度數據信息，為提高鉆桿的生產精度提供有效的數據支撐。其中，本發明提供的方法以橢圓為鉆桿截面形狀的模型，突破以圓為模型的傳統思維，充分考慮到二維激光照射到鉆桿表面的角度問題，更加符合截面形狀的真實情況，擬合精度更高。
【專利附圖】
【附圖說明】[0021]圖1為本發明的鉆桿彎曲度檢測裝置的結構示意圖。
[0022]圖2為本發明的鉆桿彎曲度檢測方法流程框圖。
[0023]圖中:1-工作平臺、2-V形塊、3-鉆桿、4-三爪卡盤、5-步進電機A、6_步進電機B、7-聯軸器、8-傳動平臺、9-高精度2D激光傳感器、10-滾珠絲杠、11-絲杠座、12-直線導軌、13-上位機。
【具體實施方式】
[0024]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳述。
[0025]實施例1:本發明提供一種鉆桿彎曲度檢測裝置，其結構如圖1所示。包括鉆桿夾持部分、傳感器傳動部分和控制與運算部分；所述的鉆桿夾持部分設有工作平臺1、V形塊
2、三爪卡盤4以及步進電機A5 ;V形塊2、步進電機A5通過螺栓固定在工作平臺I上；步進電機A5的軸與三爪卡盤4鏈接，三爪卡盤4用于將鉆桿3 —端夾緊，鉆桿3的另一端放置在V形塊2上；鉆桿夾持部分用于實現鉆桿3的定位夾緊以及多次測量時的鉆桿旋轉。
[0026]所述的傳感器傳動部分設有步進電機B6、聯軸器7、滾珠絲杠10、直線導軌12、絲杠座11、傳動平臺8以及高精度2D激光傳感器9 ;所述步進電機B6通過聯軸器7與滾珠絲杠10 —端連接，滾珠絲杠10另一端通過軸承與絲杠座11相連；滾珠絲杠10連接傳動平臺8 ;所述傳動平臺8又與直線導軌12連接，并保證滾珠絲杠10軸線與直線導軌12平行；所述高精度2D激光傳感器9通過螺栓安裝在傳動平臺8上端；所述步進電機B6也與所述單片機相連；傳感器傳動部分用于帶動高精度2D激光傳感器9在移動中采集鉆桿輪廓數據。
[0027]所述的控制與運算部分包括單片機與上位機13，單片機通過數據線與步進電機A5、步進電機B6、上位機13相連，上位機13通過數據線與2D激光傳感器9相連；所述的單片機為外置的控制模塊，放置于步進電機B6附近，用于控制傳感器的位移以及鉆桿3的回轉。上位機13用于分析處理采集的鉆桿輪廓數據，得到檢測結果。
[0028]使用本發明上述裝置進行鉆桿彎曲度的檢測的方法，參見圖2所示的流程框圖，具體按如下步驟操作:
[0029]步驟一、選取一根長度為3m的待測鉆桿3，將鉆桿3 —端放置在V形塊2上，鉆桿3另一端用三爪卡盤4夾緊，完成裝夾定位。
[0030]步驟二、啟動單片機，由單片機控制步進電機B6驅動滾珠絲杠10轉動，帶動高精度2D激光傳感器9沿滾珠絲杠10軸線方向平緩移動；高精度2D激光傳感器9在平緩移動過程中，將激光投射于鉆桿3半側表面；移動過程中每一個瞬間，高精度2D激光傳感器9發射的激光束都將截取鉆桿3 —個截面，獲取該截面的半側數據；從所有的截面的半側數據中，等距離選取100組截面輪廓數據，每個截面選取50個點作為研究對象，共得到5000個有效數據(Xij, Yij, Zij)，i=l, 2，…100，j=l, 2…50，完成對鉆桿3輪廓數據的采集；將這100個截面的5000個輪廓數據送到上位機13中保存。
[0031]步驟三、上位機13對獲取的鉆桿3輪廓數據進行數據處理。以橢圓作為選取的100組截面形狀的模型，對每組截面數據進行橢圓擬合，其中得到100組截面的橢圓方程并求出100個截面的中心點坐標值(Xi，yi，Zi), i=l，2，…100。
[0032]步驟四、對得到的100個截面的中心點進行數據處理，先以第一個截面與最后一個截面的中心點的連線作為基準軸線，并求出空間直線方程；新建二維坐標系，以高精度2D激光傳感器9的位移，即截面位移，作為X坐標，以截面中心點到基準軸線的距離作為y坐標，可以得到100組點(Xj，yj)，」=1，2，...100 ;所述的y坐標值即為該截面的彎曲程度；對所述的100組點進行五次多項式擬合，得到鉆桿彎曲度曲線。
[0033]步驟五、獲得到鉆桿3彎曲度曲線后，求出鉆桿3彎曲度曲線的最大值ymax，該點即為鉆桿最大彎曲點處；將上述最大值ymax與給定的鉆桿彎曲度限定值yn作比較，判斷最大彎曲點處的彎曲程度是否滿足鉆桿彎曲度判斷要求，最大值大于限定值則表明此次測量的鉆桿不合格，反之為合格。
[0034]步驟六、為增加判斷的準確度，可進行多次測量；單片機控制步進電機A5帶動三爪卡盤4轉動30°，從而帶動鉆桿3轉動30° ;隨后，重復步驟二到步驟五進行檢測，并得出檢測數據和結果，完成第二次測量；以此類推，對鉆桿進行7次測量。
[0035]步驟七、記錄上述8次測量的數據和結果，將判斷結果以及最大彎曲點的坐標信息提供給用戶；若8次測量結果都為合格，則表明鉆桿彎曲度合格，否則不合格。
[0036]從實施例可見，本發明的鉆桿彎曲度檢測裝置結構科學，本發明的檢測方法簡單，可以很方便的進行鉆桿彎曲度檢測，可高效準確獲取彎曲度信息，為提高鉆桿的生產精度提供技術支撐。
【權利要求】
1.一種鉆桿彎曲度檢測裝置，包括鉆桿夾持部分、傳感器傳動部分和控制與運算部分；其特征在于:所述的鉆桿夾持部分設有工作平臺、V形塊、三爪卡盤以及步進電機A ;V形塊、步進電機A通過螺栓固定在工作平臺上；步進電機A的軸與三爪卡盤連接，三爪卡盤用于將待測鉆桿一端夾緊，鉆桿的另一端放置在V形塊上；鉆桿夾持部分用于實現鉆桿的定位夾緊以及多次測量時的鉆桿旋轉； 所述的傳感器傳動部分設有步進電機B、聯軸器、滾珠絲杠、直線導軌、絲杠座、傳動平臺以及高精度2D激光傳感器；所述步進電機B通過聯軸器與滾珠絲杠一端連接，滾珠絲杠另一端通過軸承與絲杠座相連；滾珠絲杠連接傳動平臺；所述傳動平臺又與直線導軌連接，且滾珠絲杠軸線與直線導軌平行；所述高精度2D激光傳感器通過螺栓安裝在傳動平臺上端；傳感器傳動部分用于帶動高精度2D激光傳感器移動中采集鉆桿輪廓數據； 所述的控制與運算部分包括單片機與上位機，單片機通過數據線與步進電機A、步進電機B和上位機相連，上位機通過數據線與2D激光傳感器相連；所述的單片機為外置的控制模塊，用于控制傳感器的位移以及鉆桿的回轉；上位機用于分析處理鉆桿輪廓數據，得到檢測結果。
2.根據權利要求1所述的鉆桿彎曲度檢測裝置，其特征在于:所述的單片機用于控制步進電機B驅動滾珠絲杠轉動,單片機也用于控制步進電機A帶動三爪卡盤轉動,從而帶動鉆桿轉動。
3.一種使用權利要求1所述的裝置進行鉆桿彎曲度檢測的方法，其特征在于:按如下步驟操作: 步驟一、將待測鉆桿裝夾定位好； 步驟二、啟動單片機，由單片機控制步進電機B驅動滾珠絲杠轉動，帶動高精度2D激光傳感器沿滾珠絲杠軸線`方向平緩移動；在移動過程中，高精度2D激光傳感器將激光投射于鉆桿半側表面；移動過程中每一個瞬間，高精度2D激光傳感器發射的激光束都將截取鉆桿一個截面，獲取該截面的半側數據；從所有的截面的半側數據中，等距離選取η組截面輪廓數據，高精度2D激光傳感器完成對鉆桿輪廓數據的采集，選擇其中η個截面的輪廓數據送到上位機中保存； 步驟三、上位機對獲取的鉆桿輪廓數據進行數據處理，以橢圓作為η組截面形狀的模型，對每組截面數據進行橢圓擬合，得到η組截面的橢圓方程，并求出η個截面的中心點坐標值； 步驟四、對η個截面的中心點進行數據處理，先以第一個截面與最后一個截面的中心點的連線作為基準軸線，并求出空間直線方程；新建二維坐標系，以高精度2D激光傳感器的位移，即截面位移，作為X坐標，以截面中心點到基準軸線的距離作為I坐標，可以得到η組點；所述的I坐標值即為該截面的彎曲程度；對所述的η組點進行二維曲線擬合，得到的曲線即為鉆桿彎曲度曲線； 步驟五、獲得到鉆桿彎曲度曲線后，求出鉆桿彎曲度曲線的最大值，該點即為鉆桿最大彎曲點處；將上述最大值與給定的鉆桿彎曲度限定值作比較，判斷最大彎曲點處的彎曲程度是否滿足鉆桿彎曲度判斷要求，最大值大于限定值則表明鉆桿不合格，反之為合格； 步驟六、為增加判斷的準確度，進行多次測量；單片機控制步進電機A帶動三爪卡盤轉動一個角度，從而帶動鉆桿轉動一個角度；隨后，重復步驟二到步驟五，得到檢測數據和結果，完成第二次測量；以此類推，完成多次測量； 步驟七、記錄上述判斷數據和結果，將判斷結果以及最大彎曲點的坐標信息提供給用戶；若多次測量結果都為`合格，則表明鉆桿彎曲度合格，否則不合格。
【文檔編號】G01B11/24GK103868470SQ201410085107
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月10日 優先權日:2014年3月10日
【發明者】文國軍, 謝輝, 王玉丹, 王嘉瑞, 陳漢, 吳川, 韓磊, 白江浩, 張奧東, 楊玲芝, 黃雷, 石欣雨, 張健 申請人:中國地質大學（武漢）
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