一种用于工程钻机的自动控制系统及方法

所属的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器（ram）、内存、只读存储器（rom）、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。以上，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

背景技术：

1、冲击反循环钻机作为一种工程施工钻机，应用变得越来越广泛，该钻机将传统的冲击无循环钻进工艺改成先进的冲击反循环钻进工艺，克服了无循环钻进造成的孔底重复破碎的问题，使钻机的工作效率提高数倍之多，同时还保留了冲击钻机适用性强的特点，可在多种复杂地层中钻进，也具备结构简单、性能可靠、操作维修方便等优点。

2、然而现有技术中，对于反循环冲击钻机的实际工作过程中，都是基于钻头以固定的高度实现多次冲击地面，并不能根据具体的地面环境结构进行自动化冲击调整，就会降低钻机的工作效率，并且，持续使用钻头进行高频率的冲击也会增加磨损，提高维护保养的费用，因此，如何提供一种用于工程钻机的自动控制系统及方法是本领域技术人员急需解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种用于工程钻机的自动控制系统及方法，本发明通过自动化控制技术，根据实际工作环境中的地面硬度以及钻头的每次贯入量对钻头的提升高度进行动态化调整，有效地提高了钻机的工作效率。

2、为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

3、一种用于工程钻机的自动控制系统，应用于液压型反循环冲击钻机中，包括：

4、扫描单元，用于检测地面地质结构，并获取预设深度内的地面平均硬度k；

5、检测单元，用于实时检测钻头的质量m，以及所述钻头冲击地面后进入所述地面的深度d；

6、控制单元，用于根据所述地面平均硬度k、所述钻头的质量m以及进入所述地面的深度d控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度。

7、在本技术的一些实施例中，所述控制单元内设定有预设地面平均硬度矩阵t0和预设钻头提升高度矩阵a，对于所述预设钻头提升高度矩阵a，设定a(a1,a2,a3,a4)，其中a1为第一预设钻头提升高度，a2为第二预设钻头提升高度，a3为第三预设钻头提升高度，a4为第四预设钻头提升高度，且a1＜a2＜a3＜a4；

8、对于所述预设地面平均硬度矩阵t0，设定t0(t01,t02,t03,t04),其中，t01为第一预设地面平均硬度，t02为第二预设地面平均硬度，t03为第三预设地面平均硬度，t04为第四预设地面平均硬度，且t01＜t02＜t03＜t04；

9、所述控制单元还用于根据k与所述预设地面平均硬度矩阵t0之间的关系选定相应的钻头提升高度作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

10、当k＜t01时，选定所述第一预设钻头提升高度a1作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

11、当t01≤k＜t02，选定所述第二预设钻头提升高度a2作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

12、当t02≤k＜t03，选定所述第三预设钻头提升高度a3作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

13、当t03≤k＜t04，选定所述第四预设钻头提升高度a4作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度。

14、在本技术的一些实施例中，所述控制单元内还设定有预设钻头质量矩阵r0和预设钻头提升高度修正系数矩阵b，对于所述预设钻头提升高度修正系数矩阵b，设定b(b1,b2,b3,b4)，其中b1为第一预设钻头提升高度修正系数，b2为第二预设钻头提升高度修正系数，b3为第三预设钻头提升高度修正系数，b4为第四预设钻头提升高度修正系数，且1＜b1＜b2＜b3＜b4＜1.2；

15、对于所述预设钻头质量矩阵r0，设定r0(r01,r02,r03,r04),其中，r01为第一预设钻头质量，r02为第二预设钻头质量，r03为第三预设钻头质量，r04为第四预设钻头质量，且r01＜r02＜r03＜r04；

16、所述控制单元还用于根据m与所述预设钻头质量矩阵r0之间的关系选定相应的钻头提升高度修正系数以对各预设钻头提升高度进行修正；

17、当m＜r01时，选定所述第四预设钻头提升高度修正系数b4对所述第一预设钻头提升高度a1进行修正，修正后的钻头提升高度为；

18、当r01≤m＜r02，选定所述第三预设钻头提升高度修正系数b3对所述第二预设钻头提升高度a2进行修正，修正后的钻头提升高度为；

19、当r02≤m＜r03，选定所述第二预设钻头提升高度修正系数b2对所述第三预设钻头提升高度a3进行修正，修正后的钻头提升高度为；

20、当r03≤m＜r04，选定所述第一预设钻头提升高度修正系数b1对所述第四预设钻头提升高度a4进行修正，修正后的钻头提升高度为。

21、在本技术的一些实施例中，所述控制单元内还设定有预设冲击进入地面深度矩阵w0和预设钻头提升高度二次修正系数矩阵c，对于所述预设钻头提升高度二次修正系数矩阵c，设定c(c1,c2,c3,c4)，其中c1为第一预设钻头提升高度二次修正系数，c2为第二预设钻头提升高度二次修正系数，c3为第三预设钻头提升高度二次修正系数，c4为第四预设钻头提升高度二次修正系数，且1＜c1＜c2＜c3＜c4＜1.5；对于所述预设冲击进入地面深度矩阵w0，设定w0(w01,w02,w03,w04),其中，w01为第一预设冲击进入地面深度，w02为第二预设冲击进入地面深度，w03为第三预设冲击进入地面深度，w04为第四预设冲击进入地面深度，且w01＜w02＜w03＜w04；

22、所述控制单元还用于根据d与所述预设冲击进入地面深度矩阵w0之间的关系选定相应的钻头提升高度二次修正系数以对修正后的各预设钻头提升高度进行二次调整修正；

23、当d＜w01时，选定所述第四预设钻头提升高度二次修正系数c4对修正后的所述第一预设钻头提升高度a1进行修正，修正后的钻头提升高度为；

24、当w01≤d＜w02，选定所述第三预设钻头提升高度二次修正系数c3对修正后的所述第二预设钻头提升高度a2进行修正，修正后的钻头提升高度为；

25、当w02≤d＜w03，选定所述第二预设钻头提升高度二次修正系数c2对修正后的所述第三预设钻头提升高度a3进行修正，修正后的钻头提升高度为；

26、当w03≤d＜w04，选定所述第一预设钻头提升高度二次修正系数c1对修正后的所述第四预设钻头提升高度a4进行修正，修正后的钻头提升高度为。

27、在本技术的一些实施例中，所述检测单元还用于实时检测所述钻头冲击地面后的钢丝绳张力z以及实时环境温度u；

28、所述控制单元内还设定有预设实时环境温度矩阵y0和预设钻头提升高度三次修正系数矩阵d，对于预设钻头提升高度三次修正系数矩阵d，设定d(d1,d2,d3,d4)，其中d1为第一预设钻头提升高度三次修正系数，d2为第二预设钻头提升高度三次修正系数，d3为第三预设钻头提升高度三次修正系数，d4为第四预设钻头提升高度三次修正系数，且1＜d1＜d2＜d3＜d4＜1.5；对于所述预设实时环境温度矩阵y0，设定y0(y01,y02,y03,y04),其中，y01为第一预设实时环境温度，y02为第二预设实时环境温度，y03为第三预设实时环境温度，y04为第四预设实时环境温度，且y01＜y02＜y03＜y04；

29、所述控制单元还用于当所述钢丝绳张力z等于预设钢丝绳最大张力zi时，根据u与所述预设实时环境温度矩阵y0之间的关系对二次修正后的各预设钻头提升高度进行三次调整修正；

30、当u＜y01时，选定所述第四预设钻头提升高度三次修正系数d4对二次修正后的所述第一预设钻头提升高度a1进行修正，修正后的钻头提升高度为；

31、当y01≤u＜y02，选定所述第三预设钻头提升高度二次修正系数d3对修正后的所述第二预设钻头提升高度a2进行修正，修正后的钻头提升高度为；

32、当y02≤u＜y03，选定所述第二预设钻头提升高度二次修正系数d2对修正后的所述第三预设钻头提升高度a3进行修正，修正后的钻头提升高度为；

33、当y03≤u＜y04，选定所述第一预设钻头提升高度二次修正系数d1对修正后的所述第四预设钻头提升高度a4进行修正，修正后的钻头提升高度为。

34、为了实现上述目的，本发明还相应地提供了一种用于工程钻机的自动控制方法，应用于所述的用于工程钻机的自动控制系统中，包括：

35、检测地面地质结构，并获取预设深度内的地面平均硬度k；

36、实时检测所述钻头的质量m，以及所述钻头冲击地面后进入所述地面的深度d；

37、根据所述地面平均硬度k、所述钻头的质量m以及进入所述地面的深度d控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度。

38、在本技术的一些实施例中，预先设定有预设地面平均硬度矩阵t0和预设钻头提升高度矩阵a，对于所述预设钻头提升高度矩阵a，设定a(a1,a2,a3,a4)，其中a1为第一预设钻头提升高度，a2为第二预设钻头提升高度，a3为第三预设钻头提升高度，a4为第四预设钻头提升高度，且a1＜a2＜a3＜a4；

39、对于所述预设地面平均硬度矩阵t0，设定t0(t01,t02,t03,t04),其中，t01为第一预设地面平均硬度，t02为第二预设地面平均硬度，t03为第三预设地面平均硬度，t04为第四预设地面平均硬度，且t01＜t02＜t03＜t04；

40、根据k与所述预设地面平均硬度矩阵t0之间的关系选定相应的钻头提升高度作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

41、当k＜t01时，选定所述第一预设钻头提升高度a1作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

42、当t01≤k＜t02，选定所述第二预设钻头提升高度a2作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

43、当t02≤k＜t03，选定所述第三预设钻头提升高度a3作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度；

44、当t03≤k＜t04，选定所述第四预设钻头提升高度a4作为控制所述钻头从所述地面的孔底被拉起并直至所述钻头停止运动时的提升高度。

45、在本技术的一些实施例中，预先设定有预设钻头质量矩阵r0和预设钻头提升高度修正系数矩阵b，对于所述预设钻头提升高度修正系数矩阵b，设定b(b1,b2,b3,b4)，其中b1为第一预设钻头提升高度修正系数，b2为第二预设钻头提升高度修正系数，b3为第三预设钻头提升高度修正系数，b4为第四预设钻头提升高度修正系数，且1＜b1＜b2＜b3＜b4＜1.2；

46、对于所述预设钻头质量矩阵r0，设定r0(r01,r02,r03,r04),其中，r01为第一预设钻头质量，r02为第二预设钻头质量，r03为第三预设钻头质量，r04为第四预设钻头质量，且r01＜r02＜r03＜r04；

47、根据m与所述预设钻头质量矩阵r0之间的关系选定相应的钻头提升高度修正系数以对各预设钻头提升高度进行修正；

48、当m＜r01时，选定所述第四预设钻头提升高度修正系数b4对所述第一预设钻头提升高度a1进行修正，修正后的钻头提升高度为；

49、当r01≤m＜r02，选定所述第三预设钻头提升高度修正系数b3对所述第二预设钻头提升高度a2进行修正，修正后的钻头提升高度为；

50、当r02≤m＜r03，选定所述第二预设钻头提升高度修正系数b2对所述第三预设钻头提升高度a3进行修正，修正后的钻头提升高度为；

51、当r03≤m＜r04，选定所述第一预设钻头提升高度修正系数b1对所述第四预设钻头提升高度a4进行修正，修正后的钻头提升高度为。

52、在本技术的一些实施例中，预先设定有预设冲击进入地面深度矩阵w0和预设钻头提升高度二次修正系数矩阵c，对于所述预设钻头提升高度二次修正系数矩阵c，设定c(c1,c2,c3,c4)，其中c1为第一预设钻头提升高度二次修正系数，c2为第二预设钻头提升高度二次修正系数，c3为第三预设钻头提升高度二次修正系数，c4为第四预设钻头提升高度二次修正系数，且1＜c1＜c2＜c3＜c4＜1.5；对于所述预设冲击进入地面深度矩阵w0，设定w0(w01,w02,w03,w04),其中，w01为第一预设冲击进入地面深度，w02为第二预设冲击进入地面深度，w03为第三预设冲击进入地面深度，w04为第四预设冲击进入地面深度，且w01＜w02＜w03＜w04；

53、根据d与所述预设冲击进入地面深度矩阵w0之间的关系选定相应的钻头提升高度二次修正系数以对修正后的各预设钻头提升高度进行二次调整修正；

54、当d＜w01时，选定所述第四预设钻头提升高度二次修正系数c4对修正后的所述第一预设钻头提升高度a1进行修正，修正后的钻头提升高度为；

55、当w01≤d＜w02，选定所述第三预设钻头提升高度二次修正系数c3对修正后的所述第二预设钻头提升高度a2进行修正，修正后的钻头提升高度为；

56、当w02≤d＜w03，选定所述第二预设钻头提升高度二次修正系数c2对修正后的所述第三预设钻头提升高度a3进行修正，修正后的钻头提升高度为；

57、当w03≤d＜w04，选定所述第一预设钻头提升高度二次修正系数c1对修正后的所述第四预设钻头提升高度a4进行修正，修正后的钻头提升高度为。

58、在本技术的一些实施例中，还包括：

59、实时检测所述钻头冲击地面后的钢丝绳张力z以及实时环境温度u；

60、预先设定有预设实时环境温度矩阵y0和预设钻头提升高度三次修正系数矩阵d，对于预设钻头提升高度三次修正系数矩阵d，设定d(d1,d2,d3,d4)，其中d1为第一预设钻头提升高度三次修正系数，d2为第二预设钻头提升高度三次修正系数，d3为第三预设钻头提升高度三次修正系数，d4为第四预设钻头提升高度三次修正系数，且1＜d1＜d2＜d3＜d4＜1.5；对于所述预设实时环境温度矩阵y0，设定y0(y01,y02,y03,y04),其中，y01为第一预设实时环境温度，y02为第二预设实时环境温度，y03为第三预设实时环境温度，y04为第四预设实时环境温度，且y01＜y02＜y03＜y04；

61、当所述钢丝绳张力z等于预设钢丝绳最大张力zi时，根据u与所述预设实时环境温度矩阵y0之间的关系对二次修正后的各预设钻头提升高度进行三次调整修正；

62、当u＜y01时，选定所述第四预设钻头提升高度三次修正系数d4对二次修正后的所述第一预设钻头提升高度a1进行修正，修正后的钻头提升高度为；

63、当y01≤u＜y02，选定所述第三预设钻头提升高度二次修正系数d3对修正后的所述第二预设钻头提升高度a2进行修正，修正后的钻头提升高度为；

64、当y02≤u＜y03，选定所述第二预设钻头提升高度二次修正系数d2对修正后的所述第三预设钻头提升高度a3进行修正，修正后的钻头提升高度为；

65、当y03≤u＜y04，选定所述第一预设钻头提升高度二次修正系数d1对修正后的所述第四预设钻头提升高度a4进行修正，修正后的钻头提升高度为。

66、本发明提供了一种用于工程钻机的自动控制系统及方法，与现有技术相比，其有益效果在于：

67、本发明通过分析钻机的不同运行状况，包括提升钻头、钻头下落以及冲击地面确定影响钻机工作效率的核心因素为钻头提升高度，结合钻机的实际工作应用环境以及自动化控制技术，对钻头的提升高度进行动态化调整，使钻头每次都可以完成有效冲击，改变了传统的钻机工作方式，提高了冲击效率，也降低了钻头的磨损程度，降低了维护保养的费用，极大地节约了成本。