1.本發(fā)明屬于樁基施工技術領域，具體涉及一種電驅動全套管全回轉鉆機以及控制方法。

背景技術：

2.隨著我國基礎建設的不斷加快，在高原、山區(qū)、丘陵、海灘、江河湖海灘涂等各種復雜地質環(huán)境下的施工越來越多。現場施工時，經常遇到地下有流沙、溶洞、巖層等各種復雜地質狀況，傳統(tǒng)的挖掘機具和施工方法很難施工。針對上述復雜施工作業(yè)中設備滯后的狀況，全套管全回轉鉆機近年來在深基坑圍護、道橋、地鐵等項目的樁基施工中得到了廣泛的應用。

3.傳統(tǒng)的鉆機鉆進時只能依賴現場操作人員根據操作盒上的壓力顯示，通過自己的經驗判斷，來操作鉆機向下鉆進，依靠操作者的經驗來完成，無法實現隨鉆檢測和針對不同地層適時調整的智能化操作。

4.另外，現有的全套管全回轉鉆機是以液壓油作為動力傳輸介質，將動力源的動力以液壓能的形式傳輸給工作執(zhí)行機構，再轉化為機械能，最終完成預定的復雜施工作業(yè)?，F有全套管全回轉鉆機采用的基本都是柴油發(fā)動機驅動油泵，油泵驅動液壓馬達，液壓馬達再驅動傳動機構實現鉆機的打樁、成樁功能。由于現有全套管全回轉鉆機使用柴油機提供動力，就存在著發(fā)動機能效低、排放高、噪音大等缺點。

5.此外，現有的全套管全回轉鉆機在工作過程中，垂直度會發(fā)生變化，進而降低了施工質量。

技術實現要素：

6.本發(fā)明針對現有技術的不足，提供一種電驅動全套管全回轉鉆機。所述電驅動全套管全回轉鉆機的第一個技術目的是能夠在旋挖作業(yè)過程中，在鉆具旋挖到不同類型的巖土層時，自動調整鉆進部分的電機驅動器以及起拔裝置，使得鉆進部分的電機驅動器的工作扭矩與對應的巖土層匹配、起拔裝置提供的下壓力與所述電機驅動器的工作扭矩匹配，從而在不損傷鉆具的前提下保證旋挖作業(yè)順暢進行，提高旋挖質量，尤其適用于存在局部巖土類型突變的巖土層的旋挖作業(yè)。本發(fā)明的第二個技術目的是鉆進部分的電機驅動器的工作扭矩是基于自適應扭矩控制方法來構建的。本發(fā)明的第三技術目的是能夠對套管進行垂直度監(jiān)測和垂直度糾正，以提高施工質量。

7.為達此目的，本發(fā)明將采用以下技術方案：一種電驅動全套管全回轉鉆機，包括鉆機主體以及鉆具，鉆機主體包括控制器、驅動部、隨鉆參數監(jiān)測模塊以及液壓機構，鉆具包括套管以及安裝于所述套管的鉆頭，所述的驅動部采用電驅動方式，包括若干伺服電機；所述控制器內集成有參數調控模塊以及派生參數計算模塊；其中：所述的伺服電機，分為兩類，對應為第一類、第二類伺服電機；

第一類伺服電機的動力輸出端與鉆具聯動連接；鉆具在第一類伺服電機的動力驅動下，能夠驅動鉆具旋轉鉆進；第二類伺服電機的動力輸出端通過依次通過液壓油泵、液壓馬達與安裝在液壓機構油路中的油缸控制閥組總成聯動連接；液壓機構在第二類伺服電機的動力驅動下，能夠實現套管的松、夾、壓、拔動作和鉆機平臺的調平；所述的隨鉆參數監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測套管的轉速、套管的垂直鉆進深度、伺服電機的電流電壓變化、伺服電機的輸出扭矩以及液壓機構各油缸的進、出油壓力，并分別反饋至參數調控模塊、派生參數計算模塊；所述的派生參數計算模塊，根據隨鉆參數監(jiān)測模塊所反饋的鉆機直測參數計算出對應的鉆機派生參數，并輸出至參數調控模塊；所述的鉆機派生參數包括動力頭扭矩、鉆進率、周轉速以及下壓力；所述的參數調控模塊，基于地層表功數學模型而構建，能夠根據所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數預測地層類型，并根據所預測的地層類型向伺服電機輸出執(zhí)行指令；在參數調控模塊輸出的執(zhí)行指令的控制下，第一類伺服電機的總工作扭矩能夠與所預測的地層類型匹配，第二類伺服電機帶動液壓機構所提供的下壓力能夠與所述的第一類伺服電機的總工作扭矩匹配。

8.優(yōu)選地，所述的參數調控模塊包括參數輸入模塊、地層表功計算模塊、地層類型預測模塊以及執(zhí)行指令輸出模塊；所述的參數輸入模塊，用于接收隨鉆參數監(jiān)測模塊所采集到的鉆機直測參數以及派生參數計算模塊所輸出的鉆機派生參數；所述的地層表功計算模塊，根據參數輸入模塊所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數，計算出實時地層比功，并傳輸至地層類型預測模塊；所述的地層類型預測模塊，將所接收到的實時地層比功與預設的地層質量比功分級表進行比對，以預測出對應的地層類型；所述的執(zhí)行指令輸出模塊，根據所預測的地層類型，向伺服電機輸出執(zhí)行指令，使得第一類伺服電機的總工作扭矩能夠與所預測的地層類型匹配、第二類伺服電機帶動液壓機構所提供的下壓力能夠與所述的第一類伺服電機的總工作扭矩匹配。

9.優(yōu)選地，所述第一類伺服電機有四個，對應為電機m1至m4；電機m1至m4均各自通過一個動力傳動機構與鉆具聯動連接，用于協(xié)同驅動鉆具旋轉；所述的電機m1至m4中，兩兩為一組，對稱分布在鉆具的兩側；所述控制器內集成有自適應鉆進扭矩控制模塊，包括電機轉速采集模塊、電機轉速判斷模塊、電機扭矩采集模塊、電機扭矩判斷模塊以及電機扭矩執(zhí)行模塊；所述的電機轉速判斷模塊有兩個，對應為第一、第二電機轉速判斷模塊；所述的電機扭矩判斷模塊包括兩個，對應為第一、第二電機扭矩判斷模塊；其中：所述的電機轉速采集模塊，用于采集電機m1至m4的轉速，并輸出至第一電機轉速判斷模塊；所述的電機扭矩采集模塊，用于采集電機m1至m4的扭矩，并輸出至第一電機扭矩判斷模塊；

所述的第一電機轉速判斷模塊，用于判斷平均轉速n和給定轉速n0差的絕對值｜n-n0｜是否小于n0*0.5%；當判斷結果表明｜n-n0｜＜n0*0.5%時，觸發(fā)第一電機扭矩判斷模塊，反之則觸發(fā)第二電機轉速判斷模塊；其中：平均轉速n根據所接收到的電機m1至m4的轉速計算得出；所述的第二電機轉速判斷模塊，用于判斷平均轉速n是否小于給定轉速n0，當判斷結果表明n＜n0時，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第一電機扭矩執(zhí)行指令，反之則通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第二電機扭矩執(zhí)行指令；所述的電機m1至m4，在第一電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，同時增加電機m1至m4的扭矩，增加幅度為給定扭矩n0的1%；所述的電機m1至m4，在第二電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，同時減小電機m1至m4的扭矩，減小幅度為給定扭矩n0的1%；所述的第一電機扭矩判斷模塊，用于判斷平均扭矩t和任一電機mi的扭矩ti的差的絕對值｜t-ti｜是否小于t*5%，其中i=1，2，3，4；平均扭矩t根據所接收到的電機m1至m4的扭矩計算而得；當判斷結果表明｜t-ti｜＜t*5%，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第三電機扭矩執(zhí)行指令；反之則觸發(fā)第二電機扭矩判斷模塊；所述的電機m1至m4，在第三電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，電機m1至m4的扭矩為給定扭矩n0；所述的第二電機扭矩判斷模塊，用于判斷平均扭矩t是否小于任一電機mi的扭矩ti，當判斷結果表明t＜ti時，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第四電機扭矩執(zhí)行指令，反之則通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第五電機扭矩執(zhí)行指令；所述的電機m1至m4，在第四電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，下調對應電機mi的扭矩，下調幅度為給定扭矩n0的1%；所述的電機m1至m4，在第五電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，增加對應電機mi的扭矩，增加幅度為給定扭矩n0的1%。

10.優(yōu)選地，所述鉆機主體配設有垂直度控制裝置，包括激光網格發(fā)射器、攝像頭以及垂直度控制模塊；其中：所述激光網格發(fā)射器的數量為兩臺，對稱分布在所述鉆機主體的兩側；所述激光網格發(fā)射器用于向所述套管的外表面映射網格結構光；所述攝像頭的數量為兩臺，對稱分布在所述鉆機主體的兩側，并一一對應地用于采集相應激光網格發(fā)射器映射至套管外表面的網格結構光圖像，同時將所采集到的網格結構光圖像信息反饋至垂直度控制模塊；所述垂直度控制模塊集成于所述控制器內，能夠根據兩個攝像頭所反饋的圖像信息，拼合處理后判斷所述套管是否處于垂直狀態(tài)，并根據判斷結果向液壓機構中的調平油缸發(fā)出執(zhí)行指令，控制調平油缸伸縮，使得所述套管始終處于垂直狀態(tài)。

11.優(yōu)選地，兩臺激光網格發(fā)射器和兩臺攝像頭均對稱齊平地安裝在鉆機主體的兩側；所述激光網格發(fā)射器能夠水平發(fā)射網格結構光并覆蓋套管相應側的外圓柱面；兩臺激光網格發(fā)射器所發(fā)射的網格結構光能夠完整拼合覆蓋套管的外圓柱面，以形成一系列封閉的圓或橢圓；所述垂直度控制模塊建立所述圖像信息的位姿與所述調平油缸的伸縮桿伸長量之間的函數關系，并根據函數關系調節(jié)所述調平油缸的伸縮桿伸長量，以調節(jié)所述套管至

垂直狀態(tài)。

12.優(yōu)選地，所述的隨鉆參數監(jiān)測模塊，包括若干傳感器，對應為軸編碼器、位移傳感器、霍爾電流電壓傳感器、扭矩傳感器、及液體壓力傳感器；所述的軸編碼器用于實時監(jiān)測套管的轉速，安裝在套管附近的鉆機主體上；所述的位移傳感器用于實時監(jiān)測套管的垂直鉆進深度，安裝在套管附近的鉆機主體上；所述的霍爾電流電壓傳感器，針對每一個伺服電機均配設一個；各霍爾電流電壓傳感器一一對應地安裝在相應伺服電機的工作電路中，用于監(jiān)測各自對應的伺服電機的電流電壓變化；所述的扭矩傳感器，針對每一個伺服電機均配設一個；各扭矩傳感器均與相應的伺服電機的輸出軸同軸安裝，用于實時監(jiān)測對應伺服電機的輸出扭矩；液壓機構包括起拔油缸、調平油缸以及上、下夾緊油缸；起拔油缸、調平油缸以及上、下夾緊油缸的進、出油管處均安裝有一個液體壓力傳感器；所述的液體壓力傳感器用于監(jiān)測安裝位點處的油壓。

13.優(yōu)選地，所述驅動部采用外部電網/發(fā)電機組供電。

14.本發(fā)明的另一個技術目的是提供一種上述的電驅動全套管全回轉鉆機的控制方法所述的電驅動全套管全回轉鉆機中控制器內所集成的參數調控模塊，按照如下步驟執(zhí)行：步驟a1、鉆機直測參數的監(jiān)測鉆機直測參數包括套管的轉速、套管的垂直鉆進深度、伺服電機的電流電壓變化、伺服電機的輸出扭矩以及液壓機構各油缸的進出油壓力；其中，采用安裝在套管附近的鉆機主體上的軸編碼器實時監(jiān)測套管的轉速，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用安裝在套管附近的鉆機主體上的位移傳感器實時監(jiān)測套管的垂直鉆進深度，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用霍爾電流電壓傳感器監(jiān)測對應伺服電機的電流電壓變化，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用扭矩傳感器實時監(jiān)測對應伺服電機的輸出扭矩，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用液體壓力傳感器監(jiān)測安裝位點處的油壓，以獲得相應油缸的進出油壓力，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；步驟a2、計算鉆機派生參數根據所接收到的鉆機直測參數，計算出鉆機派生參數；鉆機派生參數包括動力頭扭矩、鉆進率、周轉速以及下壓力；步驟a3、計算實時地層比功采用地層比功數學模型，根據所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數，獲得實時地層比功；步驟a4、預測地層類型將所計算出的實時地層比功與參數調控模塊內預存的地層質量比功分級表比對，預測地層類型；步驟a5、工作扭矩、下壓力的分配根據預測出的地層類型，分別向第一類、第二類伺服電機的電機驅動器輸出執(zhí)行

指令，從而為第一類伺服電機分配與地層類型匹配的工作扭矩，而為第二類伺服電機分配與前述第一類伺服電機的工作扭矩匹配的下壓力；步驟a6、伺服電機的工況控制第一類、第二類伺服電機按照步驟五輸出的執(zhí)行指令工作。

15.優(yōu)選地，所述的電驅動全套管全回轉鉆機中所述控制器集成有自適應鉆進扭矩控制模塊，自適應鉆進扭矩控制模塊通過自適應扭矩控制方法而實現電機m1至電機m4的扭矩自適應控制；自適應扭矩控制方法包括如下步驟：步驟b1：預設給定轉速n0，同時采集電機m1至電機m4的轉速，分別為n1、n2、n3、n4，并且計算出電機m1至m4的平均轉速n，n=（n1+n2+n3+n4）/4；隨后進入步驟b2；步驟b2：計算平均轉速n和給定轉速n0差的絕對值｜n-n0｜，計算n0*0.5%的值，如果｜n-n0｜＜n0*0.5%，則進入步驟b3，否則進入步驟b4；步驟b3：預設電機m1至電機m4的給定扭矩均為t0；并采集電機m1至電機m4的實際扭矩，分別為t1、t2、t3、t4，計算電機m1至m4的平均扭矩t，t=（t1+t2+t3+t4）/4，隨后進入步驟b7；步驟b4：比較平均轉速n與給定轉速n0的大小，如果n＜n0，則進入步驟b5，否則進入步驟b6；步驟b5：使電機m1至電機m4的實際扭矩分別為：t1=t0*101%，t2=t0*101%，t3=t0*101%，t4=t0*101%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b6：使電機m1至電機m4的實際扭矩分別為：t1=t0*99%，t2=t0*99%，t3=t0*99%，t4=t0*99%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b7：計算平均扭矩t和電機mi扭矩ti的差的絕對值｜t-ti｜，計算t*5%的值，如果｜t-ti｜＜t*5%，則進入步驟b8，否則進入步驟b9；其中i=1，2，3，4；步驟b8：保持電機m1至電機m4的實際扭矩ti等于給定扭矩t0，即ti=t0，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；其中i=1，2，3，4；步驟b9：分別比較平均扭矩t與電機m1的實際扭矩ti的大小，如果t＜ti，則進入步驟b10，否則進入步驟b11；其中i=1，2，3，4；步驟b10：使電機mi的實際扭矩ti=t0*99%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；其中i=1，2，3，4；步驟b11：使電機mi的實際扭矩ti=t0*101%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；其中i=1，2，3，4；步驟b12：判斷是否結束自適應鉆進扭矩控制程序，是則結束程序，否則進入步驟b1。

16.優(yōu)選地，所述的電驅動全套管全回轉鉆機中所述控制器集成有垂直度控制模塊，垂直度控制模塊控制套管的垂直調節(jié)過程如下：步驟c1：將兩個激光網格發(fā)射器對稱分布在鉆機主體的兩側，將上一節(jié)套管安裝至鉆機主體；步驟c2：兩個激光網格發(fā)射器均向上一節(jié)套管的外表面發(fā)射網格結構光，使得上一節(jié)套管的外表面形成封閉的圖形；步驟c3：采用兩個攝像頭對上一節(jié)套管上的封閉的圖形進行采集，并通過垂直度控制模塊對采集到的圖形信息進行分析；

步驟c4：通過垂直度控制模塊建立封閉的圖形的位姿與鉆機主體上各調平油缸的伸縮桿伸長量的函數關系；步驟c5：若上一節(jié)套管上的封閉的圖形為橢圓形，則依據函數關系調節(jié)各伸縮桿的伸長量，以對上一節(jié)套管的垂直度進行實時糾正，直至上一節(jié)套管上的封閉的圖形為圓形；步驟c6：當上一節(jié)套管鉆進到接近所述鉆機主體的鉆機平臺的頂面后，在上一節(jié)套管上部連接下一節(jié)套管，依照步驟c2到步驟c6的調節(jié)方法對下一節(jié)套管進行實時垂直度監(jiān)測和垂直度糾正，直至鉆進到預設標高。

17.所述的步驟c2中，兩個激光網格發(fā)射器均向上一節(jié)套管的外表面發(fā)射網格結構光，使得上一節(jié)套管的外表面從上到下依次形成至少兩個封閉的圖形；步驟c4中，在垂直度控制模塊中建立上一節(jié)套管上的封閉的圖形的數字孿生模型，并建立所述數字孿生模型的極坐標系，并由所述垂直度控制模塊對所述數字孿生模型進行實時更新；步驟c5中，調節(jié)鉆機主體上各個伸縮桿的伸長量，直至所述鉆機主體的平臺水平。

18.本發(fā)明的有益效果在于：1、施工過程中，控制器能夠辨識出地層類型變化并通過調整第一類伺服電機的工作扭矩以及第二類伺服電機的下壓力，來滿足相應地層類型旋挖需求，提高旋挖質量以及鉆具的使用壽命。

19.2、施工過程中，鉆進部分的四個伺服電機采用了自適應控制策略，由控制器自適應控制電機驅動器調節(jié)電機扭矩，再通過減速機驅動鉆機動力頭旋轉打孔，提高鉆機工作效率，并保護了套管和鉆頭。

20.3、施工過程中，當套管發(fā)生傾斜的時候，控制器能夠判斷出套管發(fā)生傾斜并通過調節(jié)機構調節(jié)傾斜的套管至垂直狀態(tài)。

附圖說明

21.圖1是本發(fā)明實施例電驅動全套管全回轉鉆機的整體結構圖；圖2是本發(fā)明實施例電驅動全套管全回轉鉆機安裝激光網格發(fā)射器以及攝像頭后的結構圖；圖3是本發(fā)明實施例套管處于垂直狀態(tài)的監(jiān)測原理圖；圖4是本發(fā)明實施例套管處于傾斜狀態(tài)的監(jiān)測原理圖；圖5為本發(fā)明所述控制器的控制原理圖；圖6為本發(fā)明所述參數調控模塊以及派生參數計算模塊的原理圖；圖7為本發(fā)明所述參數調控模塊的流程圖；圖8是本發(fā)明自適應鉆進扭矩控制模塊的流程圖；圖中部件名稱和標號如下：鉆機主體10、鉆機平臺101、頂層支架102、底座103、軸編碼器21、壓力傳感器22、霍爾電流電壓傳感器23、位移傳感器24、扭矩傳感器25、角度傳感器26、液體壓力傳感器27、驅動部3、第一激光網格發(fā)射器41、第二激光網格發(fā)射器42、網格結構光401、夾緊裝置5、調平油缸6、伸縮桿61、第一節(jié)套管 7a、第二節(jié)套管 7b、控制器8、第一攝像頭91、第二攝像頭92、

鉆頭100。

具體實施方式

22.下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。可以理解的是，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關的部分而非全部結構。

23.如圖1-圖8所示，本實施例公開了一種電驅動全套管全回轉鉆機。該電驅動全套管全回轉鉆機包括鉆機主體10以及鉆具。鉆機主體包括控制器、驅動部、隨鉆參數監(jiān)測模塊、液壓機構以及垂直度控制裝置，垂直度控制裝置包括激光網格發(fā)射器、攝像頭以及垂直度控制模塊；所述控制器內集成有參數調控模塊、派生參數計算模塊、垂直度控制模塊以及自適應鉆進扭矩控制模塊；其中：所述的驅動部，采用電驅動方式，包括若干伺服電機。另外，所述驅動部采用外部電網/發(fā)電機組供電（三相交流380伏）。供電系統(tǒng)包括：發(fā)動機、發(fā)電機、發(fā)電機控制器、電網控制柜、高壓管理單元、鉛酸電池、三相數顯多功能電表、控制器、數據采集單元、gps定位單元、顯示器。

24.各伺服電機分為兩類，對應為第一類、第二類伺服電機。第一類伺服電機用于驅動鉆具，實現鉆具旋轉鉆進；數量一共有四個，對應為電機m1至m4；電機m1至m4均各自通過一個動力傳動機構與鉆具聯動連接，用于協(xié)同驅動鉆具旋轉鉆進；所述的電機m1至m4中，兩兩為一組，對稱分布在鉆具的兩側。第二類伺服電機的數量為1個，對應為電機m5，用于驅動液壓油泵，以通過油缸控制閥組總成來控制液壓機構的伸縮，實現套管的松、夾、壓、拔動作和鉆機平臺的調平。第二類伺服電機數量為1個，對應為電機m5，直接驅動液壓油泵，再通過液壓油泵配合油缸控制閥組總成完成液壓機構的各油缸伸縮的高精度控制，從而實現對套管的松、夾、起、拔動作控制和鉆機平臺101的調平控制。液壓機構包括起拔油缸、調平油缸以及上、下夾緊油缸，所述起拔油缸包含4個油缸，所述上夾緊油缸包含2個油缸，所述下夾緊油缸包含2個油缸，所述調平油缸包含4個油缸。起拔油缸用于實現套管的起、拔動作控制，上、下夾緊油缸用于實現套管的松、夾動作控制，調平油缸用于實現鉆機平臺101的調平控制。

25.電網控制柜的供電端分別通過斷路器、接觸器、電抗器、電機驅動器與電機m1至m5一一對應連接，為各伺服電機供電。同時，所述的每一個電機驅動器均配設有制動電阻。電機m1至m4通過動力頭減速機協(xié)同帶動動力頭（鉆具）旋轉實現鉆機的鉆進功能。電機m5通過直接驅動液壓泵，再通過液壓油泵驅動液壓馬達配合控制閥（油缸控制閥總成）完成液壓機構各油缸伸縮的高精度控制，從而實現對套管的松、夾、起、拔動作控制和鉆機平臺的調平控制。

26.所述的隨鉆參數監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測套管的轉速、套管的垂直鉆進深度、伺服電機的電流電壓變化、伺服電機的輸出扭矩以及液壓機構各油缸的進出油壓力，并分別反饋至參數調控模塊、派生參數計算模塊。具體地，所述的隨鉆參數監(jiān)測模塊包括若干傳感器以及變送器、數字量輸入單元、顯示屏，各傳感器對應為軸編碼器、位移傳感器、霍爾電流電壓傳感器、扭矩傳感器、及液體壓力傳感器；所述的軸編碼器用于實時監(jiān)測套管的轉速，安裝在套管附近的鉆機主體上；所述的位移傳感器用于實時監(jiān)測套管的垂直鉆進深度，安裝在套管附近的鉆機主體上；所述的霍爾電流電壓傳感器，針對每一個伺服電機均配設一個；

各霍爾電流電壓傳感器一一對應地安裝在相應伺服電機的工作電路中，用于監(jiān)測各自對應的伺服電機的電流電壓變化；所述的扭矩傳感器，針對每一個伺服電機均配設一個；各扭矩傳感器均與相應的伺服電機的輸出軸同軸安裝，用于實時監(jiān)測對應伺服電機的輸出扭矩；起拔油缸、調平油缸以及上、下夾緊油缸的進、出油管處均安裝有一個液體壓力傳感器；所述的液體壓力傳感器用于監(jiān)測安裝位點處的油壓。換句話來講，本發(fā)明中，安裝在起拔油缸的進、出油管處的液體壓力傳感器用于監(jiān)測起拔油缸的進、出油壓力；安裝在調平油缸的進、出油管處的兩個液體壓力傳感器用于監(jiān)測調平油缸的進、出油壓力；安裝在上夾緊油缸的進、出油管處的兩個液體壓力傳感器用于監(jiān)測上夾緊油缸的進、出油壓力；安裝在下夾緊油缸的進、出油管處的兩個液體壓力傳感器用于監(jiān)測下夾緊油缸的進、出油壓力。

27.本發(fā)明中，套管轉速、鉆進深度、鉆井率、動力頭扭矩、周轉速、下壓力、實時地層比功、地層類型預測等回轉鉆機工作參數顯示在顯示屏中。

28.所述的派生參數計算模塊，根據隨鉆參數監(jiān)測模塊所反饋的鉆機直測參數計算出對應的鉆機派生參數，并輸出至參數調控模塊；所述的鉆機派生參數包括動力頭扭矩、鉆進率、周轉速以及下壓力。鉆機直測參數包括套管轉速、鉆進深度、電機負載、電機扭矩、下壓力。

29.所述的參數調控模塊，基于地層表功數學模型而構建，能夠根據所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數預測地層類型，并根據所預測的地層類型向控制各伺服電機的電機控制器（電機驅動器）輸出執(zhí)行指令，使得第一類伺服電機的總工作扭矩與所預測的地層類型匹配、第二類伺服電機帶動液壓機構所提供的下壓力與所述的第一類伺服電機的總工作扭矩匹配。具體地，本發(fā)明所述的參數調控模塊包括參數輸入模塊（數字量輸出單元）、地層表功計算模塊、地層類型預測模塊以及執(zhí)行指令輸出模塊；其中：所述的參數輸入模塊，用于接收隨鉆參數監(jiān)測模塊所采集到的鉆機直測參數以及派生參數計算模塊所輸出的鉆機派生參數；所述的地層表功計算模塊，根據參數輸入模塊所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數，計算出實時地層比功，并傳輸至地層類型預測模塊；所述的地層類型預測模塊，將所接收到的實時地層比功與預設的地層質量比功分級表進行比對，以預測出對應的地層類型；所述的執(zhí)行指令輸出模塊，根據所預測的地層類型，通過交流變頻驅動單元向控制伺服電機的電機控制器（電機驅動器）輸出執(zhí)行指令，使得第一類伺服電機的總工作扭矩與所預測的地層類型匹配、第二類伺服電機帶動液壓機構所提供的下壓力與所述的第一類伺服電機的總工作扭矩匹配。

30.本發(fā)明中，激光網格發(fā)射器的數量為兩個，攝像頭的數量為兩個；兩個激光網格發(fā)射器對稱分布在鉆機主體10的兩側，兩個攝像頭對稱分布在鉆機主體10的兩側；兩個激光網格發(fā)射器分別用于向安裝在鉆機主體10上的套管的外表面發(fā)射網格結構光401，兩個攝像頭采集網格結構光401并將采集的圖像信息反饋至控制器8內所集成的垂直度控制模塊；控制器8內所集成的垂直度控制模塊能夠根據圖像信息拼合分析處理后判斷套管是否處于垂直狀態(tài)，并根據判斷結果向液壓機構中的調平油缸發(fā)出執(zhí)行指令，控制調平油缸伸縮，使得所述套管始終處于垂直狀態(tài)：當拼合處理后的圖像信息呈封閉圓形時，判斷結果表明所述套管呈垂直狀態(tài)，調平油缸在所述垂直度控制模塊的控制下，維持現有工作狀態(tài)不變；當拼合處理后的圖像信息呈封閉橢圓形時，判斷結果表明所述套管呈傾斜狀態(tài)，調平油缸在所述垂直度控制模塊的控制下動作，調節(jié)傾斜的套管至垂直狀態(tài)。本發(fā)明所述的鉆機主體

10包括鉆機平臺101，調平油缸6有四個，各調平油缸的伸縮桿61與鉆機平臺101連接且伸長量可調。為保證套管與鉆機平臺101垂直，可以通過調節(jié)各調平油缸的伸縮桿61的伸長量來將鉆機平臺101調節(jié)至水平，直至套管相對于鉆機平臺101垂直。

31.本發(fā)明所述的控制器8建立圖像信息的位姿與各調平油缸6的伸縮桿61伸長量的函數關系，并根據函數關系調節(jié)各伸縮桿61的伸長量以調節(jié)套管至垂直狀態(tài)。

32.本發(fā)明中，所述的電機m1至m4通過控制器內所集成的自適應鉆進扭矩控制模塊進行工況控制，具體地，所述的自適應鉆進扭矩控制模塊，包括電機轉速采集模塊、電機轉速判斷模塊、電機扭矩采集模塊、電機扭矩判斷模塊以及電機扭矩執(zhí)行模塊；所述的電機轉速判斷模塊有兩個，對應為第一、第二電機轉速判斷模塊；所述的電機扭矩判斷模塊包括兩個，對應為第一、第二電機扭矩判斷模塊；其中：所述的電機轉速采集模塊，用于采集電機m1至m4的轉速，并輸出至第一電機轉速判斷模塊；所述的電機扭矩采集模塊，用于采集電機m1至m4的扭矩，并輸出至第一電機扭矩判斷模塊；所述的第一電機轉速判斷模塊，用于判斷平均轉速n和給定轉速n0差的絕對值｜n-n0｜是否小于n0*0.5%；當判斷結果表明｜n-n0｜＜n0*0.5%時，觸發(fā)第一電機扭矩判斷模塊，反之則觸發(fā)第二電機轉速判斷模塊；其中：平均轉速n根據所接收到的電機m1至m4的轉速計算得出；所述的第二電機轉速判斷模塊，用于判斷平均轉速n是否小于給定轉速n0，當判斷結果表明n＜n0時，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第一電機扭矩執(zhí)行指令，反之則通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第二電機扭矩執(zhí)行指令；所述的電機m1至m4，在第一電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，同時增加電機m1至m4的扭矩，增加幅度為給定扭矩n0的1%；所述的電機m1至m4，在第二電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，同時減小電機m1至m4的扭矩，減小幅度為給定扭矩n0的1%；所述的第一電機扭矩判斷模塊，用于判斷平均扭矩t和任一電機mi的扭矩ti的差的絕對值｜t-ti｜是否小于t*5%，其中i=1，2，3，4；平均扭矩t根據所接收到的電機m1至m4的扭矩計算而得；當判斷結果表明｜t-ti｜＜t*5%，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第三電機扭矩執(zhí)行指令；反之則觸發(fā)第二電機扭矩判斷模塊；所述的電機m1至m4，在第三電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，電機m1至m4的扭矩為給定扭矩n0；所述的第二電機扭矩判斷模塊，用于判斷平均扭矩t是否小于任一電機mi的扭矩ti，當判斷結果表明t＜ti時，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第四電機扭矩執(zhí)行指令，反之則通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第五電機扭矩執(zhí)行指令；所述的電機m1至m4，在第四電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，下調對應電機mi的扭矩，下調幅度為給定扭矩n0的1%；所述的電機m1至m4，在第五電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，增加對應電機mi的扭矩，增加幅度為給定扭矩n0的1%。

33.實施例1現有全套管全回轉鉆機采用的基本都是柴油發(fā)動機驅動油泵，油泵驅動液壓馬達，液壓馬達再驅動傳動機構實現鉆機的打樁、成樁功能。由于現有全套管全回轉鉆機使用

柴油機提供動力，就存在著發(fā)動機能效低、排放高、噪音大等缺點。本實施例采用伺服電機代替現有的柴油機，能效高、排放低、噪音小。

34.本實施例所述的電驅動全套管全回轉鉆機還包括隨鉆參數監(jiān)測與調平控制系統(tǒng)，隨鉆參數監(jiān)測與調平控制系統(tǒng)包括隨鉆參數監(jiān)測模塊和參數調控模塊。

35.本實施例的電驅動全套管全回轉鉆機包括伺服控制系統(tǒng)、垂直度控制系統(tǒng)、隨鉆參數監(jiān)測與調平控制系統(tǒng)和控制器8?？刂破?用于對電驅動全套管全回轉鉆機的樁基作業(yè)進行智能控制。

36.鉆機主體10是電驅動全套管全回轉鉆機的動作執(zhí)行機構，執(zhí)行電驅動全套管全回轉鉆機的各項鉆進動作。鉆機主體10包括底座103、驅動部3、起拔裝置、夾緊裝置5、調平機構6、頂層支架102。鉆具包括套管和鉆頭100。驅動部3是給電驅動全套管全回轉鉆機提供回轉動作的機構，驅動部3包括伺服電機、動力頭減速機。起拔裝置主要是給電驅動全套管全回轉鉆機提供壓、拔動作的機構，起拔裝置包括起拔油缸、立柱裝置。夾緊裝置5主要是套管的松、夾執(zhí)行機構，夾緊裝置5包括上下夾緊油缸、楔形夾緊機構。調平油缸6主要是通過調整鉆機主體10的鉆機平臺101的水平，從而保證套管的垂直鉆進機構。

37.電驅動全套管全回轉鉆機包含動力頭電機驅動控制系統(tǒng)、油缸控制閥組控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)。動力頭電機驅動控制系統(tǒng)主要控制回轉動作的啟停和左右回轉方向的控制。動力頭電機驅動控制系統(tǒng)包括：動力頭減速機、伺服電機、電機驅動器、制動電阻、斷路器、接觸器。油缸控制閥組控制系統(tǒng)主要是控制鉆機垂直度調整以及套管的松、夾以及鉆機壓、拔動作的執(zhí)行。油缸控制閥組控制系統(tǒng)包括：起拔油缸、上下夾緊油缸、調平油缸、液壓泵、伺服電機、電機驅動器、制動電阻、斷路器、接觸器。供電系統(tǒng)是為鉆機的持續(xù)工作提供動力來源，供電系統(tǒng)包括：發(fā)動機、發(fā)電機、發(fā)電機控制器、電網控制柜、高壓管理單元、鉛酸電池、三相數顯多功能電表、控制器8、數據采集單元、gps定位單元、顯示器。

38.隨鉆參數監(jiān)測與調平控制系統(tǒng)包括隨鉆參數監(jiān)測模塊和參數調控模塊。隨鉆參數監(jiān)測模塊包括軸編碼器21、位移傳感器24、霍爾電流電壓傳感器23、扭矩傳感器25、液體壓力傳感器27、變送器、數字量輸入單元及顯示屏。軸編碼器21實時監(jiān)測回轉鉆機的套管轉速。位移傳感器24實時監(jiān)測套管的垂直鉆進深度。霍爾電流電壓傳感器23監(jiān)測電機的電流電壓變化。扭矩傳感器25實時監(jiān)測電機的輸出扭矩。液體壓力傳感器27監(jiān)測起拔油缸、上下夾緊油缸的進出油壓力。參數調控模塊包括數字量輸出單元、交流變頻驅動單元、電機控制器8、五臺伺服電機、液壓泵、起拔油缸、上下夾緊油缸。

39.軸編碼器21和位移傳感器24安裝在鉆機平臺101上的套管附近?；魻栯娏麟妷簜鞲衅?3安裝在五臺伺服電機的工作電路中。扭矩傳感器25與伺服電機輸出軸同軸安裝。液體壓力傳感器27安裝在起拔油缸和上下夾緊油缸的進出油管處。控制器8、顯示驅動單元、液晶顯示屏安裝在操作臺處?？刂破?根據各傳感器的直測參數計算出派生參數。直測參數包括套管轉速、鉆進深度、電機負載、電機扭矩、下壓力。派生參數包括動力頭扭矩、鉆進率、周轉速等。

40.控制器8根據直測參數和派生參數通過地層比功數學模型計算出回轉鉆機工作時的實時地層比功，比對已知的地層質量比功分級表預測地層類型?？刂破?根據地層的不同類型為伺服電機分配不同的扭矩和下壓力，完成扭矩分配和下壓力分配。交流變頻驅動單元配合電機控制器實現伺服電機的同步控制。

41.整套設備采用外部電網（三相交流380伏）/發(fā)電機組供電。動力頭電機驅動控制系統(tǒng)控制四臺伺服電機驅動動力頭減速機實現鉆頭100鉆進，完成鉆機回轉切削。油缸控制閥組控制系統(tǒng)調節(jié)電磁閥來實現油缸控制（起拔油缸、上下夾緊油缸、調平油缸），完成鉆機套管的松、夾、壓、拔動作和鉆機平臺101的調平。

42.由五臺伺服電機完成鉆機的控制工作，其中四臺伺服電機直接驅動動力頭減速機的回轉運動實現動力頭帶動鉆頭100旋轉實現鉆機的鉆進功能。另一臺伺服電機直接驅動液壓油泵，再通過液壓油泵配合控制閥完成油缸伸縮的高精度控制，從而實現對套管的松、夾、起、拔動作控制和鉆機平臺101的調平控制。

43.通過在夾緊裝置5上安裝位置傳感器，以監(jiān)控電驅動全套管全回轉鉆機起拔和下壓動作，為電驅動全套管全回轉鉆機的自主工作提供監(jiān)測數據。

44.控制器8、數據采集單元、gps定位單元通過can總線組成，以進行遠程信息收集、協(xié)助控制操作?？刂破?將套管轉速、鉆進深度、鉆井率、動力頭扭矩、周轉速、下壓力、實時地層比功、地層類型預測等回轉鉆機工作參數顯示在顯示屏中。

45.本實施例的套管的垂直度控制系統(tǒng)包括兩個激光網格發(fā)射器、兩個高精度攝像頭以及控制器8組成。兩個激光網格發(fā)射器和兩個高精度攝像頭對稱分布在鉆機主體10的兩側。激光網格發(fā)射器向套管的表面發(fā)射網格結構光401。高精度攝像頭采集套管表面的網格結構光401圖像，并將網格結構光401圖像信息傳遞至控制器8的數據處理單元?？刂破?的數據處理單元對網格結構光401圖像信息進行處理。

46.具體地，兩個激光網格發(fā)射器水平發(fā)射網格結構光401并一起覆蓋套管的外圓柱面，以在套管表面形成多個封閉的圖形，多個封閉的圖形從上到下依次分布。當套管處于垂直狀態(tài)時，每個封閉的圖形為圓形。當套管處于傾斜狀態(tài)時，每個封閉的圖形為橢圓形。高精度攝像頭采集多個封閉的圖形，并通過控制器8的數據處理單元對該封閉的圖形進行分析。也即，當套管處于垂直狀態(tài)時，套管兩個半圓柱面上的網格將組成一個正圓。當套管處于傾斜狀態(tài)時，套管兩個半圓柱面上的網格將組成一個橢圓。套管的傾斜角度可以通過橢圓的傾斜方向以及橢圓的長軸和短軸進行顯示。為了降低套管表面粗糙或者不規(guī)整帶來的誤差，本實施例高精度攝像頭采集多個封閉的圖形，以保證后續(xù)建立函數關系時的準確度。

47.實施例2基于上述的電驅動全套管全回轉鉆機，本實施例提供一種適應于地層類型的伺服電機工作參數調控方法，如圖6-7所示，具體包括如下步驟：步驟a1、鉆機直測參數的監(jiān)測鉆機直測參數包括套管的轉速、套管的垂直鉆進深度、伺服電機的電流電壓變化、伺服電機的輸出扭矩以及液壓機構各油缸的進出油壓力；其中，采用安裝在套管附近的鉆機主體上的軸編碼器實時監(jiān)測套管的轉速，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用安裝在套管附近的鉆機主體上的位移傳感器實時監(jiān)測套管的垂直鉆進深度，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用霍爾電流電壓傳感器監(jiān)測對應伺服電機的電流電壓變化，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用扭矩傳感器實時監(jiān)測對應伺服電機的輸出扭矩，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用液體壓力傳感器監(jiān)測安裝位點處的油壓，以獲得相應油缸的進出油壓力，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；

步驟a2、計算鉆機派生參數根據所接收到的鉆機直測參數，計算出鉆機派生參數；鉆機派生參數包括動力頭扭矩、鉆進率、周轉速以及下壓力；步驟a3、計算實時地層比功采用地層比功數學模型，根據所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數，獲得實時地層比功；步驟a4、預測地層類型將所計算出的實時地層比功與參數調控模塊內預存的地層質量比功分級表比對，預測地層類型；步驟a5、工作扭矩、下壓力的分配根據預測出的地層類型，分別向第一類、第二類伺服電機的電機驅動器輸出執(zhí)行指令，從而為第一類伺服電機分配與地層類型匹配的工作扭矩，而為第二類伺服電機分配與前述第一類伺服電機的工作扭矩匹配的下壓力；步驟a6、伺服電機的工況控制第一類、第二類伺服電機按照步驟五輸出的執(zhí)行指令工作。

48.實施例3基于上述的電驅動全套管全回轉鉆機，本實施例提供一種電機m1至m4的自適應扭矩控制方法，如圖8所示，包括如下步驟：步驟b1：預設給定轉速n0，同時采集電機m1至電機m4的轉速,分別為n1、n2、n3、n4，并且計算出電機m1至m4的平均轉速n,n=（n1+n2+n3+n4）/4；隨后進入步驟b2；步驟b2：計算平均轉速n和給定轉速n0差的絕對值，即｜n-n0｜的值，計算給定轉速n0的0.5%，即n0*0.5%的值，如果｜n-n0｜＜n0*0.5%，則進入步驟b3，否則進入步驟b4；步驟b3：預設電機m1至電機m4的給定扭矩均為t0；并采集電機m1至電機m4的實際扭矩，分別為t1、t2、t3、t4，計算電機m1至m4的扭矩平均值t，t=（t1+t2+t3+t4）/4，隨后進入步驟b7；步驟b4：比較平均轉速n與給定轉速n0的大小，如果n＜n0，則進入步驟b5，否則進入步驟b6；步驟b5：使電機m1至電機m4的實際扭矩分別為：t1=t0*101%，t2=t0*101%，t3=t0*101%，t4=t0*101%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b6：使電機m1至電機m4的實際扭矩分別為：t1=t0*99%，t2=t0*99%，t3=t0*99%，t4=t0*99%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b7：計算平均扭矩t和電機mi扭矩ti的差的絕對值，即｜t-ti｜，計算平均扭矩t的5%，即t*5%的值，如果｜t-ti｜＜t*5%，其中i=1，2，3，4；則進入步驟b8，否則進入步驟b9；步驟b8：保持電機m1至電機m4的實際扭矩ti等于給定扭矩t0，即ti=t0，其中i=1，2，3，4，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b9：分別比較平均扭矩t與電機m1的實際扭矩ti的大小，如果t＜ti，其中i=1，2，3，4，則進入步驟b10，否則進入步驟b11；步驟b10：使電機mi的實際扭矩ti=t0*99%，其中i=1，2，3，4；實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；

步驟b11：使電機mi的實際扭矩ti=t0*101%，其中i=1，2，3，4；實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b12：判斷是否結束自適應鉆進扭矩控制程序，是則結束程序，否則進入步驟b1。

49.實施例4基于上述的電驅動全套管全回轉鉆機，本實施例提供一種套管的垂直調節(jié)過程，具體包括如下步驟：步驟c1：將兩個激光網格發(fā)射器對稱分布在鉆機主體10的兩側，將底端安裝好鉆頭100的第一節(jié)套管 7a安裝至鉆機主體10。

50.步驟c2：兩個激光網格發(fā)射器均向第一節(jié)套管 7a的外表面發(fā)射網格結構光401，使得第一節(jié)套管 7a的外表面從上到下依次形成至少兩個封閉的圖形。

51.步驟c3：兩個高精度攝像頭對第一節(jié)套管 7a上的封閉的圖形進行采集，并通過控制器8對采集到的圖形信息進行分析。

52.步驟c4：在控制器8中建立第一節(jié)套管 7a上的封閉的圖形的數字孿生模型，并建立該數字孿生模型的極坐標系，并由控制器8對數字孿生模型進行實時更新。

53.通過控制器8建立封閉的圖形的位姿與鉆機主體10上的調平機構6的各伸縮桿61伸長量的函數關系。

54.步驟c5：若第一節(jié)套管 7a上的封閉的圖形為圓形，則表明第一節(jié)套管 7a處于垂直狀態(tài)。若第一節(jié)套管 7a上的封閉的圖形為橢圓形，表明第一節(jié)套管 7a發(fā)生偏斜，依據函數關系調節(jié)鉆機主體10上的伸縮桿61伸長量，以對第一節(jié)套管 7a的垂直度進行實時糾正，直至第一節(jié)套管 7a上的封閉的圖形為圓形。具體地，調節(jié)鉆機主體10上的伸縮桿61伸長量，使得鉆機主體10的鉆機平臺101水平，也即使得第一節(jié)套管 7a垂直。

55.步驟c6：當第一節(jié)套管 7a鉆進到接近鉆機主體10的鉆機平臺101頂面時，用抓斗進行取土，取土完成后，在第一節(jié)套管 7a上部連接第二節(jié)套管 7b，依照步驟二到步驟五的調節(jié)方法對第二節(jié)套管 7b進行實時垂直度監(jiān)測和垂直度糾正。具體如下：兩個激光網格發(fā)射器均向第二節(jié)套管 7b的外表面發(fā)射網格結構光401，使得第二節(jié)套管 7b的外表面從上到下依次形成至少兩個封閉的圖形。

56.兩個高精度攝像頭對第二節(jié)套管 7b上的封閉的圖形進行采集，并通過控制器8對采集到的圖形信息進行分析。

57.在控制器8中建立第二節(jié)套管 7b上的封閉的圖形的數字孿生模型，并建立該數字孿生模型的極坐標系，并由控制器8對數字孿生模型進行實時更新。

58.通過控制器8建立封閉的圖形的位姿與鉆機主體10上的各伸縮桿61伸長量的函數關系。

59.若第二節(jié)套管 7b上的封閉的圖形為圓形，則表明第二節(jié)套管 7b處于垂直狀態(tài)。若第二節(jié)套管 7b上的封閉的圖形為橢圓形，表明第二節(jié)套管 7b發(fā)生偏斜，依據函數關系調節(jié)鉆機主體10上的伸縮桿61伸長量，以對第二節(jié)套管 7b的垂直度進行實時糾正，直至第二節(jié)套管 7b上的封閉的圖形為圓形。具體地，調節(jié)鉆機主體10上的伸縮桿61伸長量，使得鉆機主體10的鉆機平臺101水平，也即使得第二節(jié)套管 7b垂直。

60.當第二節(jié)套管 7b鉆進到接近鉆機平臺101頂面時，在第二節(jié)套管 7b上部連接第

三節(jié)套管，依照步驟二到步驟五的調節(jié)方法對第二節(jié)套管 7b進行實時垂直度監(jiān)測和垂直度糾正。依次類推，直至鉆進到預設標高。

61.如圖2所示，本實施例的兩個激光網格發(fā)射器分別為第一激光網格發(fā)射器41和第二激光網格發(fā)射器42。兩個高精度攝像頭分別為第一攝像頭91和第二攝像頭92。

62.本實施例的電驅動全套管全回轉鉆機能夠實時監(jiān)測套管的垂直度以及糾正套管的垂直度，以保證施工的精度。

63.顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為了清楚說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，能夠進行各種明顯的變化、重新調整和替代而不會脫離本發(fā)明的保護范圍。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。技術特征：

1.一種電驅動全套管全回轉鉆機，包括鉆機主體以及鉆具，鉆機主體包括控制器、驅動部、隨鉆參數監(jiān)測模塊以及液壓機構，鉆具包括套管以及安裝于所述套管的鉆頭，其特征在于，所述的驅動部采用電驅動方式，包括若干伺服電機；所述控制器內集成有參數調控模塊以及派生參數計算模塊；其中：所述的伺服電機，分為兩類，對應為第一類、第二類伺服電機；第一類伺服電機的動力輸出端與鉆具聯動連接；鉆具在第一類伺服電機的動力驅動下，能夠驅動鉆具旋轉鉆進；第二類伺服電機的動力輸出端依次通過液壓油泵、液壓馬達與安裝在液壓機構油路中的油缸控制閥組總成聯動連接；液壓機構在第二類伺服電機的動力驅動下，能夠實現套管的松、夾、壓、拔動作和鉆機平臺的調平；所述的隨鉆參數監(jiān)測模塊，用于實時監(jiān)測套管的轉速、套管的垂直鉆進深度、伺服電機的電流電壓變化、伺服電機的輸出扭矩以及液壓機構各油缸的進、出油壓力，并分別反饋至參數調控模塊、派生參數計算模塊；所述的派生參數計算模塊，根據隨鉆參數監(jiān)測模塊所反饋的鉆機直測參數計算出對應的鉆機派生參數，并輸出至參數調控模塊；所述的鉆機派生參數包括動力頭扭矩、鉆進率、周轉速以及下壓力；所述的參數調控模塊，基于地層表功數學模型而構建，能夠根據所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數預測地層類型，并根據所預測的地層類型向伺服電機輸出執(zhí)行指令；在參數調控模塊輸出的執(zhí)行指令的控制下，第一類伺服電機的總工作扭矩能夠與所預測的地層類型匹配，第二類伺服電機帶動液壓機構所提供的下壓力能夠與所述的第一類伺服電機的總工作扭矩匹配。2.根據權利要求1所述的電驅動全套管全回轉鉆機，其特征在于：所述的參數調控模塊包括參數輸入模塊、地層表功計算模塊、地層類型預測模塊以及執(zhí)行指令輸出模塊；所述的參數輸入模塊，用于接收隨鉆參數監(jiān)測模塊所采集到的鉆機直測參數以及派生參數計算模塊所輸出的鉆機派生參數；所述的地層表功計算模塊，根據參數輸入模塊所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數，計算出實時地層比功，并傳輸至地層類型預測模塊；所述的地層類型預測模塊，將所接收到的實時地層比功與預設的地層質量比功分級表進行比對，以預測出對應的地層類型；所述的執(zhí)行指令輸出模塊，根據所預測的地層類型，向伺服電機輸出執(zhí)行指令，使得第一類伺服電機的總工作扭矩能夠與所預測的地層類型匹配、第二類伺服電機帶動液壓機構所提供的下壓力能夠與所述的第一類伺服電機的總工作扭矩匹配。3.根據權利要求2所述的電驅動全套管全回轉鉆機，其特征在于：所述第一類伺服電機有四個，對應為電機m1至m4；電機m1至m4均各自通過一個動力傳動機構與鉆具聯動連接，用于協(xié)同驅動鉆具旋轉；所述的電機m1至m4中，兩兩為一組，對稱分布在鉆具的兩側；所述控制器內集成有自適應鉆進扭矩控制模塊，包括電機轉速采集模塊、電機轉速判斷模塊、電機扭矩采集模塊、電機扭矩判斷模塊以及電機扭矩執(zhí)行模塊；所述的電機轉速判斷模塊有兩個，對應為第一、第二電機轉速判斷模塊；所述的電機扭矩判斷模塊包括兩個，對應為第一、第二電機扭矩判斷模塊；其中：

所述的電機轉速采集模塊，用于采集電機m1至m4的轉速，并輸出至第一電機轉速判斷模塊；所述的電機扭矩采集模塊，用于采集電機m1至m4的扭矩，并輸出至第一電機扭矩判斷模塊；所述的第一電機轉速判斷模塊，用于判斷平均轉速n和給定轉速n0差的絕對值｜n-n0｜是否小于n0*0.5%；當判斷結果表明｜n-n0｜＜n0*0.5%時，觸發(fā)第一電機扭矩判斷模塊，反之則觸發(fā)第二電機轉速判斷模塊；其中：平均轉速n根據所接收到的電機m1至m4的轉速計算得出；所述的第二電機轉速判斷模塊，用于判斷平均轉速n是否小于給定轉速n0，當判斷結果表明n＜n0時，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第一電機扭矩執(zhí)行指令，反之則通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第二電機扭矩執(zhí)行指令；所述的電機m1至m4，在第一電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，同時增加電機m1至m4的扭矩，增加幅度為給定扭矩n0的1%；所述的電機m1至m4，在第二電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，同時減小電機m1至m4的扭矩，減小幅度為給定扭矩n0的1%；所述的第一電機扭矩判斷模塊，用于判斷平均扭矩t和任一電機m

i

的扭矩t

i

的差的絕對值｜t-t

i

｜是否小于t*5%，其中i=1，2，3，4；平均扭矩t根據所接收到的電機m1至m4的扭矩計算而得；當判斷結果表明｜t-t

i

｜＜t*5%，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第三電機扭矩執(zhí)行指令；反之則觸發(fā)第二電機扭矩判斷模塊；所述的電機m1至m4，在第三電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，電機m1至m4的扭矩為給定扭矩n0；所述的第二電機扭矩判斷模塊，用于判斷平均扭矩t是否小于任一電機m

i

的扭矩t

i

，當判斷結果表明t＜t

i

時，通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第四電機扭矩執(zhí)行指令，反之則通過電機扭矩執(zhí)行模塊輸出第五電機扭矩執(zhí)行指令；所述的電機m1至m4，在第四電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，下調對應電機m

i

的扭矩，下調幅度為給定扭矩n0的1%；所述的電機m1至m4，在第五電機扭矩執(zhí)行指令的控制下，增加對應電機m

i

的扭矩，增加幅度為給定扭矩n0的1%。4.根據權利要求3所述的電驅動全套管全回轉鉆機，其特征在于：所述鉆機主體配設有垂直度控制裝置，包括激光網格發(fā)射器、攝像頭以及垂直度控制模塊；其中：所述激光網格發(fā)射器的數量為兩臺，對稱分布在所述鉆機主體的兩側；所述激光網格發(fā)射器用于向所述套管的外表面映射網格結構光；所述攝像頭的數量為兩臺，對稱分布在所述鉆機主體的兩側，并一一對應地用于采集相應激光網格發(fā)射器映射至套管外表面的網格結構光圖像，同時將所采集到的網格結構光圖像信息反饋至垂直度控制模塊；所述垂直度控制模塊集成于所述控制器內，能夠根據兩個攝像頭所反饋的圖像信息，拼合處理后判斷所述套管是否處于垂直狀態(tài)，并根據判斷結果向液壓機構中的調平油缸發(fā)出執(zhí)行指令，控制調平油缸伸縮，使得所述套管始終處于垂直狀態(tài)。5.根據權利要求4所述的電驅動全套管全回轉鉆機，其特征在于：兩臺激光網格發(fā)射器和兩臺攝像頭均對稱齊平地安裝在鉆機主體的兩側；所述激光網格發(fā)射器能夠水平發(fā)射網格結構光并覆蓋套管相應側的外圓柱面；兩臺激光網格發(fā)射器所發(fā)射的網格結構光能夠完整拼合覆蓋套管的外圓柱面，以形成一系列封閉

的圓或橢圓；所述垂直度控制模塊建立所述圖像信息的位姿與所述調平油缸的伸縮桿伸長量之間的函數關系，并根據函數關系調節(jié)所述調平油缸的伸縮桿伸長量，以調節(jié)所述套管至垂直狀態(tài)。6.根據權利要求4所述的電驅動全套管全回轉鉆機，其特征在于：所述的隨鉆參數監(jiān)測模塊，包括若干傳感器，對應為軸編碼器、位移傳感器、霍爾電流電壓傳感器、扭矩傳感器、及液體壓力傳感器；所述的軸編碼器用于實時監(jiān)測套管的轉速，安裝在套管附近的鉆機主體上；所述的位移傳感器用于實時監(jiān)測套管的垂直鉆進深度，安裝在套管附近的鉆機主體上；所述的霍爾電流電壓傳感器，針對每一個伺服電機均配設一個；各霍爾電流電壓傳感器一一對應地安裝在相應伺服電機的工作電路中，用于監(jiān)測各自對應的伺服電機的電流電壓變化；所述的扭矩傳感器，針對每一個伺服電機均配設一個；各扭矩傳感器均與相應的伺服電機的輸出軸同軸安裝，用于實時監(jiān)測對應伺服電機的輸出扭矩；液壓機構包括起拔油缸、調平油缸以及上、下夾緊油缸；起拔油缸、調平油缸以及上、下夾緊油缸的進、出油管處均安裝有一個液體壓力傳感器；所述的液體壓力傳感器用于監(jiān)測安裝位點處的油壓。7.根據權利要求5所述的電驅動全套管全回轉鉆機，其特征在于：所述驅動部采用外部電網/發(fā)電機組供電。8.一種權利要求1所述的電驅動全套管全回轉鉆機的控制方法，其特征在于：所述的電驅動全套管全回轉鉆機中控制器內所集成的參數調控模塊，按照如下步驟執(zhí)行：步驟a1、鉆機直測參數的監(jiān)測鉆機直測參數包括套管的轉速、套管的垂直鉆進深度、伺服電機的電流電壓變化、伺服電機的輸出扭矩以及液壓機構各油缸的進出油壓力；其中，采用安裝在套管附近的鉆機主體上的軸編碼器實時監(jiān)測套管的轉速，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用安裝在套管附近的鉆機主體上的位移傳感器實時監(jiān)測套管的垂直鉆進深度，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用霍爾電流電壓傳感器監(jiān)測對應伺服電機的電流電壓變化，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用扭矩傳感器實時監(jiān)測對應伺服電機的輸出扭矩，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；采用液體壓力傳感器監(jiān)測安裝位點處的油壓，以獲得相應油缸的進出油壓力，并分別傳輸至參數調控模塊、派生參數計算模塊；步驟a2、計算鉆機派生參數根據所接收到的鉆機直測參數，計算出鉆機派生參數；鉆機派生參數包括動力頭扭矩、鉆進率、周轉速以及下壓力；步驟a3、計算實時地層比功采用地層比功數學模型，根據所接收到的鉆機直測參數、鉆機派生參數，獲得實時地層比功；步驟a4、預測地層類型

將所計算出的實時地層比功與參數調控模塊內預存的地層質量比功分級表比對，預測地層類型；步驟a5、工作扭矩、下壓力的分配根據預測出的地層類型，分別向第一類、第二類伺服電機的電機驅動器輸出執(zhí)行指令，從而為第一類伺服電機分配與地層類型匹配的工作扭矩，而為第二類伺服電機分配與前述第一類伺服電機的工作扭矩匹配的下壓力；步驟a6、伺服電機的工況控制第一類、第二類伺服電機按照步驟五輸出的執(zhí)行指令工作。9.根據權利要求8所述的電驅動全套管全回轉鉆機的控制方法，其特征在于：所述的電驅動全套管全回轉鉆機中所述控制器集成有自適應鉆進扭矩控制模塊，自適應鉆進扭矩控制模塊通過自適應扭矩控制方法而實現電機m1至電機m4的扭矩自適應控制；自適應扭矩控制方法包括如下步驟：步驟b1：預設給定轉速n0，同時采集電機m1至電機m4的轉速，分別為n1、n2、n3、n4，并且計算出電機m1至m4的平均轉速n，n=（n1+n2+n3+n4）/4；隨后進入步驟b2；步驟b2：計算平均轉速n和給定轉速n0差的絕對值｜n-n0｜，計算n0*0.5%的值，如果｜n-n0｜＜n0*0.5%，則進入步驟b3，否則進入步驟b4；步驟b3：預設電機m1至電機m4的給定扭矩均為t0；并采集電機m1至電機m4的實際扭矩，分別為t1、t2、t3、t4，計算電機m1至m4的平均扭矩t，t=（t1+t2+t3+t4）/4，隨后進入步驟b7；步驟b4：比較平均轉速n與給定轉速n0的大小，如果n＜n0，則進入步驟b5，否則進入步驟b6；步驟b5：使電機m1至電機m4的實際扭矩分別為：t1=t0*101%，t2=t0*101%，t3=t0*101%，t4=t0*101%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b6：使電機m1至電機m4的實際扭矩分別為：t1=t0*99%，t2=t0*99%，t3=t0*99%，t4=t0*99%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；步驟b7：計算平均扭矩t和電機m

i

扭矩t

i

的差的絕對值｜t-t

i

｜，計算t*5%的值，如果｜t-t

i

｜＜t*5%，則進入步驟b8，否則進入步驟b9；其中i=1，2，3，4；步驟b8：保持電機m1至電機m4的實際扭矩t

i

等于給定扭矩t0，即t

i

=t0，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；其中i=1，2，3，4；步驟b9：分別比較平均扭矩t與電機m1的實際扭矩t

i

的大小，如果t＜t

i

，則進入步驟b10，否則進入步驟b11；其中i=1，2，3，4；步驟b10：使電機m

i

的實際扭矩t

i

=t0*99%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；其中i=1，2，3，4；步驟b11：使電機m

i

的實際扭矩t

i

=t0*101%，實現自適應鉆進扭矩控制，隨后進入步驟b12；其中i=1，2，3，4；步驟b12：判斷是否結束自適應鉆進扭矩控制程序，是則結束程序，否則進入步驟b1。10.根據權利要求8所述的電驅動全套管全回轉鉆機的控制方法，其特征在于：所述的電驅動全套管全回轉鉆機中所述控制器集成有垂直度控制模塊，垂直度控制模塊控制套管的垂直調節(jié)過程如下：步驟c1：將兩個激光網格發(fā)射器對稱分布在鉆機主體的兩側，將上一節(jié)套管安裝至鉆

機主體；步驟c2：兩個激光網格發(fā)射器均向上一節(jié)套管的外表面發(fā)射網格結構光，使得上一節(jié)套管的外表面形成封閉的圖形；步驟c3：采用兩個攝像頭對上一節(jié)套管上的封閉的圖形進行采集，并通過垂直度控制模塊對采集到的圖形信息進行分析；步驟c4：通過垂直度控制模塊建立封閉的圖形的位姿與鉆機主體上各調平油缸的伸縮桿伸長量的函數關系；步驟c5：若上一節(jié)套管上的封閉的圖形為橢圓形，則依據函數關系調節(jié)各伸縮桿的伸長量，以對上一節(jié)套管的垂直度進行實時糾正，直至上一節(jié)套管上的封閉的圖形為圓形；步驟c6：當上一節(jié)套管鉆進到接近所述鉆機主體的鉆機平臺的頂面后，在上一節(jié)套管上部連接下一節(jié)套管，依照步驟c2到步驟c6的調節(jié)方法對下一節(jié)套管進行實時垂直度監(jiān)測和垂直度糾正，直至鉆進到預設標高。11.根據權利要求10所述的電驅動全套管全回轉鉆機的控制方法，其特征在于：所述的步驟c2中，兩個激光網格發(fā)射器均向上一節(jié)套管的外表面發(fā)射網格結構光，使得上一節(jié)套管的外表面從上到下依次形成至少兩個封閉的圖形；步驟c4中，在垂直度控制模塊中建立上一節(jié)套管上的封閉的圖形的數字孿生模型，并建立所述數字孿生模型的極坐標系，并由所述垂直度控制模塊對所述數字孿生模型進行實時更新；步驟c5中，調節(jié)鉆機主體上各個伸縮桿的伸長量，直至所述鉆機主體的鉆機平臺水平。

技術總結

本發(fā)明涉及電驅動全套管全回轉鉆機及其控制方法。鉆機包括鉆機主體以及鉆具，鉆機主體包括控制器、驅動部、隨鉆參數監(jiān)測模塊以及液壓機構，鉆具包括套管以及鉆頭，驅動部采用電驅動方式，包括若干伺服電機；控制器內集成有參數調控模塊；伺服電機分為第一類、第二類伺服電機，第一類伺服電機用于驅動鉆具旋轉鉆進，第二類伺服電機用于驅動液壓油泵，以通過油缸控制閥組總成來控制液壓機構的伸縮，實現套管的松、夾、壓、拔動作和鉆機平臺的調平；參數調控模塊通過地層表功數學模型辨識地層類型，并通過分配第一類伺服電機的總工作扭矩以及第二類伺服電機帶動液壓機構所提供的下壓力，滿足相應地層類型需要，從而提高旋挖質量，并保護鉆具。并保護鉆具。并保護鉆具。

技術研發(fā)人員：陳衛(wèi) 盧昊 江城樹 魏垂勇 陳小青 王穎杰 陳國安 劉海媛 王從明 顧齊齊

受保護的技術使用者：中國礦業(yè)大學

技術研發(fā)日：2022.05.19

技術公布日：2022/6/24