基于激光位移原理的曳引輪輪槽幾何參數檢測

陳建勛，蘇宇航，林曉明，吳周立

（廣東省特種設備檢測研究院珠海檢測院，珠海519002）

曳引輪是電梯曳引系統重要組成部件，曳引機通過曳引輪輪槽與鋼絲繩間的摩擦力為電梯轎廂上下運動提供驅動力。電梯在長期運行過程中，受鋼絲繩張力不均、裝配誤差過大、外來顆粒異物嵌入、曳引輪自身材料組織性能不一致等因素影響，曳引輪輪槽會發生磨損，使曳引條件發生改變。輪槽非正常磨損將導致電梯振動和噪聲，甚至造成溜梯、墩底、沖頂等故障和事故[1-3]，威脅乘客人身安全。

1 檢測方法及原理

日常檢驗過程中，一般通過目視或采用鋼直尺、輪槽磨損測量頭等接觸式方法，對輪槽磨損深度進行簡單評估[4-6]。實際上，曳引輪輪槽磨損不僅表現在磨損深度的改變，還體現在輪槽角度、輪槽切口角度、槽底圓弧曲率半徑和輪槽節圓直徑等多個幾何參數的改變，并進一步影響輪槽的曳引能力。目前能夠同時對曳引輪輪槽進行多個幾何參數檢測的裝置或系統，還比較少。

激光位移傳感器距離檢測是近年來發展較快的一種非接觸式表面輪廓尺寸檢測技術，具有檢測精度高、檢測速度快、測試數據齊全的優點，尤其適用于數十毫米高度差范圍內工件表面輪廓檢測[7-9]。將該檢測技術應用于曳引輪輪槽磨損狀況檢測，可快速提取出輪槽輪廓數據，通過開發分析軟件可根據輪廓數據計算出包括輪槽角度、輪槽切口角度在內的輪槽特征參數，給曳引輪磨損狀況評估提供全面的數據支撐。

曳引輪輪槽特征幾何參數激光位移檢測原理如圖1所示。圖中，激光位移傳感器1 與副步進電機7 相連，測試前通過調整副步進電機7 輸出轉軸的旋轉角度，使激光位移傳感器1 發射的激光束垂直射向曳引輪2 的輪槽面。計算機控制主電機3 帶動絲杠6 旋轉，進而使滑塊5 帶動傳感器1 沿導軌4 移動，通過傳感器沿曳引輪的軸向運動對輪槽輪廓數據序列進行提取。

圖1 輪槽幾何參數激光位移檢測原理Fig.1 Schematic of laser displacement detection for geometric parameters of wheel groove

激光位移傳感器檢測傳感器與被檢測物體表面的距離，并對外輸出與該距離成線性關系的模擬量信號。以在此所用MLD22 型激光位移傳感器為例，該傳感器有效檢測范圍為30 mm，可滿足不同槽深范圍的曳引輪輪槽檢測。傳感器輸出電壓與位移的關系曲線如圖2所示，檢測距離20～50 mm 對應的電壓模擬量輸出范圍為0～10 V，當檢測距離過大或過小時輸出電壓值將大于10 V。線性關系范圍內傳感器輸出電壓U 與檢測距離L 對應的函數關系為

圖2 激光位移傳感器輸出電壓與位移關系曲線Fig.2 Relation curve between output voltage and displacement of laser displacement sensor

2 檢測裝置開發

檢測裝置主要包括傳感器運動控制單元和數據采集單元。傳感器運動控制單元各模塊連接如圖3所示。

圖3 傳感器運動控制單元模塊連接Fig.3 Module connection of sensor motion control unit

工業平板電腦通過串口協議方式控制步進電機控制器，向其發送主步進電機和副步進電機轉動控制信號，步進電機控制器控制電機驅動器1 和電機驅動器2 分別控制主電機、副電機的轉速和轉動方向，并由驅動器對電機供電。由于步進電機控制器通過RS232 信號與上位機通訊，平板電腦通過USB 通訊方式進行數據收發，故采用RS232/USB 信號轉換模塊實現兩者間通訊。各模塊通過可充電鋰電池提供DC 24 V 供電。為方便數據存儲，用示波器進行激光位移傳感器輸出數據的高速采集。

傳感器運動控制上位機軟件采用Visual Basic語言基于Microsoft Windows 7.0 系統開發，軟件操作界面如圖4所示。

圖4 傳感器運動控制軟件界面Fig.4 Software interface for sensor motion control

通過選擇具體的電機，可對激光位移傳感器旋轉方向、旋轉速度、移動方向、移動速度、加速頻率、運動時間等參數進行控制。采用步距角為1.8°的步進電機，則傳感器移動速度為

式中：v 為傳感器移動速度，mm/s；N 為電機驅動器單位時間內給電機發送的脈沖數；L 為絲杠螺距，mm；i 為絲杠頭數；X 為步進電機細分數。步進電機細分數通過電機驅動器上撥碼開關設置為32，采用螺距為8 mm 的單頭絲杠，則電機控制時N 與v 的關系為

通過在軟件中設置單位時間內主電機輸出脈沖數，可控制傳感器在0.1～7.5 mm/s 速度范圍內進行輪槽輪廓數據掃查。

3 輪槽輪廓檢測試驗

采用開發的檢測裝置對某半圓形輪槽曳引輪進行輪槽幾何參數檢測，試驗裝置如圖5所示。

圖5 試驗裝置Fig.5 Test device

測試時傳感器沿曳引輪軸向掃描速度設置為2 mm/s，數據采集頻率為150 Hz。傳感器裝夾后，操作平板電腦控制主步進電機，使傳感器發射的激光點回到第1 個輪槽外側邊緣；通過控制副步進電機校準激光入射角度，使激光束與曳引輪外圓面垂直。隨后控制主步進電機沿曳引輪軸向對輪槽輪廓進行掃查，示波器記錄的傳感器輸出信號如圖6所示，傳感器掃查過程總耗時57 s。

圖6 傳感器輸出信號記錄結果Fig.6 Recording result of sensor output signal

4 輪槽幾何參數分析

4.1 提取輪廓數據

以輪槽外邊緣為徑向位移原點，根據圖2中電壓與距離的關系，將電壓轉化為輪槽徑向位移值，以第1 個輪槽槽口起點處作為曳引輪軸向位移原點，根據傳感器掃查速度將時間數據轉化為軸向位移數據，最終得到輪槽的輪廓數據曲線，如圖7所示。

圖7 輪廓數據曲線Fig.7 Wheel groove data curve

由于傳感器通過接收反射光信號對距離進行檢測，當激光束與待檢物體表面的入射角過大時，接收的反射信號微弱，出現部分測試盲區。該盲區位于輪槽切口的直線段，并不影響輪槽邊緣和槽底數據分析及后續輪槽關鍵幾何參數計算。

4.2 特征點提取與曲線擬合

將輪槽輪廓等效于直線和圓弧組成的連續幾何曲線。對于單個輪槽，提取出D1—D6共6 個特征點對直線段和圓弧段進行分割，如圖8所示。

圖8 輪槽特征點示意圖Fig.8 Diagrammatic sketch of characteristic points of wheel groove

圖中，D1和D4為輪槽兩側切口開始處的倒角邊緣；D2，D3為槽底圓弧的起點、終點；D5，D6為槽間邊緣直線段的起點、終點；R 為槽底圓弧擬合半徑；C 為圓心與槽間邊緣的距離；L1和L2分別為與槽底擬合圓相切的直線。L1和L2分別經過D2和D3，這2條切線的夾角即為輪槽角度γ。通過MatLab 的polyfit 函數進行線性擬合[10]，求解出各輪槽邊緣經過D5和D6的直線方程，通過圓方程擬合計算出槽底圓弧曲率半徑和圓心位置。得到的輪槽槽間邊緣直線段擬合直線方程為

式中：h 為輪槽軸向坐標；w 為輪槽徑向坐標。

槽間邊緣直線和槽底圓擬合結果如圖9所示，擬合圓對應的圓心坐標及半徑的計算結果見表1。

圖9 輪槽形狀擬合結果Fig.9 Shape fitting results of wheel grooves

表1 槽底圓擬合結果Tab.1 Fitting results of groove bottom circle

4.3 計算輪槽幾何參數

根據點到直線距離關系，計算出各輪槽節圓圓心（x0，y0）與式（4）中槽間邊緣直線的距離C 為

式中：k 為槽間邊緣直線斜率；b 為槽間邊緣直線在徑向位移軸上的截距。進一步計算出槽底與槽間邊緣距l 為

則輪槽節圓直徑D1為

式中：D0為輪槽外圓直徑。假設，圖8中槽底圓弧起點和終點坐標分別為點D2（X2，Y2）和點D3（X3，Y3），則可通過切線L2和L3的斜率計算出

式中：γ 為輪槽角度，弧度。

在此，所檢測曳引輪的外圓直徑為340 mm，該曳引輪匹配使用的鋼絲繩直徑dw為8 mm，節圓直徑與鋼絲繩直徑之比（D1/dw）為r。根據式（5）～式（8）計算出各輪槽幾何特征參數，具體結果見表2。

表2 輪槽幾何參數Tab.2 Wheel groove geometric parameters

根據各輪槽的l 值來分析輪槽不均勻磨損程度，可知第3 個輪槽磨損最嚴重，對應的D1，r 和γ最小； 第3 個輪槽與第5 個輪槽的D1之差最大，為0.66 mm。根據輪槽幾何參數，并參考電梯檢驗規程和相關標準，可對曳引輪輪槽磨損狀況進行評估，評估結果見表3。

表3 輪槽磨損狀況的評估Tab.3 Wheel groove wear assessment

5 結語

在此提出了基于激光位移傳感原理的曳引輪輪槽幾何參數檢測方法，開發了曳引輪輪槽檢測裝置。具體開發測試了該裝置主電機和副電機控制電路，開發出上位機電機控制軟件；將激光位移傳感器掃查的電壓信號轉化為輪槽輪廓數據，通過特征點提取和曲線擬合方法，求解出輪槽槽間邊緣直線擬合方程和槽底圓擬合方程。對某半圓形輪槽曳引輪進行了輪槽幾何特征尺寸檢測，并分析評估了輪槽的磨損狀況。具體計算出各輪槽的輪槽角度、節圓圓心與槽間邊緣距、槽底與槽間邊緣距、節圓直徑等參數，參考電梯檢驗規程和標準，可知該曳引輪存在節圓直徑差超標和不正常磨損現象。