曳引式電梯軌道平行度在線監(jiān)測系統(tǒng)研究

晏洪財(cái)

（葫蘆島市檢驗(yàn)檢測中心， 遼寧 葫蘆島 125000）

0 引言

電梯作為一種可高空垂直位移的特殊載具， 在日常生活中使用的電梯種類很多， 其中曳引式電梯具備工作能力優(yōu)、 安全性能高以及有效提高整部電梯運(yùn)行功效等優(yōu)點(diǎn)，故被人們普遍使用，但是曳引式電梯中轎廂和對重裝置兩部分的導(dǎo)軌從人工安裝及后期監(jiān)測維修都存在一定的難度，電梯長時(shí)間運(yùn)行后無法實(shí)時(shí)、快速檢測轎廂和對重裝置的導(dǎo)軌部分是否發(fā)生變形、傾斜及斷裂等故障，繼而無法確保電梯內(nèi)人員的安全問題， 如何有效在線監(jiān)測曳引式電梯內(nèi)軌道的平行度、 平面度將是目前亟待解決的首要技術(shù)問題。

在過去，導(dǎo)軌直線度、扭曲度檢驗(yàn)都是采用人工檢查方法，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，同時(shí)也無法保證檢測精度，導(dǎo)致可信度不足[1-2]，目前國內(nèi)有很多專家學(xué)者對電梯軌道平行度進(jìn)行大量的研究與探索， 如張暖志使用激光投線儀調(diào)整曳引輪和導(dǎo)向輪的平行度的新方法， 用激光投線儀將轎廂中心線投射到不同位置上， 分別比較從曳引輪和導(dǎo)向輪出繩中心上放下的鉛垂線與激光投射線的距離，從而實(shí)現(xiàn)對曳引輪和導(dǎo)向輪平行度的調(diào)整和檢測[3]；李紅利采用角速度傳感器、 編碼器和基于光敏位置傳感器PSD的激光準(zhǔn)直測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對電梯單個(gè)導(dǎo)軌的垂直度、平面度以及雙導(dǎo)軌平行度的測量[4]；秦煜等人使用激光網(wǎng)格投影到待測量的工件表面， 并使用改進(jìn)的RANSAC 算法提取特征網(wǎng)格，然后使用SURF 算法進(jìn)行圖像特征點(diǎn)的提取和匹配， 并根據(jù)相機(jī)標(biāo)定結(jié)果計(jì)算特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)， 最后根據(jù)特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)， 計(jì)算電梯導(dǎo)軌的平面度、平行度[5]。

綜上可知，大多數(shù)檢測方法尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速的在線監(jiān)測與分析， 尚未存在對曳引式電梯轎廂及對重裝置兩部分軌道平行度的整體研究， 故本文提出一種利用激光測距傳感器、 方向傳感器以及無線接收模塊采集數(shù)據(jù)信息，采集數(shù)據(jù)到單片機(jī)中并進(jìn)行相關(guān)的軟件處理后，利用上位機(jī)的實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)功能， 可存儲電梯軌道當(dāng)前數(shù)據(jù)信息， 利用上位機(jī)和下位機(jī)結(jié)合使用的同時(shí)實(shí)現(xiàn)曳引式電梯軌道在線快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測，進(jìn)一步提高曳引式電梯的安全性能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路及方法

1.1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

曳引式電梯軌道主要由供轎廂上下運(yùn)動的主導(dǎo)軌和對重系統(tǒng)所搭配的副導(dǎo)軌構(gòu)成， 而且導(dǎo)軌之間需要達(dá)到工業(yè)上要求的平行度和平面度， 即電梯導(dǎo)軌安裝時(shí)和安裝后雙軌道的平行間距， 電梯導(dǎo)軌之間是否出現(xiàn)一定的傾斜角度，繼而導(dǎo)致導(dǎo)軌不共面，故本文為了能實(shí)時(shí)在線監(jiān)測軌道之間的平行度及平面度， 利用安裝在各導(dǎo)軌導(dǎo)靴上的的激光測距傳感器和傾角傳感器， 采集激光測距傳感器和傾角傳感器檢測的距離及傾角信號， 在已知時(shí)間和速度的情況下利用單片機(jī)計(jì)算當(dāng)前位置信息， 將信息與獲取的距離及傾角信號進(jìn)行匹配， 根據(jù)不同工程所要求雙導(dǎo)軌平行度的精度， 結(jié)合實(shí)時(shí)距離數(shù)值大小計(jì)算當(dāng)前精度，對比實(shí)際檢測精度和理想設(shè)定精度大小，當(dāng)實(shí)際檢測精度比理想設(shè)定精度偏差較大時(shí)， 標(biāo)記當(dāng)前檢測的雙導(dǎo)軌距離數(shù)值變化較大的地方；利用無線接收模塊，將單片機(jī)所處理后的數(shù)據(jù)信息反饋到上位機(jī)顯示屏中，可供工人實(shí)時(shí)在線監(jiān)測雙導(dǎo)軌的平行度及平面度。

上位機(jī)則是利用LabVIEW 語言所編寫的顯示界面，將所獲取的距離及傾角信號數(shù)據(jù)以曲線的形式顯示，結(jié)合數(shù)據(jù)信息重構(gòu)當(dāng)前電梯雙導(dǎo)軌實(shí)際使用情況， 還可選取不同時(shí)間段來進(jìn)行電梯雙導(dǎo)軌數(shù)據(jù)的存儲和分析，最終實(shí)現(xiàn)曳引式電梯軌道平行度及平面度實(shí)時(shí)在線監(jiān)測與分析。

1.2 傳感器的選型

1.2.1 激光測距傳感器

電梯軌道平行度需要利用測距模塊實(shí)時(shí)檢測， 根據(jù)雙導(dǎo)軌各點(diǎn)距離數(shù)值大小表征導(dǎo)軌之前是否平行， 并檢測是否能達(dá)到工業(yè)級精度要求， 考慮電梯運(yùn)行過程速度快、 工作情況較為復(fù)雜， 故需要激光測距的檢測精度較高， 根據(jù)以上要求選取TFmini-S12m 高性價(jià)比激光測距模組， 主要利用激光雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域。 TFmini-S 擁有低成本、體積小、低功耗三大優(yōu)點(diǎn)，并擁有多種接口，測量范圍廣可高大12m， 由于TFmini-S 體積小， 其盲區(qū)縮小至10cm、無懼環(huán)境光、最高支持1000Hz 輸出，同時(shí)可UART、IIC、I0 通信接口隨時(shí)切換。

激光測距的基本公式為：S=1/2×c×t，其中c 為大氣中光速，t 為光波往返時(shí)間， 而測量時(shí)間t 可根據(jù)脈沖測距和相位測距獲取。

1.2.2 傾角傳感器

電梯軌道平面度需要利用傾角模塊實(shí)時(shí)檢測， 根據(jù)雙導(dǎo)軌各點(diǎn)傾斜角度數(shù)值大小反應(yīng)其是否在一個(gè)平面中，還可檢測曳引式電梯單條導(dǎo)軌的傾斜程度，及時(shí)對故障區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。

傾角傳感器用于各種測量角度的應(yīng)用中[6]。 例如，高精度激光儀器水平、 工程機(jī)械設(shè)備調(diào)平、 遠(yuǎn)距離測距儀器、 高空平臺安全保護(hù)、 定向衛(wèi)星通訊天線的俯仰角測量、船舶航行姿態(tài)測量、盾構(gòu)頂管應(yīng)用、大壩檢測、地質(zhì)設(shè)備傾斜監(jiān)測、 火炮炮管初射角度測量、 雷達(dá)車輛平臺檢測、衛(wèi)星通訊車姿態(tài)檢測等等。 本次選用STM1x1x-A02P系列，使用芬蘭VTI 公司的3D MEMS 傳感器技術(shù)，抗震達(dá)20000g。 該產(chǎn)品都經(jīng)過嚴(yán)格的零點(diǎn)，靈敏度，以及溫度校正，適合精度要求比較高的應(yīng)用，主要功能是傾角測量、零點(diǎn)對準(zhǔn)、傾斜報(bào)警以及垂直監(jiān)控。

1.2.3 無線接收模塊

無線接收模塊是一款具有自主知識產(chǎn)權(quán)、 采用專利技術(shù)的低電壓微功耗ASK 超外差接收模塊。 模塊采用高性能RF 集成芯片以及高Q 介質(zhì)諧振穩(wěn)頻技術(shù)， 內(nèi)置溫度補(bǔ)償器電路及紋波抑制電路， 具有超小體積 （12×20×2mm）、低功耗（0.3mA）、低電壓、寬電源電壓范圍、高靈敏度、高穩(wěn)定性、高抗干擾、高性價(jià)比等特點(diǎn)，可以通過無鉛認(rèn)證、FCC、CE 各項(xiàng)指標(biāo)認(rèn)證， 是各種遙控系統(tǒng)及無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的理想選擇。

1.3 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合本次設(shè)計(jì)要求需進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)， 即初始化激光測距傳感器、傾角測量傳感器及無線模塊各個(gè)參數(shù)，采集距離和傾角數(shù)據(jù)信息， 利用串口通信將數(shù)據(jù)上傳到單片機(jī)，進(jìn)行距離、位置及角度之間的配合與轉(zhuǎn)換，進(jìn)行精度比較，驗(yàn)證平行度是否達(dá)到工業(yè)級精度要求，并將數(shù)據(jù)利用無線接收模塊上傳到上位機(jī)中， 即可實(shí)時(shí)、快速在線監(jiān)測電梯軌道平行度及平面度。 程序流程圖如圖1 所示。

圖1 程序流程圖Fig.1 Program flow chart

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用本次設(shè)計(jì)的在線監(jiān)控系統(tǒng)對電梯軌道平行度及平面度進(jìn)行監(jiān)測， 在四層樓房的電梯裝置上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 將監(jiān)控系統(tǒng)中激光傳感器和傾角傳感器安裝在導(dǎo)靴上，隨著轎廂和對重裝置的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，將無線接收裝置分別安放在單片機(jī)和上位機(jī)兩端， 可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離發(fā)送與接收信號。打開上位機(jī)顯示系統(tǒng)，進(jìn)入當(dāng)前主界面后，首先完成單片機(jī)與上位機(jī)的串口校驗(yàn)，利用無線接收模塊完成單片機(jī)與上位機(jī)的通信， 再結(jié)合單片機(jī)處理激光測距傳感器和傾角傳感器的距離及角度信號數(shù)據(jù)，將其傳遞至上位機(jī)中， 其中實(shí)時(shí)測得的轎廂及對重裝置兩部分的距離與角度信號數(shù)據(jù)與實(shí)際工業(yè)要求的理想數(shù)據(jù)信號之間的偏差曲線圖，見圖2、圖3。 曳引式電梯導(dǎo)軌間距的要求：兩列導(dǎo)軌頂面間的距離偏差即精度要求：轎廂導(dǎo)軌為（0～2）mm；對重導(dǎo)軌為（0～3）mm。

圖2 導(dǎo)軌距離偏差Fig.2 Distance deviation of guide rail

圖3 各導(dǎo)軌角度偏差Fig.3 Angle deviation of each guide rail

重復(fù)幾次試驗(yàn)后， 利用所獲取的轎廂及對重裝置兩部分各導(dǎo)軌的距離及角度偏差值進(jìn)行加權(quán)求平均值，得到最終的重復(fù)精度，見表1。

表1 重復(fù)精度數(shù)據(jù)Tab.1 Repeatability data of accuracy

3 結(jié)束語

根據(jù)所設(shè)計(jì)的曳引式導(dǎo)軌平行度在線監(jiān)測系統(tǒng)，利用多種傳感器相互配合使用，結(jié)合單片機(jī)編程使距離、角度及位置信息匹配， 同時(shí)將獲取的數(shù)據(jù)信息反饋到上位機(jī)，進(jìn)行實(shí)時(shí)標(biāo)記和數(shù)據(jù)同步，經(jīng)過多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其檢測的精度為0.52mm 和0.068°，檢測精度高，操作簡單，最終實(shí)現(xiàn)曳引式電梯平行度及平面度的實(shí)時(shí)、 快速在線監(jiān)測與分析。