基于激光位移法的電梯曳引輪輪槽磨損量檢測方法研究

錢明佺 李 飛 張志斌 張經緯 李躍宇

（1.江蘇省特種設備安全監督檢驗研究院 連云港 222000）

（2.江蘇海洋大學 連云港 222005）

目前中國電梯保有量較高，隨著人口老齡化，很多老舊小區正在或將要加裝電梯[1]。采用曳引驅動的電梯應用廣泛，曳引系統提供電梯的垂直牽引力。電梯曳引輪輪槽與鋼絲繩間的摩擦力使電梯升降，曳引輪輪槽磨損改變曳引輪節圓和鋼絲繩直徑、輪槽開口角度等參數，從而改變輪槽的當量摩擦系數[2-5]；輪槽磨損到一定程度將改變電梯的曳引能力，導致電梯異常振動和噪聲；嚴重時，不同工況下曳引能力不足，可能導致電梯轎廂發生無法提升、沖頂或蹲底等故障[6]。為了保證電梯安全工作，必須定期檢測電梯曳引輪輪槽磨損，因此需要研發基于規范的電梯關鍵重要件的精確、快速檢測和檢驗設備[7]。

電梯曳引輪輪槽磨損檢測方法有：1）目測法。檢測員根據經驗分析輪槽磨損程度，然后依據規范判斷是否更換曳引輪，這種方法只能定量分析輪槽磨損程度。2）接觸檢測法。接觸檢測法包括卡尺法（角尺法）、成型法（采用易變形介質，如橡皮泥壓入輪槽，取出后橡皮泥外輪廓與輪槽輪廓一致）[8]、規塞尺檢測法[9]、深度尺法[10]。卡尺法、成型法檢測速度較慢，需要拆卸曳引輪，較費時；而規塞尺檢測法對不同曳引輪的適用性不好，深度尺法只能測量輪槽磨損量。3）非接觸檢測法。孫悅提取不同磨損狀態曳引輪運行中的聲信息，提出了一種基于聲發射特征的電梯曳引輪磨損分析及壽命預測方法[11]，但該方法易受干擾，還無法實現磨損量等參數的檢測；謝小娟等人采用圖像處理技術識別輪槽異常磨損，采用基于隨機Hough 變換的圖像識別技術提取表征輪槽累積磨損量的鋼絲繩相對離散特征參數[12]，但是這種方法不能定量分析磨損量且只能識別不均勻磨損；劉士興等人研發了一種基于單目視覺的電梯曳引輪磨損檢測系統，實現了基于輪廓形狀匹配與邊緣擬合算法的繩槽磨損量的非接觸測量[13]，但該系統對測試光照環境要求較高；陳建勛等人基于激光位移傳感原理，點激光位移傳感器由步進電機帶動沿曳引輪寬度方向運動提取輪槽輪廓數據[14]，該方法測量精確度較高，因為傳感器裝夾原因，目前只能實現停機檢測；林永森等人基于線激光位移法，對電梯曳引輪輪槽不均勻磨損進行評估[15]，但受場地因素和各種雜光干擾較大。

本文研制一種基于線激光位移法的曳引輪輪槽磨損快速和非接觸檢測系統，包括專用夾具、線激光傳感器、數據采集裝置，數據處理裝置。專用夾具使傳感器置于曳引輪下方，實現輪槽磨損在線檢測；激光傳感器和數據采集分析系統對曳引輪輪槽輪廓數據進行測量和采集，對輪廓數據點進行擬合可以得到輪槽節圓直徑、輪槽頂-底間距等參數，根據這些參數可以計算出輪槽磨損量。

1 輪槽輪廓參數測量原理

線激光3D 位移傳感器測量精度高，可同時測量曳引輪多輪槽輪廓數據，便于自動控制，在零件磨損表面輪廓掃描等領域已有實際應用[16]。

線激光與幾何體輪廓截交線上點坐標為（x，z），此點坐標與相機圖像上一個像素坐標（u，ν）對應。濾光片只讓激光波段的光進入相機，得到輪廓線上的像素坐標（u1，ν1），（u2，ν2）等。由“三角測量法”計算出這個輪廓線上的相應坐標（x1，z1），（x2，z2）等。當幾何體相對線激光傳感器運動（運動方向與輪廓面垂直，y 向），知道相對運動速度，則每個輪廓截交線y 坐標已知，即可繪制幾何體外輪廓三維圖形。

2 曳引輪輪槽磨損量檢測系統

曳引輪輪槽磨損量檢測裝置包括專用夾具、線激光位移傳感器、數據采集裝置、數據處理裝置，如圖1、圖2 所示。

圖1 測量裝置示意圖

圖2 測量裝置

線激光位移傳感器Z 軸分辨率為0.017 mm，X 軸分辨率為0.062 mm，線激光波長為650 nm，掃描速度為450 Hz，測量范圍為255.86±40 mm，傳感器的有效檢測區為梯形，梯形形心是傳感器坐標系原點。試驗時，線激光束需與曳引輪徑向面重合。

線激光位移傳感器測量位移并輸出與位移呈線性關系的電壓值，數據采集裝置轉換此電壓值為坐標值。數據處理裝置包括：1）輪槽輪廓三維重建模塊，繪制各徑向截面的輪槽輪廓線；2）輪槽輪廓幾何參數分析計算模塊，此模塊分析計算輪槽磨損量數據、輪槽磨損量與輪槽開口角度關系、輪槽切口寬度、輪槽角度、下部切口角度、輪槽節圓差等特征幾何參數；3）曳引安全性評估模塊，基于上面計算分析結果，根據GB 7588—2003《電梯制造與安裝安全規范》對電梯的曳引能力進行評估。

為了不停機檢測，設計了線激光位移傳感器專用夾具，見圖3、圖4。線激光位移傳感器安裝在專用夾具的橫桿上，置于曳引輪下方，可以避免線激光束被鋼絲繩遮擋；橫桿被立柱固定在運動平臺上，調節運動平臺使得線激光束與曳引輪徑向面重合。

圖3 傳感器固定夾具示意圖

圖4 試驗圖片

3 輪槽幾何參數分析計算

對某帶切口的半圓形曳引輪輪槽采用本系統進行測試，曳引輪輪槽的設計參數為：輪槽邊緣直徑D0為405 mm，輪槽節圓直徑D1為400 mm，槽底擬合圓半徑R 為5 mm，輪槽角γ 是35°。測量后直接從數據處理裝置輸出輪槽輪廓曲線，如圖5 所示。

圖5 輪槽輪廓曲線

由圖5 可知，槽底切口曲線靠近槽底不連續，因為輪槽切口直線段與線激光束平行，線激光傳感器接受的反射信號弱，出現部分盲區，但不影響對輪槽參數的分析計算。

采用參考文獻[14-15]類似方法，對圖5 中各輪槽輪廓曲線的槽底圓弧進行曲線擬合，得到槽底擬合圓方程，見式（1）：

式中：

x0，y0——槽底擬合圓圓心坐標；

R′——槽底擬合圓半徑。

如圖5 所示，選取槽3 和槽4 的槽邊緣線進行線性擬合，擬合方程見式（2）：

式中：

k——槽邊緣擬合直線方程斜率，k=0.025；

b——槽邊緣擬合直線方程截距，b=29 mm；

y，x——輪槽徑向坐標、軸向坐標。

式（1）中槽底擬合圓圓心（x0，y0）與式（2）槽邊緣擬合直線的距離C 用式（3）表示：

槽邊緣距節圓圓心的距離的設計值δ′用式（4）表示：

則輪槽徑向的磨損量δ 用式（5）表示：

如圖6 所示，輪槽磨損前后槽底圓弧曲率半徑分別為R 和R′，輪槽角分別為γ 和γ′；輪槽磨損后，徑向磨損量為δ，槽底圓弧圓心從O 點移到O′點；輪槽磨損前槽底圓弧切線為AB，輪槽磨損后槽底圓弧切線為A′B′，則徑向磨損量δ 根據幾何關系由式（6）計算：

圖6 磨損前后輪槽角變化分析圖

式（6）簡化后，磨損后輪槽角與磨損量的關系由式（7）表達：

式中：

δ——磨損量；

R——槽底圓弧半徑設計值；

R′——磨損后槽底圓弧半徑；

γ——輪槽角度；

γ′——磨損后輪槽角度。

當0.5γ′從0.5γ 減小到0 之后，磨損量δ 達到最大值δ0，見式（8）：

由式（1）得到的槽底擬合圓圓心坐標x0和y0，槽底擬合圓圓心（x0，y0）與式（2）槽邊緣擬合直線的距離C，輪槽徑向的磨損量δ，磨損后輪槽節圓直徑D2=D0-2C，磨損后輪槽角度γ′，具體結果見表1。

表1 輪槽輪廓幾何參數

由表1 看出，槽1 的磨損量δ 最大，為0.32 mm，槽1 磨損最嚴重，與此對應槽1 的磨損后輪槽節圓直徑D2和磨損后輪槽角度γ′最小；磨損量越大，輪槽角越小。

用精度0.01 mm 的游標卡尺卡口間隙來模擬輪槽間隙，檢測系統提取卡口邊緣的坐標，把實際測量結果與卡尺的標準值進行比較，驗證輪槽磨損量檢測系統的精度。實驗時，游標卡尺卡口間隙分別為2 mm、3 mm、5 mm、6 mm，檢測系統分別對此4 個間隙進行測量，每個間隙測量5 次，每個間隙游標卡尺的值作為標準值。測量結果見表2，測量系統的最大均方根誤差為0.062 mm，滿足曳引輪輪槽檢測的精度要求。

表2 精度對比實驗結果 mm

4 結論

在分析目前各種電梯曳引輪輪槽磨損檢測方法的基礎上，本文采用線激光傳感器，開發了一種輪槽磨損檢測系統；設計一種傳感器專用夾具，傳感器安裝在專用夾具的橫桿上，置于曳引輪下方，實現不停機檢測；通過采集曳引輪所有輪槽輪廓坐標值，進行輪槽輪廓三維重建，繪制各徑向截面的輪槽輪廓線；分析計算輪槽磨損量數據、輪槽磨損量與輪槽開口角度關系、輪槽切口寬度、輪槽角度、下部切口角度、輪槽節圓差等特征幾何參數；測量系統最大均方根誤差為0.062 mm，滿足工程中對輪槽磨損量檢測的精度要求。