電梯光幕檢測過程自動化裝置的設(shè)計與研究

盧華兵，張海鷗，王桂蘭

（1.華中科技大學(xué) 數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，武漢 430074；2.華中科技大學(xué) 材料成型與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實驗室，武漢 430074）

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)和我國城市化的高速發(fā)展，建筑趨于高層化，配套的設(shè)備也越來越齊全，其中電梯的保有量就在逐步攀升。而隨著電梯的大量使用，電梯安全事故也越來越多[1,2]。電梯光幕作為一個重要的保護(hù)裝置，得到了快速的發(fā)展，現(xiàn)在光幕產(chǎn)品性能穩(wěn)定，技術(shù)日趨成熟。盡管如此，對電梯光幕的檢測仍然必不可少。目前，雖然理論上有各式動態(tài)檢測方法，但是國內(nèi)外對電梯光幕的檢測都只是采用人工模擬的方式對其各項性能指標(biāo)進(jìn)行測試，由于容易受到人為因素的影響，不能真正反映電梯光幕的實際性能。在電梯光幕性能檢測裝置的研究上都普遍的偏向于實驗，還沒有適用于電梯光幕生產(chǎn)廠家的高效率檢測裝置。

本課題組所研制的電梯光幕檢測過程自動化裝置，能按照電梯光幕生產(chǎn)廠家的檢測要求，通過PLC和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，自動模擬電梯光幕的檢測動作，實現(xiàn)電梯光幕終檢工序的自動化，提高了終檢效率和檢測可靠度。

1 電梯光幕性能檢測要求

電梯光幕是一種光線式電梯門安全保護(hù)裝置，由安裝在電梯轎門兩側(cè)的紅外發(fā)射器與紅外接收器、安裝在轎頂?shù)碾娫春屑皩Ｓ萌嵝噪娎|四大部分組成[3]。當(dāng)乘客進(jìn)出電梯阻擋了紅外光幕掃描過程中的任何一束，光幕控制系統(tǒng)就會探知，并輸出信號給電梯轎廂門系統(tǒng)，使正在關(guān)閉的電梯門反轉(zhuǎn)打開，從而起到保護(hù)乘客的目的[4]。

目前我國的電梯光幕生產(chǎn)廠家較多，產(chǎn)量較大，但由于電梯光幕沒有列入到電梯安全部件，其產(chǎn)品性能還沒有引起業(yè)界足夠的重視。使用已超過幾十年的產(chǎn)品，到現(xiàn)在還沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[5,6]，只有一些生產(chǎn)企業(yè)采用人工方法對產(chǎn)品自行進(jìn)行檢驗，其檢測效率低，且不能真實反映光幕在實際使用環(huán)境條件下的綜合性能，導(dǎo)致產(chǎn)品的質(zhì)量參差不齊，使用過程中出故障的頻率較高。目前企業(yè)對電梯光幕終檢的性能要求如表1所示。

表1 電梯光幕性能檢測要求

2 檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 裝置的整體布局

根據(jù)電梯光幕的性能檢測要求和目前市場上電梯光幕生產(chǎn)廠家的終檢工序，對其進(jìn)行分析，將裝置的檢測部分分為三部分：橫向角度檢測機(jī)構(gòu)，檢測滑臺和遮擋機(jī)構(gòu)。其整體布局如圖1所示。

圖1 裝置整體結(jié)構(gòu)布局

該裝置的整體布局較為緊湊合理，光幕橫向放置于骨架組合上有利于工人的放置和取走光幕，便于操作；上下料機(jī)構(gòu)采用龍門式結(jié)構(gòu)，對其他運(yùn)動不造成干涉。

2.2 檢測動作分配

電梯光幕檢測過程自動化裝置由上下料機(jī)構(gòu)和檢測機(jī)構(gòu)組成，其中檢測機(jī)構(gòu)主要由三部分組成：橫向角度檢測機(jī)構(gòu)、檢測滑臺機(jī)構(gòu)和遮擋檢測機(jī)構(gòu)。

橫向角度檢測機(jī)構(gòu)用于檢測電梯光幕的橫向角度偏差，由步進(jìn)電機(jī)完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的偏轉(zhuǎn)運(yùn)動；檢測滑臺用于檢測電梯光幕的垂直偏差、水平偏差、檢出程度和縱向角度偏差，由氣缸完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，檢測滑臺的整體運(yùn)動由伺服電機(jī)控制；遮擋檢測機(jī)構(gòu)用來模擬光幕的遮擋，其執(zhí)行機(jī)構(gòu)由步進(jìn)電機(jī)完成。

2.3 檢測滑臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了方便檢測，將水平偏差、垂直偏差、縱向角度偏差三個檢測項目合并為一個工位，在檢測滑臺上完成。檢測滑臺安裝于雙列直線導(dǎo)軌上，在伺服電機(jī)的驅(qū)動下[7,8]，可以在0～4m的范圍內(nèi)運(yùn)動，便于在1m處和4m處的遮擋檢測。

檢測滑臺設(shè)計為三層，通過上下料機(jī)構(gòu)將光幕移動到檢測滑臺上面并夾緊，檢測滑臺可以執(zhí)行上下、左右和旋轉(zhuǎn)動作，具體設(shè)計如圖2所示。

圖2 檢測滑臺結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

電梯光幕接收端移至檢測滑臺上面，在傳感器檢測到電梯光幕到位后，夾緊氣缸將光幕夾緊。上下直線氣缸1工作，使電梯光幕接收端向上移動3mm進(jìn)行水平偏差檢測；左右直線氣缸2工作，使電梯光幕接收端向左右各移動15mm進(jìn)行垂直偏差檢測；前后直線氣缸3工作，使電梯光幕接收端繞圓錐滾子軸承中心旋轉(zhuǎn)15°進(jìn)行縱向角度偏差檢測。

檢測完畢之后，上電氣缸工作，將光幕接收端退回上下料機(jī)構(gòu)工作的位置。

2.4 橫向角度檢測臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

由于橫向角度的檢測較為復(fù)雜，綜合考慮裝置的整體布局，另外設(shè)計橫向角度檢測機(jī)構(gòu)來檢測電梯光幕的橫向角度偏差。

橫向角度偏差的檢測需要將電梯光幕進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，需要將光幕抬起，該運(yùn)動的實現(xiàn)由氣缸2和直線導(dǎo)軌完成，光幕的翻轉(zhuǎn)動作由步進(jìn)電機(jī)完成，其具體設(shè)計如圖3所示。

圖3 橫向角度檢測臺結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

上下料機(jī)構(gòu)將光幕運(yùn)送到檢測位置之后，氣缸1工作，將定位叉架1和定位叉架2插入到隨行夾具的定位孔當(dāng)中，其中定位叉架2位固定叉架，定位叉架1安裝在電機(jī)軸上。定位動作完成之后，氣缸2工作，推動上下移動支撐板向上運(yùn)動，將光幕抬起50mm，之后步進(jìn)電機(jī)工作，使電梯光幕發(fā)射端轉(zhuǎn)動5°。當(dāng)檢測完成之后，步進(jìn)電機(jī)復(fù)位，氣缸依次退回。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

該系統(tǒng)要求控制簡單、可靠性強(qiáng)，便于自動化作業(yè)，綜合考慮成本與軟件開發(fā)難易程度，該系統(tǒng)采用觸摸屏和PLC控制。觸摸屏提供人性化的交互界面，PLC控制機(jī)械部分按照檢測要求執(zhí)行檢測動作[9,10]。

按照性能檢測指標(biāo)，其檢測過程中各執(zhí)行部件的運(yùn)動流程如圖4所示。

圖4 檢測過程動作流程圖

PLC選型主要CPU、通訊模塊、I/O模塊、框架、電源等部分的選型。而I/O口數(shù)量是控制器和設(shè)計方案的主要依據(jù)之一，I/O分配是否合理直接影響整個系統(tǒng)的效率與穩(wěn)定性。通過分析該系統(tǒng)的特點(diǎn)與實際情況，基本I/O需求如表2所示。

表2 系統(tǒng)I/O需求

根據(jù)以上I/O口的需求情況分析，選擇型號為三菱FX2N-80MT型號的PLC。對于PLC系統(tǒng)程序，采用模塊化設(shè)計，由主程序和各功能子程序組成。在本控制系統(tǒng)中，子程序是各性能檢測指標(biāo)項目及上下料控制程序。

4 設(shè)計結(jié)果與性能分析

通過以上設(shè)計，完成了電梯光幕檢測過程自動化裝置的機(jī)械部分的設(shè)計，其設(shè)計結(jié)果如圖5所示。

圖5 裝置整體圖

用自動化檢測裝置可規(guī)范檢測標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)定量化檢測。提高了檢測效率，裝置實際動作時間如表3所示。

表3 檢測時間

完成一對光幕檢測的時間為31s，考慮時間余量（包括工位轉(zhuǎn)換與人工干預(yù)處理不合格品），實際完成一對檢測的時間大致為40s。兩對光幕疊加在一起一同檢測，一天按8小時工作制，一臺裝置一天的檢測量為1440（對），相比電梯光幕生產(chǎn)廠家現(xiàn)在800對/天的終檢過程，大大提高了工作效率。

5 結(jié)束語

電梯光幕檢測過程自動化裝置根據(jù)性能檢測要求并結(jié)合生產(chǎn)廠家的實際需求設(shè)計，用于電梯光幕生產(chǎn)過程的終檢工序，適用于直線掃描和交叉掃描等不同類型的電梯光幕。通過對檢測過程的自動化設(shè)計，減少了工人的勞動強(qiáng)度與員工數(shù)量，有效降低了企業(yè)生產(chǎn)成本，符合實際生產(chǎn)要求，具有一定的前瞻性和先進(jìn)性，對電梯的安全使用，提高電梯的質(zhì)量，提高電梯光幕生產(chǎn)廠家的生產(chǎn)效率，具有重要意義。

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