曳引式電梯軌道平行度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

晏洪財(cái)

（葫蘆島市檢驗(yàn)檢測(cè)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(lèi)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(duì)重裝置兩部分的導(dǎo)軌從人工安裝及后期監(jiān)測(cè)維修都存在一定的難度，電梯長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后無(wú)法實(shí)時(shí)、快速檢測(cè)轎廂和對(duì)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(wú)法確保電梯內(nèi)人員的安全問(wèn)題， 如何有效在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(wèn)題。

在過(guò)去，導(dǎo)軌直線(xiàn)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(wú)法保證檢測(cè)精度，導(dǎo)致可信度不足[1-2]，目前國(guó)內(nèi)有很多專(zhuān)家學(xué)者對(duì)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(xiàn)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(xiàn)儀將轎廂中心線(xiàn)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(xiàn)與激光投射線(xiàn)的距離，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)曳引輪和導(dǎo)向輪平行度的調(diào)整和檢測(cè)[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(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(cè)量[4]；秦煜等人使用激光網(wǎng)格投影到待測(cè)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(cè)方法尚未實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)與分析， 尚未存在對(duì)曳引式電梯轎廂及對(duì)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(cè)距傳感器、 方向傳感器以及無(wú)線(xiàn)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(chǔ)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(xiàn)快速、準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)，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(dòng)的主導(dǎo)軌和對(duì)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(xiàn)監(jiān)測(cè)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(cè)距傳感器和傾角傳感器， 采集激光測(cè)距傳感器和傾角傳感器檢測(cè)的距離及傾角信號(hào)， 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(hào)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(duì)比實(shí)際檢測(cè)精度和理想設(shè)定精度大小，當(dāng)實(shí)際檢測(cè)精度比理想設(shè)定精度偏差較大時(shí)， 標(biāo)記當(dāng)前檢測(cè)的雙導(dǎo)軌距離數(shù)值變化較大的地方；利用無(wú)線(xiàn)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(xiàn)監(jiān)測(cè)雙導(dǎo)軌的平行度及平面度。

上位機(jī)則是利用LabVIEW 語(yǔ)言所編寫(xiě)的顯示界面，將所獲取的距離及傾角信號(hào)數(shù)據(jù)以曲線(xiàn)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(lái)進(jìn)行電梯雙導(dǎo)軌數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)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(xiàn)監(jiān)測(cè)與分析。

1.2 傳感器的選型

1.2.1 激光測(cè)距傳感器

電梯軌道平行度需要利用測(cè)距模塊實(shí)時(shí)檢測(cè)， 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(cè)是否能達(dá)到工業(yè)級(jí)精度要求， 考慮電梯運(yùn)行過(guò)程速度快、 工作情況較為復(fù)雜， 故需要激光測(cè)距的檢測(cè)精度較高， 根據(jù)以上要求選取TFmini-S12m 高性?xún)r(jià)比激光測(cè)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(cè)量范圍廣可高大12m， 由于TFmini-S 體積小， 其盲區(qū)縮小至10cm、無(wú)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(cè)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(cè)量時(shí)間t 可根據(jù)脈沖測(cè)距和相位測(cè)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(cè)， 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(cè)曳引式電梯單條導(dǎo)軌的傾斜程度，及時(shí)對(duì)故障區(qū)域進(jìn)行預(yù)警。

傾角傳感器用于各種測(cè)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(cè)距儀器、 高空平臺(tái)安全保護(hù)、 定向衛(wèi)星通訊天線(xiàn)的俯仰角測(cè)量、船舶航行姿態(tài)測(cè)量、盾構(gòu)頂管應(yīng)用、大壩檢測(cè)、地質(zhì)設(shè)備傾斜監(jiān)測(cè)、 火炮炮管初射角度測(cè)量、 雷達(dá)車(chē)輛平臺(tái)檢測(cè)、衛(wèi)星通訊車(chē)姿態(tài)檢測(cè)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(guò)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(cè)量、零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)、傾斜報(bào)警以及垂直監(jiān)控。

1.2.3 無(wú)線(xiàn)接收模塊

無(wú)線(xiàn)接收模塊是一款具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、 采用專(zhuān)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?xún)r(jià)比等特點(diǎn)，可以通過(guò)無(wú)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(wú)線(xiàn)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(cè)距傳感器、傾角測(cè)量傳感器及無(wú)線(xiàn)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(jí)精度要求，并將數(shù)據(jù)利用無(wú)線(xiàn)接收模塊上傳到上位機(jī)中， 即可實(shí)時(shí)、快速在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)電梯軌道平行度及平面度進(jìn)行監(jiān)測(cè)， 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(duì)重裝置的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)，將無(wú)線(xiàn)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(hào)。打開(kāi)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(wú)線(xiàn)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(cè)距傳感器和傾角傳感器的距離及角度信號(hào)數(shù)據(jù)，將其傳遞至上位機(jī)中， 其中實(shí)時(shí)測(cè)得的轎廂及對(duì)重裝置兩部分的距離與角度信號(hào)數(shù)據(jù)與實(shí)際工業(yè)要求的理想數(shù)據(jù)信號(hào)之間的偏差曲線(xiàn)圖，見(jiàn)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(duì)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(duì)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(jiàn)表1。

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

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)所設(shè)計(jì)的曳引式導(dǎo)軌平行度在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其檢測(cè)的精度為0.52mm 和0.068°，檢測(cè)精度高，操作簡(jiǎn)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(xiàn)監(jiān)測(cè)與分析。