基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测机器人的研究

河北工业大学硕士学位论文基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测机器人的研究姓名：刘志东申请学位级别：硕士专业：机械工程指导教师：戴士杰2010-12基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测机器人的研究i基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测机器人的研究机器人的研究机器人的研究机器人的研究摘摘摘摘要要要要电梯导轨垂直度是电梯安全、舒适运行的一项重要性能指标，对电梯导轨垂直度的测量贯穿于电梯安装和维护的整个阶段。传统的检测方法费时费力，效率低。为了实现电梯导轨检测的自动化和智能化，本文提出来一种检测电梯导轨垂直度的全新检测原理，克服了现有技术的不足，设计了一款能沿电梯导轨自动上下运行的检测机器人。此方法提高了检测效率和精度，节省了大量的人力、物力。本文首先介绍了电梯导轨垂直度检测的国家标准，详细分析了机器人的检测原理。依据检测原理，完成了机器人机械结构设计，利用相关力学理论进行了受力分析，最终选定了驱动和传动方案。并根据T型导轨的结构和材料特征，设计了多磁轮吸附机构，并利用磁导法进行了磁轮磁路的优化。设计了基于飞思卡尔（Freescale）单片机的控制系统。利用高精度倾角传感器测量倾角，采用光电编码器测距，应用无线数传模块对控制信息和采集信号进行无线传输。进行了控制系统的硬件电路设计，并根据控制方案进行了软件系统编程，实现了预定功能。为了验证检测原理的正确性，将所设计的检测机器人在实际导轨上进行实验。分别进行了导轨平放、斜放和垂直实验，用Matlab软件对传到上位机倾角和位移数据进行曲线拟合，以直观图的形式将导轨垂直度误差呈现出来。得到了预期效果，结果准确。关键词关键词关键词关键词：：：：电梯导轨，垂直度，机器人，机构设计，控制系统河北工业大学硕士学位论文iiTHEROBOTRESEARCHABOUTMEASURINGVERTICALITYOFELEVATORGUIDEBASEONOBLIQUITYDETECTIONPRINCIPLEABSTRACTTheverticalityofelevatorguideisanimportantperformanceindexforsecurityandcomfortintheelevatoroperation.Anditsmeasurementexiststhroughoutinstallationandmaintainment.Thetraditionaltestmethodistime-consumingandlowefficiency.Inordertorealizetheautomationandintelligenceforthetestprocessofelevatorguide,thispaperproposeanewprincipleforverticalitytesting.Thismethodovercomestheexistingtechnicalshortages.Aninspectionrobotwhichcanmovealongtheelevatorguideautomaticlywasdesigned.Thismethodimprovesthemeasuringprecisionandefficiency,andsavesalotofmanpowerandmaterialresources.First,thispaperintroducesthenationalstandardsofverticalitymeasurementforelevatorguide,andanalysisthedetectionprincipleoftherobot.Mechanicalstressanalysiswasproceeded.Absorbingmechanismwithmultiplemagneticwheelswasdesigned.Andmagneticcircuitwasoptimizedtoensuretheoperationsecurity.ThecontrolsystembasedonFreescaleSCMwasdesigned.Whenitreachesthepredeterminedlocationorreceivesreversalsignal,itwillgetbackalongtheelevatorguidequickly.Thiscontrolsystemcanachievethefollowingfunctions:acquisitandprocessdatafromanglesensorandphotoelectricencoder,andputthedatatotheuppercomputerthoughdigitaltransfersmodule.Besides,thehardwarecircuitofthecontrolsystemandsoftwareprogramwasdesigned.Theinspectionrobotwasputinthepracticalguidetocheckthecorrectnessofthedetectionprinciple.Experimentswerecarriedontheguidewithinlevel,obliqueandvertical,respectively.MatlabwasusedtoachievecurvefittingforPCangleanddisplacementdata,andperpendicularityerrorsoftheguidewasshownintheformofintuitivechart.Experimentsshow,bythismethodanticipativeandaccurateresultscanbeobtained.KEYWORDS:elevatorguide,verticality,robot,mechanicalstructure,controlsystem原创性声明原创性声明原创性声明原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文不包含任何他人或集体已经发表的作品内容，也不包含本人为获得其他学位而使用过的材料。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人或集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：日期：关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的以下规定：学校有权采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供本学位论文全文或者部分内容的阅览服务；学校有权将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流；学校有权向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：日期：导师签名：日期：河北工业大学硕士学位论文1第一章第一章第一章第一章绪论绪论绪论绪论§§§§1-1概述概述概述概述电梯进入人们的生活已经150年了。1854年，在纽约水晶宫举行的世界博览会上，美国人伊莱沙.格雷夫斯.奥的斯第一次向世人展示了他的发明[1]。奥的斯先生的发明彻底改写了人类使用升降工具的历史。从那以后，搭乘升降梯不再是“勇敢者的游戏”了，升降梯在世界范围内得到广泛应用[2]。目前，垂直升降电梯和自动扶梯是电梯行业的主流品种，其中垂直升降电梯占现有电梯总量的百分之八十[3]。一个世纪以来，电梯技术得到了迅猛的发展。随着社会的发展和科技的进步，电梯在提高舒适性和安全性的同时，向着更高的速度发展[4,5]。目前，欧洲大部分电梯的运行速度为6m/s，美国和日本的许多电梯为8m/s，已经有少数企业研制开发出超过10m/s的超高速电梯[6].当今中国，随着经济的蓬勃发展，越来越多的高楼大厦出现在各个城市之中，而伴随着高层建筑的不断增多，随之而来的轿箱式电梯的数量也越来越多[7-9]。电梯的安全性，高效性，舒适性也成为了对电梯运行的基本的、重要的技术性能要求[10]。因此，对于电梯的安装与维护也相应的受到了越来越多的关注[11,12]。作为电梯的导向装置，电梯导轨在电梯系统中占有举足轻重的位置，其制造和安装质量的好坏将直接影响到电梯是否能够安全平稳的运行[13]。一般情况下，电梯导轨在出厂时均经过了严格的质量检测，已将制造误差控制在比较理想的范围内[14]。因此，在安装过程中产生的安装误差已成为影响电梯导轨最终质量水平的因素[15]。电梯导轨的垂直度误差是造成电梯轿箱振动、加速导轨磨损的主要因素之一[16]。对电梯导轨垂直度误差的检测不仅是电梯安装阶段的一项关键性工作，而且在电梯正常使用的过程中，由于梯井混凝结构的收缩变形，地基沉降，矫厢振动摩擦等因素的影响，导轨可能发生位移变形，因此每隔一定时间也需要对导轨垂直度误差进行测量[17]。目前常用的电梯导轨垂直度的测量方法存在繁琐，测量时间长，测量精度低等缺陷，这使得导轨的安装和调试工作需要大量的人力物力才能完成，增加了电梯的安装成本，降低了企业的竞争力[18,19]。我国电梯市场巨大，每年新建电梯和在用电梯数量都急剧增长，因此，迫切需要一种测量装置，能够方便应用于导轨安装和维护阶段的导轨垂直度测量，替代大量人力和物力，实现导轨检测过程的自动化[20,21]。§§§§1-2电梯导轨垂直度检测研究现状分析电梯导轨垂直度检测研究现状分析电梯导轨垂直度检测研究现状分析电梯导轨垂直度检测研究现状分析导轨垂直度检测方法基本经历了两个大的阶段：第一阶段是利用人工对导轨垂直度进行分段检测；第二阶段是检测过程由自动仪器完成。检测方法的不断发展和进步，使检测效率和检测精度都得到了一定程度的提高，节省了人力、物力和财力。下面内容将结合示意图对不同阶段电梯导轨垂直度检测原理进行逐一介绍。1-2-2传统吊线法传统吊线法传统吊线法传统吊线法长期以来，多采用传统的吊垂线的方法来保证导轨安装的垂直度，就是利用地球重力场，将一根Φ0.6左右的钢丝上端固定，下端一个重锤[22]。采用这种方法首先要搭建脚手架，安装样板架，然后对导轨分段吊垂线进行上下样板的矫正，如图1.1所示。这种方法看似简单准确，但在实际的现场施工中很难保证垂准精度。首先，重锤本身是个摆，一个100米长的重锤摆动周期长达20秒，很难在短时间停基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测机器人的研究2下来。所以，通常在将重锤置于有机油中以增加阻尼，但即使这样耗时也长，同时影响精度。其次，重锤线容易受到风吹的影响，一个10kg、100m长的重锤，如果在重锤处只受到1g横向力（相当于一个蚂蚁力量大小的力）的影响，就会使吊线在100m处偏离10mm，也就是约20角秒的误差[23]。再次，建筑物的微小振动很容易传递到绷紧的垂线，造成垂直偏差。同时，梯井黑暗潮湿，长期作业对测量人员身体健康不利，容易疲劳，造成测量过程的人为误差[24]。特别是在电梯维护阶段，由于没有了脚手架，难以进行吊垂线作业，电梯的垂直度测量就更加困难。图1.1.1垂线测量法图1.1.2样板架及重锤线[22]图1.1传统吊线法Fig.1.1Thetraditionalhanginglinemethod1-2-2激光垂准测量法激光垂准测量法激光垂准测量法激光垂准测量法传统的吊铅垂线方法是目前行业中电梯导轨垂直度检测的主要方法。近年来，电梯行业出现了用于导轨垂直度检测的激光垂准仪，使用高精度的铅直激光束代替吊垂线，检测精度有很大提高[25]。伴随着激光垂准仪的出现，电梯导轨垂直度检测在测量过程和方法上取得了新的进展[26]。大连拉特激光技术开发公司研制的JZC激光自动安平垂准仪是目前国内应用较多的一种，它是由650mm半导体激光器、自