（测试计量技术及仪器专业论文）电梯导轨多参数嵌入式在线测量系统的研究.pdf

摘要 电梯是集机械、电气、控制为一体的复杂集成系统，在影响电梯安全性与 舒适性的众多因素中，由于振动使人产生的不舒适感尤为突出。导轨作为电梯 的导向部件是电梯的重要组成部件，是使轿厢产生水平振动的主要激励源。导 轨的质量决定着电梯能否安全、舒适、高速地运行。因此，导轨检测在电梯的 安装调试、性能检测、检测维护中占有重要的地位。 针对导轨的检测具有测量距离长、参数种类多、数据量大、实时性要求高、 需要现场测试的特点，我们在美国联合技术公司( u n i t e d t e c h n o l o g i e s c o r p o r a t i o n ) 委托开发的一套电梯导轨质量在线检测系统( r m s ) 的基础上，设 计出了一种基于嵌入式技术的在线电梯导轨测量仪( o n l i n er a i ls u r v e yd e v i c e ， 简称r s d ) ，用于检测电梯动态运行时导轨的多种参数。改进了r m s 设备存在 的不足，完善整个系统的功能，为保障电梯质量和乘坐的舒适性与安全性提供 了一种新的、有效的检测手段。 本论文通过对电梯振动源、导轨质量、信号采集、测量误差的分析，提出 新的导轨测量原理和系统结构。论述了r s d 的中央处理器，软、硬件设计，串 行通讯并对测试结果进行了分析。说明了利用虚拟仪器技术开发的计算机软 件。对电梯导轨接缝误差进行了研究，将小波分析技术应用于电梯导轨连接处 误差信号的分析，成功地提取出了导轨接缝位置，提高了诊断精度。最后，根 据电梯的水平振动模型，对导轨接缝台阶激励对运动轿厢产生的水平加速度进 行了分析，为评定导轨的安装质量提供了一种新的方法。 关键字：电梯测试导轨测试嵌入式技术小波变换台阶激励 a b s t r a c t a sa c o m p l i c a t e ds y s t e m ，e l e v a t o ri n v o l v e sm e c h a n i c a l ，e l e c t r i ca n dc y b l e m e t i c t e c h n o l o g i e s m a n ye l e m e n t sh a v eg r e a te f f e c t so n t h es a f e t ya n dc o m f o r to fe l e v a t o r s ， a m o n g w h i c ht h ev i b r a t i o nf a c t o ri sp a r t i c u l a r l ys i g n i f i c a n t t h eg u i d er a i l ，w h i c ha c t sa st h em a i ns o u r c ee x c i t i n gl a t e r a lv i b r a t i o no fc a b i n ， i sa k e yp a r to f a ne l e v a t o r t h ep e r f o r m a n c e so fe l e v a t o r , s u c ha ss a f e t y , c o m f o r ta n d s p e e d ，a r ed e t e r m i n e db yt h eq u a l i t yo f t h eg u i d er a i l si nl a r g ed e g r e e t h e r e f o r e ，t h e e x a m i n a t i o no fg u i d er a i l sh a sa ni m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ei n s t a l l a t i o na d j u s t m e n t ， p e r f o r m a n c e c h e c ka sw e l la sm a i n t e n a n c eo f e l e v a t o r s w h e na l lt h ep a r t i c u l a r i t i e so fr a i l m e a s u r e m e n tw e r ec o n s i d e r e d ，s u c ha st h e l o n gt r a v e ld i s t a n c e ，n u m e r o u si t e m s ，m a s sd a t a ，s t r i c tr e a l t i m er e q u i r e m e n t ，a n d w o r ko n s i t e ，a no n - l i n er a i ls u r v e yd e v i c e ( r s d ) b a s e do ne m b e d d e dt y p et e c h n i q u e h a sb e e nd e v e l o p e d i ti sa n i m p r o v e m e n to fr m s ( a r a i l m e a s u r i n gs y s t e m f o r q u a n t i t yo f e l e v a t o rr a i l ) w h i c hw eh a v ed e v e l o p e df o ro t i sc o r p u n d e rt h es u p p o r t f r o mu n i t e dt e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n r s dp r o v i d e san e wk i n do fe x a m i n a t i o n m e a n si ng u a r a n t e ef o rt h ec o m f o r ta n d s a f e t yq u a l i t i e so f e l e v a t o r b ya n a l y z i n gt h ev i b r a t i o n s o u r c e so ft h ec a b i n ，t h eq u a l i t i e so fg u i d er a i l s ， s i g n a ls a m p l i n gt e c h n i q u ea n dm e a s u r e m e n te r r o r s ，an e wm e a s u r i n gp r i n c i p l ea n d a n e w m e a s u r i n g s t r u c t u r ef o r g u i d e r a i l sa r e p r e s e n t e d t h e c p uo fr s d ， c o r r e s p o n d i n gs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，i sd e v e l o p e d o nt h eo t h e rh a n d ，t h es e r i a l c o m m u n i c a t i o na n dt e s t i n gr e s u l t so ft h er s da r ep r e s e n t e da sw e l l t h es o f t w a r e d e s i g nm e t h o db yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t st e c h n i q u e i se x p l a i n e d t h ea p p l i c a t i o no f t h ew a v e l e tt r a n s f o r m a t i o nt e c h n i q u ei nt h ea n a l y s i so ne r r o rm o t i o ns i g n a l so ft h e j o i n t si ss t u d i e d t h ep o s i t i o n so f t h ej o i n t sa r es e n s e dt oi n c r e a s et h ea c c u r a c yo f f a u l td i a g n o s i s a tt h ee n do f t h i sp a p e r , a c c o r d i n gt ot h em o d e lf o rl a t e r a lv i b r a t i o no f t h ee l e v a t o r , l a t e r a la c c e l e r a t i o n sg e n e r a t e db yt h es t e p sa r ea n a l y s e d i tp r o v i d e sa n e wm e t h o df o re v a l u a t i n gt h ei n s t a l l a t i o nq u a l i t yo f g u i d e r a i l k e y w o r d s ：m e a s u r e m e n to f e l e v a t o r , m e a s u r e m e n to f g u i d er a i l ，e m b e d d e d x y p e t e c h n i q u e ，w a v e l e tt r a n s f o r m ，s t e pv i b r a t i o n e x c i t a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成梨除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证 二传而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者釜名：王颀 登字f = | 期： 硼年7 月7 弓日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 苤鲞盘生 有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘连盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 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 导师签名：，易 冰 签字f | 期：年 月 只签字日期：；，j 年7 月砰同 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 1 9 0 3 年o t i s 公司推出了世界上第一台曳引式电梯，为现代电梯业的发展 奠定了基础。一个世纪以来，电梯技术得到了迅猛的发展。6 0 年代超高速电梯 投入市场，接着出现了无触点半导体逻辑控制电梯：7 0 年代集成电路应用于电 梯，出现了数控电梯：今天，p l d 、微处理器等高新技术已在电梯上的得到了广 泛应用。 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。目前，欧洲大部分电梯的运行速度为6 m s ，美国和同本的许 多电梯为8 r r d s ，已经有企业研制出接近甚至超过1 0 m s 的超高速电梯。电梯驱 动的调速方式经历了直流调速、交流调速、换级调速、变压调速，到目前较为 先进的变压变频调速和直流电机驱动调速。电梯的安全性、稳定性和舒适性大 大地提高。 今天随着经济全球化的发展，城市里高层建筑的不断涌现，给电梯业注入 了前所未有的动力。各种先进的技术都纷纷应用于电梯业，模糊理论、神经网 络、专家系统等方法，将综合考虑的因素吸收到群控系统中去，使得电梯性能 大大提高。 电梯测试技术是电梯质量的保证，随着电梯业的发展，给检测工作也提出 了更高的要求。各种高新技术纷纷在检测技术中得到应用，表现在测量仪器的 不断更新、测量方法的不断改进、先进测量手段的广泛应用和测量的规范化等 许多方面l 1 1 。 安全性与舒适性是电梯的生命线。导轨作为电梯的导向系统是电梯重要的 组成部件之一，是对轿厢产生水平激励的重要振源之一，是影响电梯的安全性 与舒适性重要部件。因此，电梯导轨制造质量和安装质量是影响电梯水平振动 的主要因素，也是衡量电梯质量的一个重要指标。 在电梯故障诊断技术方面，国内外学者都有着不同程度的研究【2 4 1 ，但对于 电梯导轨导向系统检测的研究成果却还很少。近几年，天津大学已经在电梯检 测方面取得了一些成果。2 0 0 0 年，天津大学研制开发的一套电梯导轨自动检测 装置，为电梯导轨提供了一种快速、高精度、高效率的综合质量检测手段 6 1 。2 0 0 2 筻章绪论 年，由天津大学研制开发的电梯综合测试与故障诊断系统，为评定电梯运行质 量，监测电梯运行状态，预测可能发生的故障并及时排除故障提供了一种检测 工具i l 】。但是，对安装后导轨的检测方面尚需进一步深入地研究。 目前，在导轨的安装测量中主要使用激光检测方法、传感器方法，有些检 测项目甚至还延用铅垂线、找道尺等手动静态测量方法。至今，还没有一套完 整的对导轨安装质量的动态综合测试的设备，这方面急需加大研究力度。 嵌入式系统作为计算机应用的一个重要领域，已深入到社会的方方面面 越来越为人们所关注。它以其专用性、可封装性、实时性、可靠性等特点，在 测控方面体现了通用计算机不可替代的作用。同时，导轨的检测具有测量距离 长、参数种类多、数据量大、实时性要求高和需要现场测试的特点，把嵌入式 技术运用到电梯导轨动态检测上来，必会给导轨检测工作带来极大的便利。 小波分析是一种变分辨率的时频分析方法。在分析低频信号时，其时i x 窗 变大：而分析高频信号时，其时间窗较小，符合实际问题中高频信号持续时间 短，低频信号持续时间长的自然规律，因而被誉为“数学显微镜”。小波变换已 经成为机械设备故障诊断的研究热点，体现出小波变换在分析实际非平稳信号 时优于傅里叶等其它分析技术。在对导轨检测数据处理中，使用小波变换寻找 淹没在复杂噪声干扰中的时变信号、检查微小畸变，可以得到较理想导轨分析 结果。 本论文是在天津大学受美国联合技术公司( u n i t e dt e c h n o l o g i e s c o r p o r a t i o n ) 的委托而研发的一套用于在线检测电梯导轨质量和导轨安装质量的 设备( r a i l m e a s u r i n gs y s t e m ，简称r m s ) 的基础上，对在线检测电梯导轨质量 和导轨安装质量进行进一步的研究，改进r m s 设备存在的问题，完善整个系统 的功能。在原有测量方案的基础上，设计一种以嵌入式技术为核心的在线电梯 导轨测量系统( o n l i n er a i ls u r v e yd e v i c e ，简称r s d ) 。该系统能够实现对导轨 直线度、垂直度、台阶、失调、弯曲度及两导轨间距离的偏差等参数进行测量 分析。本文利用用小波变换提取了导轨连接处数据，建立电梯水平振动模型， 并对导轨台阶产生的激励提出了科学的分析方法。 1 2 导轨测试技术的发展现状 目前对导轨测试的方法主要分为手动测量和使用激光、传感器测量等方法。 按照测量时轿厢的运行状态，这些检测方法还可以分为动态测量和静态测量。 1 2 1 手动测量方法 手动测量方法通常使用的工具有铅垂线、调道卡板、接口板，见图卜l 吼 ( b ) 铅垂线 ( a ) 调道卡板 ( c ) 接口板 图1 1 ，手动测量方法 接口扳 两平行导轨间的距离、相互位置偏差( 即导轨的扭转) ，用调道卡板( 也叫 调道尺、调道样板) 检查，主、侧工作面垂直度按卡板上的9 0 。检查。铅垂线 和角板用于测量铅垂和直线度误差，接口板用于检测两导轨接口偏差。 这些方法操作虽然简单，但精度较低，用于可以使用手脚架的电梯装配阶 段。测量精度易受环境影响，尤其对于行程大、速度快的电梯，很难保证铅垂 线的垂直精度。在维修、改造电梯时，由于没有了手脚架，无法使用铅垂线， 更难以检测和保证导轨的安装精度。这种测量方法的另一的缺点是费时、费力， 只适于静态测量，不能反映轿厢运行时的导轨的实际状态。 第一章绪论 1 2 2 激光及传感器测量方法 1 2 2 1 激光测量方法 激光具有单色性、方向性好的特点。采用激光代替铅垂线，不存在摆动问 题，测量时重复性好，对于局部定位不准极易发现，而且整体直线度不受影响。 采用四象限光电池、位置传感器( p s d ) 或c c d 将被测导轨的几何量信号转化 为电信号。 激光准直技术以其精度和效率己成为电梯检测的主要技术降i i j 陋2 卯。有两种 工作模式：向下发射激光束和向上发射激光束，见图1 2 。前者将激光准直仪安 装在机房( 位于导轨顶部) 地板上向下发射垂直激光束如图1 2 ( a ) 。也可以 将激光准直仪安装在导轨上，如图1 2 ( b ) 所示。由于位置的改变，这种结构 比图1 2 ( a ) 更容易安装。图1 2 ( c ) 是将激光准直仪放在地面时，测量导轨 的直线度和垂直度。激光准直技术检测电梯的关键技术问题是：( 1 ) 怎样建立 垂直基准以及补偿激光的漂移，( 2 ) 如何安装光电位置探测器得到更接近真实 导轨表面形貌的特征参量。 | - 测 髟 i ， j 、| f ( b ) 图1 - 2 ，应用激光准直技术的测量方法 目前有两类激光准直仪应用于电梯工业：手动准直仪和自动准直仪。前 者的垂直精度是靠手动调节的，操作过程较复杂，光线汇聚性不好。 激光自动准直仪无需调整垂直精度，操作简单。位置误差的获取往往采用 第一章绪论 四象限光电池和中心读数方法，分辨力为0 1 一v 0 0 5 m m 。 参考文献 g q 0 1 介绍了一种基于激光光束锁定系统的电梯导轨测量方法。 2 5 0 m 长的超高电梯垂直误差小于5i t i i t i ，直线度误差介于- - - - - l m m ，5 0 m 距离以 内直线度误差介于0 3m m 。 这种测量方法的工作原理如图1 3 所示。激光器发出的激光光束经过光学 跟踪控制头后，射向置于靶标中心的光电接收器，光电接收器把收到的信号转 变成相应的电信号后送入判向判零电路进行处理，将检出的位置信号一方面送 至表头指示出光斑偏离硅光电池中心的情况。另一方面通过长线送至激光光 束锁定器，然后，输出足够的调整电压并转送给跟踪头，跟踪头能把这个调整 电压变成可使激光摆动的调整量，使偏离的光点迅速地回到平衡位置，完成了 光束的自动跟踪锁定。当整个系统进入锁定状态后，光束将能在足够大的范围 内跟踪靶标。 图1 3 ，激光光束锁定系统框图 这种测量方法扩大了测量对象的范围，消除了光电探测器的非直线性误差。 仍然存在激光本身及环境造成的漂移，而且激光束弯曲的问题还尚待解决。 1 2 2 2 传感器测量方法 图1 4 ，1 - 5 是一种用于测量导轨平行度的测量仪d d p i 【引。当电梯运行时， 位于轿厢顶部的2 个光栅传感器将采集到的测量信号传输给c p u ，通过数据处 理后得到电梯导轨间距与平行度误差。这种仪器使用方便，性能稳定，数据可 靠。 图l 一4 d d p - i 原理示意图图1 5 ，d d p 1 测鼋原理 第章绪论 参考文献【1 2 1 介绍了一种符合垂直度精度要求的、低成本和操作简便的导轨 铅垂度实用检测装置。图1 - 6 、1 7 为水平摆结构示意图。它主要由摆体o m ( 摆 杆与摆锤) 、吊丝a 、b 和基座c ( x 、y 为调平脚螺丝) 所组成。摆体对铅垂 方向上的倾斜敏感。当基座随被测物一起发生倾斜时，摆体将转过某一角度并 静止于一个新的平筏位置上，这就是水平摆测量铅垂度的基本原理。很显然， 这种测量方法只适于静态测量。 a 、b 吊丝：c 基座； o m 摆体( 摆杆、摆锤) x 、y - 一调平脚螺丝 h 导轨截面： s i 、$ 2 - 的导轨两平面 a 、b - - - 两部水平摆 图i 6 ，水平摆结构示意圈图1 - 7 ，吸附于道轨上的两部水平摆 1 3 嵌入式技术 2 1 世纪初，以信息家电为代表的嵌入式系统，作为计算机应用的一个重要 领域，已深入到社会的方方面面。其应用广泛、领域特色突出、发展空间大。 目前，全球嵌入式系统带来的工业年产值已超过一万亿美元【4 2 1 。 嵌入式系统是计算机的一种应用形式，通常指埋藏在宿主设备中的微处理 机系统。嵌入式使宿主设备功能智能化、设计灵活和操作简单。应用在4 , n 移 动电话、大到飞机导航系统，这些功能各异、千差万别的设备上，都具有功能 强、实时性强、结构紧凑、可靠性高和面向对象等共同特点。广义而言，嵌入 式系统是指作为某种技术过程的核心处理环节，能直接与现实环境接口和交互 的信息处理系统。 嵌入式系统通常由硬件和软件两部分组成。它与计算机相比有四个明显的 特点：专用性、可封装性、实时性、可靠性。和通用计算机不同。嵌入式系统 第一章绪论 的软件和硬件都必须进行高效率的设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的 硅片面积上实现更高的性能。其软件一般都固化在只读存储器里，而不是以磁 盘为载体。另外，各行业的应用系统和产品，和通用计算机软件不同，很少发 生突然性的跳跃，因此嵌入式系统的软件强调可继承性和技术衔接性，发展比 较稳定。 嵌入式系统的应用远远超过了各种通用计算机，一台通用计算机的外部设 备中就包含了5 1 0 个嵌入式微处理器，键盘、鼠标、软驱、硬盘、显示卡、显 示器、m o d e m 、网卡、声卡、打印机、扫描仪、数字相机、u s b 集成器等均是 出嵌入式处理器控制的。在制造业中，过程控制，通信、仪器、仪表、汽车、 船舶、航空、航天、军事装备等方面均是嵌入式计算机的应用领域。 嵌入式系统实时性的好坏对整个系统的性能有着至关重要的影响。设计实 时系统要有两个相对的目标：一是保证严格的时间关断截止值；二是充分有效 的利用各种资源，并能较好地容错。嵌入式系统在软件的控制下通过硬件高速 地获取数据，并进行处理，产生相应的反应。整个系统严格的时间和可靠性是 嵌入式系统的主要特征。 随着微处理器和单片机的发展，工业测量技术中使用嵌入式实时操作系统 已成为一个特点。在其长期应用中，嵌入式实时操作系统显示出了其竞争力。 随着操作系统的设计和面向对象技术的发展，嵌入式技术必将成为测控技术的 主流。 本文对导轨测量多参数在线测量系统的研究正是基于嵌入式系统的最计思 想，根据电梯质量检测的特殊要求，构成集采集、处理、存储、显示、分析等 功能于一体的电梯导轨测量系统。该系统因为选用了功能强大的单片机及各种 芯片，充分发挥了嵌入式系统的优点，从而具有采集速度快、通道多、存储容 量大、系统体积小、功耗低等许多优点。 1 4 小波分析方法”3 3 经典傅里叶变换的基本思想是将信号分解成一系列不同频率的连续正弦波 的叠加，它在频域里的定位是完全准确的，而在时域无任何定位性，即是一种 纯频域的分析方法。它在分析平稳信号时是无可挑剔的。但是，工程应用中的 许多实际信号往往含有大量的非稳态成分，对这种时变信号进行分析，通常需 要提取某一时间段( 或瞬间) 的频域信息或某一频率段所对应的时间信息。这 时傅里叶变换就无法满足要求了。 第一章绪论 短时傅里叶变换采用了对信号加窗进行傅里叶变换的方法。这虽能反映出 信号的局部特征，但是其窗的大小和形状均与时间和频率无关而保持固定不变， 这对于分析时变信号来说是不利的。另外，短时傅里叶变换的基函数无论怎样 离散，都不能构成一组正交基，使计算用时长、数据量大，不利于实际当中的 应用。 短时傅里叶变换的不足之处，恰恰正是小波变换的特长所在。小波分析是 一种变分辨率的时频分析方法。在分析低频信号时，其时间窗变大；而分析高 频信号时，其时间窗较小。这恰恰符合实际问题中高频信号持续时间短，低频 信号持续时间长的自然规律，因而被誉为“数学显微镜”。它不但继承和发展了 短时傅里叶变换局部化思想，而且更加适合于分析时变信号。小波分析被广泛 应用于信号处理、图像处理、语音识别、多尺度系统理论、生物医学工程等应 用领域中。 首先，小波分析具有的局部化特征，能够有效地检测出信号的奇异点的位 置和大小。其次，离散小波的多尺度分析特性可将信号分解到不同的频段分别 观察，当判定某频段为干扰信号时，就可以将小波分解中的某些特定系数进行 加权抑制，然后再将小波系数进行重构，达到对特定频段干扰信号进行抑制的 目的。借助以上优点，小波变换已经成为机械设备故障诊断的研究热点，应用 于许多机械设备的故障诊断领域【2 6 引】，充分体现出小波变换在分析实际非平稳 信号时优于傅里叶等其它分析技术。 电梯是一个复杂的机电系统，它部件众多，结构复杂，受到多种外力的作 用- 实际运行时需要不断地做启动、停止、加速、减速等运动。各种部件对轿 厢产生的振动必定是与时间有关的非平稳信号。因此，小波分析在电梯振动信 号的分析中将具有很大的优越性。我们在对传感器采集到的导轨数据进行分析， 寻找淹没在复杂噪声干扰中的时变信号、检查微小畸变时，采用小波变换是得 到较理想分析结果的重要保证。 1 5 研究目的及内容 随着经济的蓬勃发展越来越多的高层建筑拔地而起，电梯己成为不可缺 少的运载工具。舒适性与安全性是衡量一部电梯性能优劣的重要指标。电梯振 动是影响电梯乘坐舒适性、安全性的主要原因；而状态监揍4 是保障电梯安全性 的重要手段。导轨作为电梯的导向部件是电梯的重要组成部分。导轨安装不好 不但会成为轿厢产生水平振动的重要振源，而且严重时会成为电梯的安全隐患。 第一章绪论 所以，对导轨质量的检测成为了保证电梯质量的重要环节。 本课题组受美国联合技术公司( u n i t e dt e c h n o l o g i e sc o r p o r a t i o n ) 的委托， 为其所属的奥的斯公司( o t i sc o r p ，) 开发了一套用于在线检测电梯导轨质量和 导轨安装质量的设备( r m s ) 。经过课题组成员的共同努力，该设备已经初步完 成，并取得了较好的实验结果，但该设备还存在着很多不足之处。其一，检测 过程中，工作人员要一直跟着运行中的电梯来检测，不但劳动强度极大，而且 还存在很大的安全隐患。其二，在线数据采集设备必须配备计算机，这使测量 设备体积大而复杂，给测量工作造成不便。其三，由于该设备是按照预先设定 的电梯运行速度，确定数据采集间隔，在现场测试时，由于电梯上行和下行的 速度不同，设备不能确定准确的采样间隔。其四，该设备不能对导轨连接点进 行识别和定位。 本论文是在r m s 设备的基础上，对在线检测电梯导轨质量和导轨安装质量 进行进一步的研究，改进r m s 设备存在的不足，完善整个系统的功能。主要研 究工作有： 针对导轨检测的特点，在原有测量方案的基础上，设计了一种以嵌入式技 术为核心的在线电梯导轨测量系统( r s d ) ，该系统能够实现对导轨直线度、垂 直度、台阶、失调、弯曲度及两导轨间距离的偏差等多种参数进行测量分析。 该r s d 测量仪应能够对位置传感器( p s d ) 、电感位移传感器、接近开关 和光电编码器等4 种传感器，7 路信号以不同的方式获得导轨制造与装配的几何 量误差参数进行在线采集存储。其报警功能能够及时地对测量结束给予报警， 防止设备因冲顶而损坏。此外，r s d 测量仪能准确定出采样间隔和识别检测导 轨连接点的功能，还具有采集速度快、通道多、存储容量大、系统体积小、功 耗低的特点。 开发了p c 机与r s d 之间的通讯软件。该软件可以将r s d 测量仪采集到的 数据传输给计算机，由计算机进行更深入的分析。 充分利用虚拟仪器开发软件平台l a b v i e w 的强大功能，完成计算机对r s d 测量仪采集信号的读取和显示程序的编写。 运用小波变换对电梯导轨连接处形位信号进行分析与处理。根据小波处理 后的p s d 信号正确确定导轨接缝的位置及形状。 根据电梯的水平振动模型，对导轨接缝台阶误差对运动轿厢产生的水平振 动进行分析研究，为评定导轨的安装质量提供一种新的方法。 第二章电梯导轨测试系统的研究 第二章电梯导轨测试系统的研究 2 1 电梯振动与导轨质量 电梯的机械振动超过容许的范围，即被认为异常。为了减小振动或排除异 常，必须对振动进行分析，找出振源或采取措施减小振动或改变振动的频率， 尤其是减小人体敏感频率的振动。 2 1 1 振动与电梯的舒适性 影响电梯乘坐舒适性的主要原因有电梯起动特性与制动特性、轿厢振动与 噪声、以及轿厢内的温度和装潢等。这里主要研究振动对电梯舒适性的影响。 研究表明口“，入对不同频率的振动有不同感觉。实验证明，在振动强度不 大的振源作用下，0 - 1 h z 的振动主要影响头部，如持续几分钟后往往有不舒服的 感觉；1 2 h z 时易使人打瞌睡；3 4 h z 时腰胸局部有较大振动：5 8 h z 时不舒服 感觉大：9 3 0 h z 时脸、颈部振动大、视线受到干扰，3 0 h z 时振感最明显；3 0 8 0 h z 时振感逐渐减小，到高频区时脚部有发麻感觉。除了频率对人体各部位有影响 外，振动强度对人体亦有较大影响，一般来说2 0 h z 以下的振动，振动加速到 1 0 c m s 2 时，人可感觉到。随着振动加速度的增加感觉更加明显，如超过5 0 0 c m s 2 ， 即会造成人体器官平衡失调，导致神经与心血管障碍。 对于水平振动，就轿厢乘坐的舒适性而言，通常在0 5 h z 以下不会引起乘 客的察觉，而大于3 0 h z 的振动一般主要由轿厢各部件组成的物理系统来衰减， 一般不会造成乘客的心理反应。对于铅垂方向的振动，由于曳引系统对高频振 动的衰减，振动频率一般也在3 0 h z 以下。因此，0 , 5 3 0 h z 往往是轿厢振动较为 集中的频带i 3 1 。 此外人站在轿厢内的感觉，水平方向的振动比运行方向振动更让人有不舒 服的感觉，所以现行的电梯行业标准规定正常运行轿厢内振动加速度范围为水 平振动不大于1 5 c m s 2 ；运行方向振动不大于2 5 c m s 2 。 曳引系统不良是引起轿厢铅垂振动的主要原因。曳引电机旋转振动、减速 箱内的啮合振动、减速涡轮轴与曳引电机轴的不同轴、曳引机底座与承重棵固 定不牢、曳引钢丝绳受力不均等因素都会影响电梯轿厢的铅垂振动，从而影响 舒适感。 第二章电梯导轨测试系统的研究 导向系统是引起轿厢水平振动的主要原因。导轨垂直度超差，导轨间距超 差，导轨局部缝隙和接头台阶超差，导轨局部扭曲，导轨工作面直线度误差等 因素都有可能使轿厢上下运动时产生水平振动。此外轿厢悬挂中心的偏离、轿 厢的偏载，将影响轿厢的静平衡状态，从而影响水平振动。 为了保障电梯乘员的身心健康，减小振动对人的影响，有必要对电梯的振 动进行检测、分析，以便快速找出振源、预报可能的故障并及时消除。 2 1 2 导轨质量及安装质量对电梯系统的影响。”1 电梯是一个复杂的机电系 统，在整套系统中，导轨的直线 度、连接处的平滑度以及压板间 距等诸多参数影响着电梯的性 能，严重时可能会危及人身安全。 ( 1 ) 导轨质量对系统性能的影响 按照振动原因进行分解，如 图2 1 所示。导轨作为电梯系统 图2 1 ，产生振动原因 的导向机构，它不仅可作为电梯系统的一个基本的安全保障部件，而且还和电 梯的舒适性有很大关系。这是因为导轨的表面形貌，可以认为是系统振动的一 个激励源，它通过导靴作用在轿厢上，使轿厢产生水平振动。 电梯整机的装配 部件的装配( 电机、轿厢等) 部件的安装 导轨的装配 导轨的安装 削 装配完毕 总体安装 检测舒适性 i 不合格 调查原因 部件缺陷fi 导轨缺路 图2 - 2 ，电梯装配流程图 ( 2 ) 导轨的安装对系统性能的 影响 在多数情况下电梯的装配 流程图如图2 2 所示。从图中 可见，在整个电梯的安装流程 中，导轨的质量会直接影响到 总体工程的质量和电梯的舒适 性。安装时，选取有效、及时 的检测方法对导轨进行质量检 测，不但能够极大地提高工作 效率，而且还会节约生产成本， 及时排除安全隐患，提高产品 质量。 塑三兰皇塑呈塾型望墨堑堕竺窒 2 2 导轨的误差分析 2 2 1 导轨的误差泌”1 导轨工作面的表面粗糙度反映的是工作面的微观不平度，对轿厢水平振动 影响较小：导轨的形状误差及装配误差反映的是工作面的宏观不平度，对电梯 的运行平稳性影响较大。电梯导轨在安装后的误差主要表现为：导轨连接处的 缝隙( g a p ) 、台阶( s t e p ) 、两导轨结合部的失调( m i s a l i g n m e n t ) 、导轨整体的 弯曲( b o w i n g ) 形变、平行导轨间距离( d b g ) 的偏差等，图2 - 3 所示是以上 几种误差源的图形表达( 图中所示各项参数和公差的单位均为m m ) 。此外，还 含有导轨本身的形状误差。 s t e pm i s a l i g n m e n tb o w i n g d b g 图2 - 3 ，电梯导轨误差表现形式 ( 1 )弯皓度与失调是影响导轨直线度的主要因素。弯曲度是指一节导轨 安装后发生了均匀的弯曲。失调是两条导轨连接由于导轨走向不同带来的误差， 通常失调所产生的导轨铅垂度误差比单独一根导轨弯曲造成的铅垂度误差要大 很多。因此所产生的振动也要严重很多。而且随着电梯速度的增加。导轨连接 处的偏差会使振动加速度变得更大3 2 1 。 ( 2 )台阶会造成轿厢的水平振 动。形成台阶的原因很多，它是作为一 种综合误差来体现的。主要包括导轨本 身的制造公差和安装时造成的误差。其 中，安装时的棹及榫槽产生的窜动是产 生台阶的主要原因。根据1 s 0 7 4 6 5 对榫 1 墨目= _ ! _ 扩一1 l ：黑瓣广 隧i 繁i 二一隧篱鬻窝 一 图2 - 4 ，榫及榫槽的窜动 nm坦mu印 g 第二苹电梯导轨测试系统的研究 及榫槽的公差标准可知，对称度公差比较严，但它特别受榫和榫槽之间最大的 可能的自由窜动的影响。如果自由窜动量很大，即使对称度很好，也能产生导 轨间的跳动。在装配期间，通常自由窜动有朝向一侧的倾向，并且产生以窜动 位移中线为基准的跳动( 见图2 - 4 ) 。 ( 3 )导轨端部的机械加工误差与装配时产生的 误差是形成缝隙的主要原因。它不但会与台阶一样对 轿厢造成横向振动，而且会影响导轨的承载能力和电 梯的寿命。 ( 4 )导轨装配时，连接板装配不当，会产生平 行度误差，如图2 5 所示。连接板安装表面机械加工的 长度与安装面的平行度参数也会导致两连接导轨的平 行度误差。在连接区域的这种误差能产生与直线度相 似的效果，而且会使导轨间距离( d b g ) 产生变化， 对电梯性能的影响极大。 图2 - 5 ，导轨的连接 安装电梯导轨时，要求每根导轨侧工作面对安装 基准线的偏差不能超过规定值。如果超过此范围，会增加电梯运行阻力、影响 电梯运行的平稳性和乘坐舒适感；当局部偏差超过导靴侧面调整间隙时，电梯 有卡住的可能性，因此，电梯两导轨的相互偏差在电梯安装工程质量检验评 定标准( 试用本) 中列为主要检验项目之一，即保证项目。 以上所列举的误差因素都将成为电梯运行过程中导轨作用于轿厢的不同的 振动激励源引起轿厢在水平方向上的振动。这将使乘坐电梯的舒适性大打折 扣，严重时甚至造成安全事故。所以，在导轨的旌工和维护过程中，采取有效、 准确的测量方法进行检测是非常必要的。 2 2 2 导轨的误差规定 导轨安装误差可用4 种几何量参数来表征，以下是国标中规定这4 种参数 的精确范围。 ( 1 ) 两导轨上表面距离( d b g ) 的偏差为：高速电梯应在0 - l m m 的范围内； 低速电梯为0 2m i l l ，相互偏差在整个高度上的不能超过o 5 m m 。 ( 2 ) 两导轨工作表面( 侧面与上表面) 的失调及导轨的弯曲度每5 m 不应超过 o 71 t h n 。 ( 3 ) 导轨接头全程内不应存在通缝( g a p ) ，非通缝不应超过o 5 m m 。 ( 4 ) 导轨连接处台阶( s t e p ) 不应超过0 0 5 r a m 。 第二章电梯导轨测试系统的研究 2 3 总体设计 导轨安装后的各种误差源对轿厢产生的振动，表现出的是一种综合的效果， 为了分离各参数对轿厢振动的影响，有必要获得这些参数的数据。在这种情况 下，我们对导轨直线度、铅垂度、台阶、失调、弯曲度及两导轨间距离( d g b ) 的偏差等参数进行测量。导轨的铅垂度及直线度的测量是关键，台阶、失调、 弯曲度可从直线度数据中通过数据处理来获得。 2 3 1 信号的采集 本测量系统共使用了4 种7 路传感器以不同的方式获得导轨装配的几何量 误差：位置传感器( p s d ) 、电感位移传感器、接近开关和光电编码器。 ( 1 ) 利用激光准直仪和一个二维p s d 组合，通过2 路p s d 信号，分别获取电 梯导轨工作面的形位误差： ( 2 ) 使用两个电感位移传感器相互配合，测量导轨间距离的偏差： ( 3 ) 使用一个接近开关来确定铅垂方向两导轨间的连接节( j o i n t ) 的位置； ( 4 ) 由于电梯运行的上行与下行速度不同，为得到准确的采样间隔，使用一个 光电编码器来定位轿厢在井道内的相对位置，通过记录其输出脉冲信号， 确定采样点间的距离： ( 5 ) 用一路接近开关来确定导轨托架( b r a c k e t ) 的位置和其长度信号，用于检 测托架对导轨直线度的影响。 其中，高灵敏度光电位置传感器p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 是一种 新型的光电器件【3 8 】，或称为坐标光电池，它是一种非分割型器件，可将光敏 面上的光点位置( x ，y ) 转化为电信号， 图2 - 6 是一个二维p s d 的标定原理。它不 像传统的硅光电探测器只能作为光电转换、 光电耦合、光接收和光强测量等方面的应 用，而能直接用来测量位置、距离、高度、 角度和运动轨迹等。它与阵列式图像传感器1 “ 也不一样，不像固态图像传感器的测量表面 由于敏感单元有一定大小而有一定的像素 当量：p s d 器件能连续检测光点的位置，分 辨力高，适配电路简单。 图2 - 6 ，二维p s d 标定 a 第二章电梯导轨测试系统的研究 2 3 2 测量基本原理。”4 1 1 经1 2 2 节的分析，我们选用 图l 一2 ( c ) 的测量布局，整个系统 的测量原理如图2 7 所示。p s d 组 件通过磁力和弹簧力与电梯导轨紧 密接触，且通过钢索与轿厢相连。 当电梯上行时，轿厢拖动p s d 组件 一起上行；当电梯下行时，设备依 靠自身的重力向下运行。激光准直 仪安放在井道底部，向上发射垂直 激光束，作为导轨形貌测量的铅垂 参考基准。安装在组件上的p s d 通 过感测与铅垂参考基准的偏差，测 量导轨形貌的变化。 确定p s d 位置的光电编码器 也安装在p s d 组件上，靠一个滚轮 与导轨紧密接触，编码器根据滚轮 转过的角度，将角度量转化为脉冲 电信号。通过对编码器输出的电脉 r e d 懂仪 图2 7 ，导轨测量基本原理 b 冲信号计数，就能够确定p s d 的相对位置和以距离表示的数据采集间隔。 二个接近开关也通过一定方式与p s d 组件相连，它们被用于测量导轨的连 接点和安装导轨的托架位置。 两个电感位移传感器安装在电梯轿厢的顶部，测头与导轨上端面弹性相接， 以测量导轨间距离的偏差。 r s d 测量仪被安装在轿厢的顶部，实时采集各个传感器采集到的数据。通 过设定适当参数，系统能自动完成导轨测量。一次上行或下行，设备能够同时 获得导轨的形貌变化数据和导轨接头位置以及安装导轨的托架位置的数据。通 过数据处理，得到导轨的直线度变化曲线和衡量导轨安装质量的一些特征参数。 这一系统可在电梯运行一次采集到导轨的多种测量参数，极大地提高了测 量的精度和效率。 第二章电梯导轨测试系统的研究 2 3 3 系统的结构设计 电梯导轨测试系统主要由5 个部分组成：测量信号的采集部分、主控模块、 外扩展1 6 m b i t 数据存储器、与用户对话窗口和计算机，结构关系如图2 。8 所示。 维p s d 传感器 信号调理 信号调理 放大电路 放大电路 左侧d b g 传感器l 玎疆亏丽豆b 6 i 天百西 右侧d b g 传感器l 玎石写丽面b 舷云i 百面 j o i n t 传感器 光电编码器 堕三塑垄h 墼盔皇堕 再磊国一 测量信号采集部分 _一一一一一-一一一-一-_- 圈 主控 模块 1 6 m b i t 数 据存储器 图2 - 8 系统设计的框图 液晶显示模块 剞 ：与用户对话窗口： l 一一一一- 7 路传感器输入信号要经过信号调理整形、放大电路进行电平转换，将其 调整到主控模块相适应的输入电压范围内。 位于轿厢顶部的r s d 测试仪将传感器信号进行a d 转换，并处理、存储。 它的由键盘和液晶显示模块组成的人机对话窗口不但可以使用户及时了解测量 时的工作状态，而且通过系统提供的菜单对系统的工作模式及参数进行选择， 使测量过程方便、易于掌握。通过键盘上的按键还可以中断正在进行的测量过 程，解除系统设定，使得测量过程灵活方便。报警器用来提示每次采集过程的 结束，使井道下的操作者及时了解采集过程的结束，即时停止电梯电机，防止 冲顶。 主控模块是整个r s d 测试仪的核心部分。主要是由a d g c 8 1 2 单片机及其 外围器件组成。整个系统的一切命令都是由它发出，一切数据都经它处理、存 储a 它充分运用了a d g c 8 1 2 的大容量外扩展数据存储器的功能，使存储容量达 到1 6 m b i t ，以实现存储多个传感器采集到的大量数据的要求。 第二章电梯导轨测试系统的研究 为保证测点与数据的对应关系，a d g c 8 1 2 芯片根据用户预先设定的采样间 距，计算出光电编码器输出脉冲个数，以编码器的输出信号为计时基准，定点 采样，将测量参数数据存储到外部扩