（检测技术与自动化装置专业论文）电梯导轨直线度自动检测系统的实现与性能优化.pdf

顾十论文 电梯导轨直线度自动检测系统的实现与件能优化 摘要 导轨作为电梯的导向部件，导轨的质量决定着电梯能否安全、舒适、高速地运行， 而导轨的直线度误差是决定着导轨质量的最主要因素。目前行业内的常用的直线度检测 方法，检测器具简单，但是测量精度不高，效率低，性能无法保证，同时市场上缺乏专 用于检测电梯导轨直线度的精密仪器。为此，设计实现了电梯导轨直线度自动检测系统。 本文介绍了电梯导轨直线度检测技术的国内外研究与应用现状及发展，结合该检测 系统的性能指标和电梯导轨行业的实际应用，选定了系统的检测方案。根据直线度评定 方法和电梯导轨的行业标准，确定导轨直线度误差的四种评价方法。 完成硬件选型和软件设计，现场调试检测系统，清除系统运行时发生的故障和错误， 对系统的软、硬件进行必要的修改与完善，针对系统调试和运行中出现的导轨振动、端 点选择和毛刺屏蔽等问题进行了性能优化并对基准导轨进行误差补偿。 详尽地分析并计算各种误差源带来的测量误差并合成得到系统的精度，利用测量系 统分析( m s a ) 的方法对系统的性能指标进行评价，系统的各项性能指标均达到要求。 本系统提高了检测精度和检测效率，保证了检测的准确性，为保障电梯导轨质量提供了 一种新的检测手段，提高了企业的生产效率和效益，整个检测系统交付使用。 关键词：电梯导轨，直线度检测，性能优化，误差分析，m s a a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t t h eg u i d er a i la c t sa st h eg u i d i n gc o m p o n e n t s ，w h i c hp e r f o r m a n c e ss u c ha ss a f e t y , c o m f o r ta n ds p e e da r ed e t e r m i n e db yt h eq u a l i t yo ft h eg u i d er a i l si nl a r g ed e g r e e b u tt h e m a i nd e c i s i v ef a c t o ro fg u i d er a i li ss t r a i g h t n e s se r r o r a tp r e s e n t ，s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n ti s u s e dc o m m o n l y , w h i c hh a ss i m p l ea p p l i c a t i o nw i t hn o th i g ha c c u r a c ya n dl o we f f i c i e n c y , b u t i tc a n n o tg u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c e b e c a u s et h e r el a c k ss p e c i a lp r e c is i o ni n s t r u m e n t so f m e a s u r i n gt h eg u i d er a i ls t r a i g h t n e s se r r o ri nt h em a r k e ta tt h es a m et i m e ，t h e r e f o r et h i s d e s i g nr e a l i z e st h ea u t o m e a s u r i n gs y s t e m t h i sa r t i c l em a k e ss o m ei n t r o d u c t i o na b o u tt h et e c h n i q u e sa n dd e v e l o p m e n to f s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n th o m ea n da b r o a d ，a n dc h o o s e st h es y s t e mm e a s u r e m e n tp r o g r a m w i t ht h ep e r f o r m a n c ei n d e xa n da c t u a l a p p l i c a t i o no ft h i ss y s t e m a c c o r d i n g t ot h e s t r a i g h t n e s se v a l u a t i o nm e t h o da n ds p e c i a ls t a n d a r d so fe l e v a t o rg u i d er a i l ，f o u re v a l u a t i o n m e t h o d so fs t r a i g h t n e s se r r o ra r ed e t e r m i n e d c o m p l e t et h eh a r d w a r es e l e c t i o na n ds o f t w a r ed e s i g n ，t e s tt h es y s t e m ，c l e a rt h ef a u l t s a n de r r o r s ，w h i c ho c c u r r e di nt h er u nt i m e ，a n dm a k es o m en e c e s s a r yc h a n g e sa n d i m p r o v e m e n tt ot h eh a r d w a r e p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o ni sm a d ea b o u tt h er a i lv i b r a t i o n ， e n d p o i n ts e l e c t i o n ，b u r rs h i e l d i n ga n do t h e ri s s u s e sw h i c ho c c u r r e di nt h es y s t e mt e s ta n d r u n n i n g ，a tt h es a m et i o m es o m ee r r o rc o m p e n s a t i o na r em a d e t ot h eb e n c h m a r kg u i d er a i l a n a l y z es y s t e me r r o ra n dm a k es o m ee v a l u a t i o nt ot h es y s t e mp e r f o r m a n c ei n d e xb y m e a s u r e m e n ts y s t e ma n a l y z em e t h o d e v e r yi n d e xm e e t st h ea r g u m e n t t h i ss y s t e mi n c r e a s e s t h ed e t e c t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c y , e n s u r e st h ep r e c i s e ，p r o v i d en e wd e t e c t i o nm e t h o d w h i c hc a ne n s u r et h eq u a l i t yo fe l e v a t o rg u i d er a i la n di m p r o v et h ep r o d u c te f f i c i e n c ya n d b e n e f i t t h ew h o l ed e t e c t i o ns y s t e mc a nb eu s e di nt h ee n d k e yw o r d s ：e l e v a t o rg u i d er a i l ，s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n t ，p e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n ， e r r o ra n a ly z e ，m s a 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 弘彦年6 月万日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：趟加l o 年6 只加 硕上论文电梯导轨直线度自动枪测系统的实现j j 住能优化 1 绪论 本章首先简单介绍电梯及其导轨，阐释了直线度检测对电梯导轨质量的重要性；然 后介绍了电梯导轨直线度检测技术的国内外研究与应用现状及发展，指出了研发高速电 梯导轨直线度检测系统的必要性；进而提出本课题的研究目标及主要内容，以及选题的 科学意义和应用前景。 1 1 概述 电梯是指电力驱动，利用刚性导轨运行的箱体或沿固定路线运行的梯级，进行升降 或平行运送人和货物的机电设备，其包括载人电梯，自动扶梯和自动人行道等。电梯导 轨是安装在电梯井道中或楼层之间的两列或多列垂直或倾斜的刚性轨道，保证扶梯和电 梯沿其作倾斜或垂直运动，为电梯轿厢、对重装置或梯级提供导向。导轨不仅是重要的 基准部件和导向部件，控制电梯轿厢和对重的运行轨迹，保障操作信号的传递，而且也 是轿厢发生意外紧急制停时坚固的支撑。所以电梯导轨是涉及电梯运行质量和电梯安全 的重要部件。 目前，垂直升降的电梯和自动扶梯是电梯行业的主流品种，其中垂直升降的电梯占 现有电梯总量的8 0 左右。现有电梯导轨可分为实心t 型导轨、空心导轨、自动扶梯导 轨等几大类，其中实心t 型导轨的市场需求最大，在中国的产量也最大【z 3 1 。本设计研 究的对象就是实心导轨。 1 2 电梯导轨直线度综述 在影响电梯安全性与舒适性的众多因素中，轿厢的振动尤为突出，而导轨直线度误 差又是轿厢振动的最主要原因。导轨弯曲( 直线度误差大) 会给轿厢一个侧力，影响轿 厢的运动，使轿厢有振动感，电梯速度越高，轿厢振动越强烈【4 j 。可见，导轨直线度是 评价电梯导轨质量的主要参数。导轨安装前后，技术人员不能再次改善导轨的质量，因 此，需要在生产企业控制导轨的质量，尽量保证导轨的直线度误差在合理的范围之内。 直线度是几何量测量领域中最基本、最重要的一项内容，同时也是平面平行度、垂 直度、同轴度等几何量的测量基础【5 j 。直线度测量时，不同的被测对象有不同的测量方 法。导轨直线度的检测具有测量距离长、数据量大、评定参数多、实时性要求高、需要 现场测试的特点。 1 3 国内外应用与研究现状 目前，出厂电梯导轨直线度检测按原理可以分为三大类：分别是偏差比较原理、节 1 碗l 论史 距测量原理和各种光学测量原理。每一种测量原理按照测量仪器的不同又分为不同的测 量方法。 1 3 1 节距测量原理 节距测量原理是按专用检具长度把导轨全长等分为若干节距，从导轨一端起，移 动专用检具并使其首尾相连，在每一节距上测取读数，直至在导轨全长上测量完毕 j 。 导轨规格不同，也就需要又小不同规格的检具。常用的检具为跨步仪和水平仪。 跨步仪法使用的测量装置如图1i 所示。测量前，把此装置放在高精度平尺或平板 上二，将指示表的示值调整为零，然后将测量装置放置在被铡面上进行坝4 量，每次移动一 个，距离，读取个读数。移动时，前次的测点位置，就是舌次测量的前支承点位置， 如此一次运段测完全长，最后经数据处理，即可求出被测的直线度误差。 设在被测面的4 ，4 ，一，4 点( 圈12 ) 上指示表的读数分别为a 2 ，c 6 ，幽，则各点 相对于测量装置两支承原始位置 和4 连线的偏差为y ，y - ，* 。因读数呜为被测面 上4 点相对于4 、4 连线的偏差，读数吗为被测面上4 点相对于4 、4 连线的偏差， 其余以此类推，即后一点上的读数为相对于前两点连线的偏差 6 l 。 指稚l 驯o p - - _ lt t # 。a i _ tf + * f 闰1 1 跨步法测量装置 由图12 可知：y o ，m 为零，l j y 2 = a a 自y ：= 盐尝墨 所以虬= 2 a 2 + q 又由n = 堕掣 0 y 4 = 3 a 2 + 2 a + 4 4 综合上述各式，可得下列通式： = 0 扎p 曩默 2 0 “_ ” 斗 + ； ( 1 3 1 ) ( 13 2 ) f 1 3 孙 ( 1 3 4 ) 咒= * 一j + e o ，( f = 2 ) ( 135 ) t 2 2 水平仪法按被测表面长度选定适当跨距，并制作一个专用桥板，将水平仪放置在桥 板上。测量时，使桥板的两支撑点沿测量长度方向分段依次移动( 在两次测量中应使前 次测量桥板的末点与后一次测量时桥板的始点相重台) ，如图1 3 。水平仪的读数即为 硕士论文 电梯导轨直线度自动榆测系统的实现与住能优化 各测点的读数，再把各测点的读数做出误差图或进行计算( 方法同跨步仪) ，得出的数值 再换算为线值，即为直线度误差值 7 1 。 一 图1 3 水平仪法 1 3 2 偏差比较原理 偏差比较法就是将测量对象与测量基准比较，得n - 者之间的偏差，从而得到导轨 的直线度。常用的量具有垂线、检测平台和钢丝。 垂线法，如图i 4 所示，主要用于单列导轨直线度的测量和矫正，使用时将角尺贴 靠在导轨的两个工作面上，根据测得的导轨和铅垂线问距离x ，对导轨安装位置进行调 整，并测量导轨直线度 8 】。 角尺 铅锤线 图1 4 垂线法 检测平台法如图1 5 中所示，将电梯导轨的导向面自由状态贴靠在检测平台的基准 面上，用目测法观察导轨导向面与检测平台基准面的间隙，用塞尺测最大间隙b 值，再 测出该处间隙范围离该点距离a 和距离c ，选择距离a 与c 中的最小值，此处选择距离 a ，计算出测量值b 与距离a 的比值，则可得到其直线度引。 1 绪论 硕_ 1 论文 图1 5 检测平台法 钢丝偏差比较，如图1 6 所示，将导轨放在可调支架支撑的钢丝和读数显微镜下面， 调整好钢丝和导轨的问距后，将读数显微镜调零或记录读数显微镜的初始值，然后移动 读数专用量具，读数显微镜指示出导轨与钢丝之间的偏差值，根据此偏差值即可计算出 导轨的直线度 7 1 。 1 导轨2 专用检具3 读数显微镜4 钢丝 5 可调土架6 重锤 图1 6 钢丝法 上述的传统测量方法具有操作简单、工具成本低等特点，故它们在导轨的检测过程 中多被采用，但是这些方法各自都存在着一定的局限性。这些测量方法多为接触测量， 接触式测量对传感器或基准件的磨损较大，产生的误差也不可避免。另外，这些测量方 法都是手动进行测量的，测量效率低，而且测量精度受人员操作水平的影响较大。为了 提高检测效率和精确度，人们提出了多种方法。其中主要有激光准直测量法和激光干涉 仪测量法。 1 3 3 激光准直测量法 2 0 世纪7 0 年代后期，国内外出现了各种各样的激光准直方法用于直线度误差测量。 其原理示意图如图1 7 ，其工作原理为：将激光准直仪固定在机床床体上或放在机床床 体外，在滑板上固定光电目标靶，光电探测器件可选用四象限光电池或p s d ( 位置敏感 4 硕士论文屯梯导轨直线度自动检测系统的实现与性能优化 器件) 。测量时首先将激光准直仪发出的光束调到与被测机床导轨大体平行，再将光电靶 标对准光束。滑板沿机床导轨运动，光电探测器输出的信号经放大，运算处理后，输入 到记录器记录直线度的曲线，也可以对机床导轨进行分段测量，读出每个点相对于激光 束的偏差值7 1 。 图1 7 激光准直测量法 这种方法以激光束的强度中心作为直线基准，其精度容易受到激光束漂移、光束截 面上强度分布的不对称、探测器灵敏度不对称以及空气扰动造成的光斑跳动的影响，另 外激光准直仪体积大，这种测量方法没有得到普遍使用。 1 3 4 双频激光干涉仪测量法 双频激光干涉仪测量法是根据多普勒效应完成直线度检测的测量装置。双频激光干 涉仪测量法具有检测功能齐全、携带方便等优点，但是激光干涉仪本身价格昂贵，用它 进行直线度测量时还需要配备专门的光学器件，根据不同的测量范围，需要配备两套测 量直线度误差的光学器件，从而使整套系统价格不菲。再加上整套系统在检测中光路调 整不方便，这使它很难被普及。另外，角度反射镜运动中的倾斜也会影响测量精度【6 j 。 1 3 5 国内外最新研究的测量方法 由于上述的常用的的检测方法存在种种缺陷，近年，随着激光、计算机和电子等技 术的发展，国内外出现了多种以激光准直技术和传感器技术为核心的现代检测技术。 澳大利亚o t i s 工程中心研制了一种电梯导轨直线度动态测量仪器r s u ( r a i ls u r v e y u n i t ) ，如图1 8 所示。测量时，将r s u 贴靠在被测导轨表面使之随着轿箱上下移动， 位移传感器可自动记录导轨表面的位置变化，再经过相应的数据处理就可以得到导轨表 面直线度误差。该仪器有操作方便实用的优点，但是仍然存在不足。该方法测量过程中 的随机误差将被累积，不可避免的由于轿箱震动而引起测量误差。 i 绪论硕上论文 轮 s 导轨 图1 8r s u 测量原理图 上海拉特激光有限公司生产的j z s a 0 5 2 大型设备直线度平面度自动检测系统可用 来测量直线度。j z s 采用的是半导体激光器，波长6 5 0 r i m ，仪器输出的激光束的光功率 小于l m w ，该仪器全程无需凋焦，避免了调焦引起的误差，该仪器能达到的测量精度是 0 0 5 m m ，测量范围为1 5 0 m ，该仪器可用来测量长距离直线度，不适用于检测导轨直线 f 自：f 8 】 d t o 另外，全球电梯导轨领先者西班牙塞维拉集团拥有导轨自动校直机，该设备具有直 线度检测功能。意大利蒙特费罗集团拥有导轨直线度自动检测机。因为商业机密，这两 家大型集团没有透露它们的系统的性能和原理，此处不做过多讨论。 1 4 研发电梯导轨直线度自动检测系统的意义 电梯导轨行业有自身的特点，发展前景广阔，检测标准较高。由于电梯导轨保障着 电梯运行的安全，涉及生命财产安全，因此在装备和技术应用过程中各项数据控制要求 较高，特别在导轨对称度、直线度控制等方面要求相当严格，这就要求企业必须具备相 应的技术能力。 在世界电梯导轨领域，电梯导轨直线度自动检测技术发展很快，达到了较高的水平。 我国电梯导轨加工行业通过不断的探索和实践，越来越多的导轨加工技术被国内企业所 掌握。但在直线度检测方面，我国的电梯生产企业还在应用水平仪节距测量法、跨步仪 节距测量法、检测台偏差比较和钢丝变差比较等检测方法。现在还仍缺乏完整的专用于 电梯直线度检测的设备【2 】。特别是在车间环境下，对高速电梯导轨的检测手段更是缺乏。 在某公司委托下，按照精确性与经济性原则，设计开发了一套工厂现场应用的导轨直线 度检测系统，为保障电梯导轨质量提供了一种新的检测手段。 6 硕上论文咆梯导轨直线度自动检测系统的实现与性能优化 1 5 主要研究目标和内容 本文根据与某电梯导轨生产企业合作的课题，设计并实现直线度误差自动检测系 统。本文的研究目标是通过检测系统的方案没计、应用v i s u a lc + + 软件实现一套电梯导 轨直线度自动检测系统，分析、优化并验证系统的性能。 主要研究内容如下： ( 1 ) 研究电梯导轨直线度检测原理与直线度误差评价方法。并结合国家标准，选择 直线度评定的具体方式。分析电梯导轨行业内现行直线度检测方法，根据检测系统的性 能指标设计自动检测系统的总体方案。 ( 2 ) 根据性能要求和设计方案，完成硬件选型和设计，利用v i s u a lc + + 开发电梯导 轨直线度自动检测系统的应用软件。 ( 3 ) 完成检测系统的现场调试，清除系统运行时发生的故障和错误，对系统的软、 硬件进行必要的修改与完善，分析并优化系统性能，之后进行了有效的维护。 ( 4 ) 分析系统误差并利用测量系统分析( m s a ) 的方法验证系统的各项性能指标达 到要求，为车间环境下研发一套适用的电梯导轨直线度自动检测系统。 7 2 导轨直线度自动榆测系统的总体方案设计 硕j 二论文 2 导轨直线度自动检测系统的总体方案设计 总体方案设计是指在具体设计以前，从总体角度出发，对系统的全局问题进行全面 的设想和规划。总体方案设计是非常重要的，通过总体设计时的综合研究，町以使系统 的原理、技术指标建立在科学的基础之上，从而可以从各种可能的设计方案中寻求最佳 方案【9 j 。本系统总体设计中，首先根据直线度误差评定方法和电梯导轨直线度的国家标 准，选定导轨直线度误差的评价方法；然后结合检测系统的性能指标，选定了本系统的 检测基准，最后完成检测系统方案的设汁。 2 1 系统性能指标 根据企业对检测系统的要求，系统技术的性能指标如下： 基本功能：按照电梯导轨直线度检测标准规定的要求，实现电梯导轨直线度误差的 自动检测与数据处理功能，并可以使用触摸屏操作和鼠标键盘操作两种方法操作该检测 系统。 适时显示：采用工控机显示器实时显示直线度误差曲线、导轨信息、评价参数和直 线度误差的数据处理结果。 参数设置：不同型号的导皂j l f d 不同精度的导轨需要设置对应的系统参数，这样才能 确定该型号导轨所用的检测程序和设置导轨精度等级。 报警要求：当超过评价参数规定值时，报警器发出报警信号，报警灯闪烁和长鸣一 段时间。 检测精度：检测精度为士0 0 5 m m 。 检测效率：人工校直完的导轨要经过该系统检测，检测系统的检测速度要快于校直 人员工作的速度以防止影响工作进度。 数据保存与查询：检测系统的数据库中要保存每一根导轨的检测数据和数据处理结 果，并可以再现这些数据。 故障检测与保护：系统的关键部件要采用合理的软硬件保护，在发生故障时可以报 警并给出故障信息以便后期维护。 报表及其相关功能：根据客户要求，按照各种需求生成规定格式的产品报表，包括 打印产品直线度曲线，指定文件夹下生成直线度曲线图片，打印或生成符合查询条件的 一批导轨的详细参数。 这些参数中，检测精度直接决定着硬件的选型和软件采用的的性能优化方法，同时 也是决定系统性能的基础性指标，具体分析详见第三章和第五章。 硕上论文电梯导轨直线度臼动检测系统的实现与性能优化 2 2 直线度的评定方法 根据国际标准化组织( i s o ) 的规定：一个理想几何形状的平面上，当被测线每个 点相对理想直线的变动量小于等于指定公差值时，被测线的直线度是恰当的。为了使理 想直线到实际曲线的距离是最小的可能值，应该正确定位理想直线】。因此直线度误差 就是计算实际测量曲线直线度时两条平行线的最小距离。确定最小距离必须确定参考直 线，确定参考直线的方法就是评价直线度的方法，其主要有两端连线法、最小二乘法、 最小区域法三种 1 | 】。 2 2 1 两端连线法 两端连线法就是把数据点的第一点和最后点的连线作为评定基准线，求出各数据点 到基准线的偏差距离忽，以测量曲线最高点和最低点与基准线距离的代数和为直线度 误差，如图2 1 所示。 ， 图2 1 两端点连线法 基准线线方程为： y = 口石+ b( 2 2 1 ) 由 名= ( 咒一a x ；一6 ) 口2 + 1 ( 2 2 2 ) 求出各数据点到基准线的距离，得到数据点与基准线距离的最大值办一( 基准线上 端的点) 和最小值吃嘶。( 基准线下端的点，l h m i nj 最大) ，二者之和即为直线度误差。 2 2 2 最小二乘法 此方法以最小二乘中线作为评定基准线，最小二乘中线是使直线上各点到该直线的 距离的平方和为最小的一种理想直线。求出各采样点到最小二乘中线的距离，距离的最 大值和最小值的代数和就是直线度误差，如图2 2 所示 1 2 】。 9 2 导轨直线度自动检测系统的总体方案设汁硕士论文 图2 2 最小二乘法 设基准直线为y = a x + b ，其中各点b ( t ，y i ) 到基准直线的距离为： h i y i a x 一b 根据最小二乘原理得函数： f ( 口，6 ) ：宝( 奶一a x j 一6 ) 2 i = 1 ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) 由极值条件，当娑：0 ，等：oh e ，式( 2 2 4 ) 的值最小，4 2 a 最d 、二乘直线参数： o ao t 3 x l y i - z 誓y ， 三!生! z x , 2 一( ) 2 i = 1i = l 西2 z y , - z x , 誓y 。 b = i = ! ! = ! 二!生! 薯2 一( 誓) 2j i 、j 一l 扛l，= l 从而得基准直线( 最小二乘中线) ： 曝咒一d y = a x + b = j 兰生l 生l 一石+ 誓2 一( ) 2 一础 i - - l - l ( 2 2 5 ) 了一 ( 2 2 6 ) 一( 誓) 2 ，= i 计算每个数据点到基准直线的距离，得到两侧最远点至该基准线的距离的最大值 j i l 一和最小值五胁( 1 f 最大) ，则直线度误差仁7 l 一+ f 7 i 曲i 。 2 2 3 最小区域法 最小区域法是以最小区域线作为评定直线度误差的方法。一般最小区域线是指两条 平行的理想直线构成的直线度最小的包容区域【13 1 ，如图2 3 所示。 l o 聋攀 疗丛 硕士论文 电梯导轨直线度自动检测系统的实现与性能优化 工 图2 3 最小区域法 两条包容直线是否符合最小包容区域，在数据点较少( 5 ) 时容易判断，只要多 次选择直线并比较即可。然而，在数据点很多时，选定正确的参考直线并确定最小区域 的算法复杂，研究人员提出了各种算法。o r a d ye ta l 采用逐一搜索澍1 4 1 ，c a r ra n df e r r e i r a 用i b m 的最优软件库获得了最小区域 1 5 】，s u e na n dc h a n g 提出了神经网络回归算法【1 6 】， 2 0 0 8 年k ez h a n g 提出了粒子群优化( p s o ) 算法 1 7 】，除此之外还有很多算法。 2 2 4 本系统直线度评价标准的选用 两端连线法精度低于后两种算法，但是算法最简洁；最小区域法精度高于两端连线 法，但测量点很多时算法最为复杂，在测量点数较少时多用；最小二乘法精度较高，算 法居中。 可见，最小二乘法可以保证检测系统的精度，同时可以很方便的在计算机上用软件 实现，但是结合电梯导轨的应用现状和行业标准，本设计还是牺牲了检测精度而选择两 端连线法。 2 3 导轨直线度检测的行业标准 不同行业，直线度的评定准则不同。电梯行业标准j g t5 0 7 2 1 1 9 9 6 与j g t 5 0 7 2 2 19 9 6 中，电梯t 型导轨的直线度评定准则为导轨的b a 最大值( 参看图2 4 ) 不超过允 许值。导轨的直线度检验主要针对t 型导轨的侧面和项面，以下不特殊说明导轨专指t 型导轨。 2 导轨直线度自动检测系统的总体方案设汁硕上论文 水平面 图2 4t 型导轨直线度的评定方法 图2 4 中，b 为测量点和基准线之间的最大距离，a 为基准线始点和最大值点之间 的水平最短距离。用b a 控制每段的直线度或整个测量长度( 大多为5 米) 的直线度。 最短检验长度为1 0 0 m m ，即l o o m m 内不用b a 控制 1 8 , 1 9 】。可见b a 算法中，两端点连 线为直线度评定的基准线，因此本设计方案中没有选择精度高的最小二乘法，而是选择 了两端点连线法来评定直线度误差。 普通精度导轨的直线度：b a _ o 0 0 1 ；高精度导轨的直线度：b a _ 0 0 0 0 4 。对于 根5 m 长的导轨，若整长都弯向一个方向( 如图2 4 所示) ，并且最大值出现在中间，则 普通精度导轨的直线度允许偏差值为0 0 0 1 ( 5 0 0 0 2 ) = 2 5m m 。高精度导轨则为： 0 0 0 0 4 x ( 5 0 0 0 2 1 = l m m 。 电梯导轨行业的行业标准只是简单的规定了导轨向单方向弯曲时b a 的确定方法， 然而实际情况却并非如此简单，实测导轨的弯曲各式各样，很难只用这种行业标准来衡 量，这是因为，制定该标准时还没有出现现代检测技术，其主要适用于用一米长的标准 尺( 工厂中称“靠尺”) 分段渐进测量的方法。 根据电梯导轨行业的行业标准和客户要求，本系统在行业标准的基础上做了一定的 改进。在b a 控制的基础上，增加了整长弯曲值( 整长直线度误差值) 、每米弯曲值( 每 一米内的直线度误差值) 和两端5 0 0 m m 处弯曲值，并把这些控制指标设计成四种直线 度控制方式供测量员选择，具体方式见4 4 2 节。 2 4 检测基准 检测基准是指在检测零件或组件时要用来作为参照的元素，是确定被测量与基准要 素之间关系的主要依据。直线度检测时需要确定检测基准，目前确定直线度检测基准的 方法主要有基准导轨法和误差分离法。 1 2 硕+ 论文电梯导轨直线度自动检测系统的实现与性能优化 2 4 1 基准导轨法 基准导轨法就是安装一个直线度误差很小的导轨，其误差相对被测导轨的直线度误 差可以忽略不计，然后利用此导轨作为测量基准，用此基准导轨与被测导轨进行比较， 从而得到表示导轨直线度的数据，然后选定根据直线度的评价方法计算直线度误差值即 可。这种方法，基准导轨的直线度误差直接传播给狈0 量结果，因此，要求基准导轨的直 线度误差远小于检测系统的测量精度。 2 4 2 误差分离法【2 0 】 1 9 8 2 年，学术界提出了连续两点法来测量直线度，随后误差分离技术( e s t - e r r o r s e p a r a t i o nt e e h n i q u e s ) 有了很大的发展2 1 1 。误差分离法主要包括时域两点法、时域三点 法、频域三点法、混合两点法、乱序四点法等，其基本原理相似。这里介绍时域两点法 来说明误差分离法的工作原理。 图2 5 时域两点法检测原理 如图2 5 所示，上侧的曲线表示被测导轨的弯曲线，下侧的曲线表示传感器沿其导轨 的运动轨迹。两个传感器并列装在测量小车上，其间距为l 。测量小车每移动一个距离l ， 两个传感器就同时测量得到4 ，e 两个测量值。令测量小车中心s o 为x s 坐标系的坐标原 点，传感器a 对应导轨弯曲线上的点k 为x y 坐标系的坐标原点，则在& 点，传感器读 数分别为4 ，玩；移动距离l 后，读数分别为4 ，届，则： 誓= 尾一鸽，s = 鼠一4 ( 2 4 1 ) 同理有： e = k + ( e a i ) ，叉= s + ( 且一a 2 ) ( 2 4 2 ) 于是可以得到被测导轨上间隔为l 的所有测量点的计算值如下： 妖= 妖一一+ ( 反_ 1 - 4 一，)( 2 4 3 ) 【s k = 足一l + ( b k l 一4 ) 。 这些结算值就是直线度误差数据，利用直线度误差的评价方法处理这些数据即可得 到直线度误差值。 2 导轨直线度自动检测系统的总体方案设计硕一i ：论文 2 4 3 本系统检测基准的选定 基准导轨法和误差分离法都是利用光电传感器的高精度测量，均是非接触式测量。 基准导轨法是建立在基准导轨上的直接测量，其需要一只传感器和精度非常高的导轨， 同时导轨的精度直接影响到整个系统的精度。误差分离技术可以消除导轨偏差带来的系 统误差，但是需要安装两只传感器协调工作。 误差分离法从原理上讲，其精度高于基准导轨法，但是利用这种方法进行大长度的 直线度测量时，会放大系统的随机误差，同时要求传感器的测量误差相对于被测件的直 线度误差足够小，这是很难做到的，为了克服这些不足之处，要应用复杂的算法并实验 验证，e i k io k u y a m a 采用加权翻转过滤的方法做了这方面的工作【2 2 1 。另外，在实际测量 时，由于测量系统的安装等影响，会产生传感器初始调零误差、传感器安装间距误差、 采样间隔误差等，从而很难达到理论上的精度。同时，该检测系统在检测不同型号的导 轨时，步进电机要带动传感器前后移动，这样才能使导轨处在传感器的检测范围之内， 这种功能要求使传感器初始调零误差、安装间距误差和采样间隔误差更大，这种误差很 难消减。 基准导轨法的精度主要受限于基准导轨和传感器，其理论精度比误差分离法低，但 是，这种方法只需要一只传感器，在传感器前后移动的过程中，不会产生不确定的系统 误差，正符合本系统的功能要求。只要基准导轨的精度可以达到系统要求，从移动传感 器的功能要求上考虑，基准导轨法是最好的选择。 这种方法对基准导轨的要求比较高，以免基准导轨分段安装带来的累积误差过大而 影响测量直线度的精度。为了把基准导轨的精度控制在比较理想的范围内，可以在软件 上对基准导轨进行误差补偿以达到系统的精度要求，具体的精度分析和基准导轨的误差 补偿详见第五章。综上，结合本系统的功能要求和经济性，本系统选定采用基准导轨法。 2 5 检测系统的方案 根据以上分析，本检测系统采用基准导轨法，利用两端连线和电梯导轨行业的行业 标准来评定直线度误差。设计了如下图2 6 所示的检测系统。 4 电梯导轨直线度自动持删系统的宴现t j 性能优化 j 丝宣篓 n 26 测量系统结构示意图 检测过程为：电梯导轨经过人工校直之后，利用滚轮推到物流架上，物流架接到导 轨后输出信号给p l c 控制器，p l c 控制器可阻设置成检测和不检测两种工作模式，不检 测则直接输送导轨到下一个工序( 清洗导轨) ，检测的情况如f ： p l c 控制物流架上的电机把导轨输送到检钡4 系统的检测架上，然后利用气缸把导轨 定位在检测位置，p l c 给出工控机准备好信号，工控机完成系统自检确定可以检测开始 后，根据导轨型号利用步进电机调整激光头到检测面的距离，然后控制伺服电机转动， 在传动系统的作用下，传感器头在一个行程中完成测面的检测。之后，行程开关输出行 程到位信号给工控机，工控机输出信号给p l c 控制器完成导轨翻转后，p l c 控制器再次 给出准备好信号，工控机再次完成系统自检，确定可以检测开始，再次调整激光头到检 测面的距离，控制伺服电机转动一个行程完成项面的检测。最后工控机处理数据，合格 则根据要求喷码，不合格则给出不合格报警信号。 2 6 本章小结 本章主要内容如下： ( 1 ) 介绍直线度误差及其评定方法，电梯导轨直线度的国家标准，分折导轨直线度 误差的评价方法，即：符合国家标准的两端连线法评定直线度误差。 ( 2 ) 给出了检测系统的性能指标。 ( 3 ) 简要介绍了基准导轨法和误差分离法各自的优缺点，在详细分析两种方法及本 系统的性能要求之后，选择以基准导轨法为本检测系统的检测方案。 ( 4 ) 结合榆测系统性能指标和选定的基准导轨法，设计了电梯导轨直线度检测系统 的整体结构，并简要介绍了总体方案。 3 导轨直线度自动检测系统的硬件设计硕t j 论文 3 导轨直线度自动检测系统的硬件设计 根据检测系统的方案，设计的电梯导轨直线度自动检测系统主要由工控机和p c i 板 卡、p l c 控制器、激光位移传感器、导轨副系统、伺服单元及其传动部件、同步电机及 其驱动机构、喷码机、供电系统及控制柜等组成。供电系统为整套设备供应稳定安全的 电源，控制柜提供了很好的人机操作平台。其他部件联系框图如图3 1 所示，其中方框 中为部件名称，直线显示了部件之间的联系，箭头方向为信息流或控制流的方向。 图3 1 其他部件联系框图 物流架在p l c 控制器的控制下完成被测导轨的输送和定位，p c i 板卡插在工控机中 成为工控机的一部分，p l c 控制器和工控机通过通信协同工作从而完成整个系统的控 制。传感器头和喷码机的喷头分别安装在步进电机的传动轴上，一个步进电机带动位移 传感器前后移动使不同型号导轨的导向面都在激光传感器的测量范围内，另一个步进电 动机带着喷码机的喷头左右移动把编码喷到导轨上。激光头移动用的步进电机及其转动 装置都固定在测量小车上，测量小车在伺服电机控制下在基准导轨上匀速地左右运动， 运动过程中程序控制的p c i 板卡定时采集直线度原始数据。 3 1 工控机及p c i 板卡 工控机即工业控制计算机( i n d u s t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r ) 英文简称i p c ，是专门为 1 6 硕士论文电梯导轨直线度自动榆测系统的实现与性能优化 工业现场而设计的计算机，作为一个工业控制器在工业环境中可靠运行。对产品的易维 护性、散热、防尘、产品尺寸都有着严格的要求。鉴于此种要求，本系统选择研华i p c - 6 1 0 工控机。 工控机是软件运行的硬件支撑，主要实现数据采集与处理、直线度评定、实时显示、 参数设置、故障检测、报警提示、故障检测与保护、打印与截图、报表及其相关功能等， 具体功能和程序将在第四章详述。 p c i 板卡是工控机与p l c 控制器相互通信，控制伺服单元和同步电机，接收传感器 传送数据的桥梁，因此在系统设计中选择合适的p c i 板卡十分重要。根据本检测系统的 功能上的要求，本检测系统采用台湾泓格科技公司的p i o 8 2 1 多功能p c i 卡，其与本系 统相关的主要性能为： ( 1 ) 1 6 路单端模拟量输入或8 路差分模拟量输入通道； ( 2 ) 具有1 2 位采样精度； ( 3 ) a d 转换器的最大采样频率可达到4 5 k s ； ( 4 ) 1 6 路标准t t l 电平数字输入输出； ( 5 ) 3 个独立的1 6 位定时计数器。 从板卡的端口引出的数据线先接到继电器接口电路上，然后连接到p l c 控制器、 伺服单元、步进电机、传感器、位置开关上( 2 3 1 。p i o 8 2 1 带有一片定时计数芯片8 2 5 4 ， 8 2 5 4 具有3 个独立的1 6 位计数器通道，每个通道有6 种工作方式，可由程序设置和改 变。设计中要产生两路可控的方波信号，本设计使用o 号和2 号计数器，工作方式选择 方式3 t 2 4 1 。利用板卡的定时计数函数设定计数器初值以确定产生脉冲的频率，将两个输 出口端连接0 号和2 号计数器的g a t e 0 和g a t e 2 引脚，便实现了门控信号的硬件连接， 控制脉冲信号的启停，从而控制步进电机的启停，结合脉冲频率就可以控制步进电机的 距离。 3 2p l c 控制器 本设计中用p l c 完成电梯导轨的输送和定位，有自动和手动两种控制方式，有检 测和不检测两种工作状态。可编程序控制器( p l c ) 是以微处理器技术、电子技术、网 络通信技术和先进可靠的工业手段为基础，综合了计算机技术、网络通信和自动控制技 术的一种新型的通用自动控制装置。它具有功能强、可靠性高、使用灵活方便、易于编 程以及适于在工业环境下应用等一系列优点。 基于功能要求和性价比，选用的p l c 是德国西门子公司生产的小型化的s 7 2 0 0 p l c 。s 7 2 0 0p l c 结构紧凑、价格低廉，适用于小型的自动化控制系统。其指令处理时 间短，减少了循环时f 、日j ，高速计数器使其可应用于更广泛的领域，高速中断处理能分别 响应各种过程事件：对性能的扩展提供了模块化的扩展能力，用于控制步进电动机的脉 1 7 3 导轨直线度自动检测系统的硬件设计 硕士论文 冲输出同样可用于脉冲宽度的调制，为快速方便地解决最复杂问题提供高效的指令集。 此外附加性能有点对点接口( p p i ) 支持编程、操作员站接口与串行设备接口；用户界 面友好的s t e p 7m i c r o d o s 软件和高效的编程器简化了编程；三级口令用于保护用户 程序；t d 2 0 0 和c o r o s 操作员面板提供简单的人机接口功能s 7 2 0 0p l c 的强大功能 使其无论单机运行，或连成网络都能实现复杂的控制功能。 对于两种控制方式切换的工作状态的选择，如果用按钮实现，按钮很多而且不够方 便和直观，因此采用触摸屏实现。选用s 7 2 0 0c n 系列的t p l 7 0 型号的触摸屏产品。t p l 0 7 可用于：通过菜单系统控制和监控过程；将过程、机械设备和系统显示在全图彤的动态 画面上；显示和编辑消息；通过输入直接干预运行过程。因此通过t p l 7 0 触摸屏与s 7 2 0 0 p l c 的通信连接和组态可以完成良好的人机操作界面【2 引。 3 3 导轨副系统 本系统的检测方案选择了基准导轨法，从硬件设计角度上将，这就对基准导轨提出 了非常高的精度要求。基准导轨由导轨副来完成。两个构件直接接触并能产生一定相对 运动的连接称为运动副，导轨副就是由导轨和导轨滑块组成的运动副 2 6 1 。本系统选用的 s t a f 精密直线导轨的精度等级如表3 1 所示。 表3 1s t a f 直线导轨的精度等级 等级普通级高级 精密级超精密级超高精密级 项目nhps pu p 000 高度h 的容许尺寸误差 0 10 0 4 0 0 40 0 20 0 1 000 宽度w 的客许尺寸误差口1口0 4 00 40 d 2 d 0 1 成对时高度h 的相对误差 00 3d d 2d 口10 0 0 50 0 0 3 成对时宽度w 的相对误差0 0 30 d 20 0 10 0 0 50 0 0 3 为了提高导轨副的稳定性和可靠性，同时使导轨副均匀受力，本系统采用双导轨系 统。单根超精密级( s