（机械制造及其自动化专业论文）高速电梯导轨直线度检测系统的研发.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 摘要 电梯是集机械、电气、控制为一体的复杂集成系统，导轨作为电梯的导向部 件，是电梯的重要组成部件，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。 直线度是几何量测量领域中最基本，最重要的一项内容，同时也是平面度、 平行度、垂直度、同轴度等几何量的测量基础。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，传统的直线 度检测方法，如平尺法、水平仪、钢丝法等，虽然检测器具简单，实际中常被采 用，但各自都存在一定的局限性，测量精度不高，效率低，性能无法保证；而有 些仪器却造价过高不利于广泛应用。因此课题以导轨的直线度测量为研究对象， 兼顾精确性与经济性的前提，并在某公司委托下，设计开发了一套现场导轨直线 度检测系统，为保障电梯导轨质量和乘坐的舒适性与安全性提供了一种新的检测 手段的尝试。 本论文首先分析了导轨直线度的检测要求，根据要求并结合探讨了几种直线 度检测方案和直线度误差值的评定方法，确定了适合本系统要求的检测方案和误 差值评定方法，进而提出了一种导轨直线度检测系统的整体架构。接着，从机械 部分、测控部分两方面来详述直线度检测系统的器件选型和依据；从以p l c 为 核心的下位机数据采集与控制部分和以l a b v i e w 程序为核心的误差分析与处理 部分两方面分别系统的实现；继而通过对测量误差源分析，提出了通过系统优化 对误差进行补偿的一些方法；同时根据现场数据分析提出一种导轨的合格判定方 法。在文章的最后进行了测量系统分析，获得了该系统的偏倚、重复性、再现性、 稳定性、线性以及测量系统的分辨率等指标，证实系统的可行性，并进行了实例 运用。 关键词：电梯导轨直线度检测，虚拟仪器，测量系统分析，挠度补偿 i l 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a sac 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 e m e t i c t e c h n o l o g i e s 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 l i c ee x c i t i n gl a t e r a lv i b r a t i o n o fc a b hi sak e yp a r to fa ne l e v a t o r m a n ye l e m e n t sh a v eg r e a te f f e c t so nt h es a f e t y a n dc o m f o r to fe l e v a t o r s ，a m o n gw 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 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 ds p e e d ，a r ed e t e r m i n e db y t 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 t h e r e f o r e ，t h ee x a m i n a t i o no f g u i d er a i l s h 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 ec h e c ka sw e l la s m a i n t e n a n c eo fe l e v a t o r s s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n ti so n eo ft h em o s tb a s i ca n di m p o r t a n ti t e mi nt h ef i e l d o fg e o m e t r i c a lm e a s u r e m e n t ，w h i c hi st h eb a s i so fp l a n a rd e g r e e ，p a r a l l e ld e g r e e ， o r t h o g o n a ld e g r e e ，c o a x i a ld e g r e ea n de t c s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n to ft h er a i lh a s s o m eu n i q u ec h a r a c t e r s ，s u c ha st h er e q u i r e m e n t so ft h el 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 lt i m er e q u i r e m e n t ，a n dw o r ko n - s i t e t r a d i t i o n a l s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n t s ，s u c ha sl e v e l i n gr u l e s ，g r a d i e n t e r ，r e i n f o r c i n gw i r e ，e v e n t h o u g hs i m p l ei nd e t e c t i n ga p p a r a t u sa n da d o p t e dw i d e l y ，a r eo fc e r t a i nl i m i t a t i o n ， l o w a c c u r a c y ，l o we f f i c i e n c y ，a n dc a n tg u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c e o nt h eo t h e rh a n d ， s o m eo t h e rm e a s u r i n gd e v i c e sc a n n o tb ew i d e l yu s e db e c a u s eo fv a l u e u n d e rt h e s u p p o r tf r o mh a n g z h o us h e n l i n ge l e v a t o rf i r i n g sc o ，l t d ，w et a k et h es t r a i g h t n e s s m e a s u r e m e n to fg u i d e w a ya so b j e c to fr e s e a r c h ，a n da d v a n c ean e wm e t h o db a s e do n d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gt om e a s u r i n gs t r a i g h t n e s so nt h ep r e m i s eo fa c c u r a c ya n d e c o n o m i c s a tt h ev e r yb e g i n n i n go ft h ea r t i c l ei st h ea n a l y s i so ft h ed e t e c t i n gr e q u i r e m e n t s o ft h er a i ls t r a i g h t n e s s ，t h e nc o m b i n i n g 诵t hs e v e r a lc o m m o nm e t h o d s ，w ef i xa n a s s e s s m e n tp r i n c i p l e ，f u r t h e rp r o p o s eas y s t e m a t i cs t r u c t u r eo ft h ed e t e c t i n g e q u i p m e n t a sf o l l o w si st h ee x p l a n a t i o no fh o w a n dw h yw eh a v ec h o s e ni m p l e m e n t s f r o mt w or e s p e c t sw h i c ha r em e c h a n i c a lp a r ta n dm e a s u r e m e n t - c o n t r o lp a r t t h e n ，i t i st h ei n t r o d u c t i o no fs y s t e mr e a l i z a t i o nf r o mt w or e s p e c t s ：t h el o w e rc o m p u t e ro fd a t a i i i 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c q u i s i t i o nb a s e do np l c ，a n dt h eu p p e rc o m p u t e r o fd a t ap r o c e s sb a s e do n l a b v i e wm e t h o d w e ，n e x t ，p r o v i d es o m ec o m p e n s a t i o nm e t h o dt h r o u g ht h e a n a l y s i so fe r r o rs o u r c e s ，a n dp r o v i d ean e ww a y o ft h ej u d g m e n to fq u a l i f i e d c r i t e r i o n a tl a s t w eu s em s am e t h o dt ov e r i f ys o m ei m p o r t a n ti n d i c es u c h 硒 m i g r a t i o n ，r e p e a t a b i l i t y ，r e p r o d u c i b i l i t y ，s t a b i l i t y , l i n e a r i t ya n dr e s o l u t i o na n dm a k e t h ee q u i p m e n ti n t ou s e k e y w o r d s ：s t r a i g h t n e s sm e a s u r e m e n to fe l e v a t o rr a i l , v i ，m s a , f l e x i b i l i t y c o m p e n s a t i o n i v 浙江大学研究生学位论文独创性声明 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及取得的研究成果。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得逝婆盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。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谢意。 躲习b 门撕期：硎年6 月6 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解澎姿盘鲎有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝望盘鲎可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字日期如峥扩年6 导师签名： 签字日期：砰年石月多矿日签字日期：力力年6 月多日 、1日 、il， b 心 音月 浙江大学硕士学位论文致谢 致谢 值此论文定稿之际，首先衷心感谢导师余忠华教授近两年来在学习和生活中 给予我的谆谆教诲和悉心关怀，在论文选题、课题研究和论文撰写的整个过程中， 导师不但提供了很好的硬件环境，对论文的每步进展都倾注了大量的心血，论文 的字句都倾注了导师的大量心血。回忆两年多来的求学生活，导师严谨求实的治 学作风，扎实勤勉的工作态度、诲人不倦的高尚品德、敏捷的思维和广博的知识 都将对我影响终生，永远是我学习、做人的榜样。 日月如梭，时光荏苒：两年前初入实验室的情景还历历在目，而今论文初稿 得以完成，更加怀念逝去的时光，并铭记给予我帮助和支持的老师、同学和亲友。 感谢杭州这片土地的钟灵毓秀，感谢浙江大学这片青春而又博大的天地对我 的塑造和培育。感谢机制专业的各位老师，他们的思想、课程与鼓励给了我莫大 的帮助。 本文定稿，也标志着漫漫求学路告一段落。谁言寸草心，报得三春晖! 近二 十载的学子生涯中，父母和家人对我学业上的支持、精神上的鼓励和生活上的关 怀，永远是我的动力源泉和精神支柱! 我想对他们说声谢谢! 特别是我的父亲母 亲，没有他们的培养和关心就没有我的今天，对他们的感激无法用言语来表达， 唯有用我的一生去报答! 还有我求学阶段遇到的很多好老师j 感谢他们的教导和 引路之恩! 实验室王兆卫博士、侯智博士、周磊博士、周娟博士、金晶晶硕士、严思晗 硕士、郑乾硕士、戚长松硕士给了论文很好的建议和帮助，表示诚挚感谢，也祝 他们学业进步，同时感谢已经毕业的师兄殷建军博士等对我的学习和生活提供了 不少帮助。 再次感谢所有在求学过程中给予我指导和帮助的老师、同学和朋友们! 最后，谨向百忙中抽出宝贵时间评审本论文的各位专家、学者致敬! 谨致 2 0 0 8 年初夏于求是园 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 内容提要 本章首先概要性地阐述了电梯技术的发展历程及导轨直线度检测技术的发 展现状；综述了虚拟仪器技术；指出了研发高速电梯导轨直线度检测系统的必要 性，进而，提出本课题的研究意义、目标及主要内容。 1 1 概述 电梯进入人们的生活已经1 5 0 年了。1 8 5 4 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 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。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。目前，欧洲大部分电梯的运行速度为6 m s ， 美国和日本的许多电梯为8 m s ，已经有少数企业研制开发出超过l o n d s 的超高 速电梯【2 1 。电梯，特别是高速电梯的发展，使得对电梯最重要配件之一的导轨在 质量上的标准要求也更高。 我国电梯导轨生产经过多年的发展，已经具有相当规模，年产量约2 0 万吨， 其中出i = l 约5 万吨，正处于高速发展阶段。目前，国内电梯导轨生产企业有一定 规模的约有1 3 家，其中杭州市就有“三杭”、“申菱”和“中豪”等三家。然而，我 国电梯导轨制造业面临的最大挑战是质量不够稳定，其生产企业规模相对较小， 自动化程度较低，质量控制能力薄弱，产品精度低，人为因素影响大，加工过程 中的质量损失和浪费现象比较严重。 随着电梯市场的发展，高速、高质量电梯已成为市场的热点，对高精度电梯 导轨的需求越来越大，这给电梯导轨制造企业带来了契机，但内资企业由于上述 原因在高精度电梯导轨市场上尚无力涉足，均依赖进口 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 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 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。 1 2 直线度检测技术现状 直线度与尺寸精度、圆度和粗糙度并称为影响产品质量的四大要素【3 1 。目前 国内外在圆度、平行度以及表面粗糙度等计量领域已达到纳米级测量精度水平， 然而直线度的测量精度，特别是在大长度范围内的直线度测量领域，其水平更是 远远落后于其他计量项目。 纵观目前世界上经常采用的直线度测量方法，高精度测量和普通精度测量一 般以o 5 u m m 的为分界线，高于0 1 l a m m 的则为国际先进水平【4 】。国际上只有 美国n i s t ，德国p t b ，原苏联国家标准局美国劳仑斯国家实验室，日本大学， 美国火箭和空间公司等达到了0 1 , u m m 或更高的精度水平【5 1 。我国目前仍采用长 平晶组分段互检方法作为直线度检定基准【6 】，加工现场的测量更加落后，测量精 度不高( 特别是在测量大尺寸零件是尤为明显) 。这种状况严重制约着我国精密计 量测试领域的发展步伐。 对于机床导轨直线度的测量，常采用的检测方法有以下几种方法【7 1 ： 1 ) 用指示表和平尺检验。如图1 1 ，此法即可检验导轨或部件移动在垂直面 内的直线度，又可检验在水平面内直线度。用节距测量法，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。机床大 小的不同，也就需要大 图1 1 指示表和平尺检验 小不同规格的平尺，1 0 0 3 0 0 m m 的标准的平尺使用起来没有什么障碍，而l 3 米的平尺重达几百公斤，需要用吊车搬运，使用极不方便。而且其许用的测量长 度也一般不大于1 6 0 0 m m 。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 2 ) 用水平仪检验。如图1 2 ，这种方法适用于检验导轨或部件运动在垂直面 内的直线度用水平仪检验导轨直线度时，同样采用节距测量法。从导轨一端起 移动专用检具，依次在每一节距上测取读数，直至在导轨全长上测量完毕。这种 方法具有以下优点：测量长度不限，测量误差相对示表和平尺检验法小，且操作 方便。但是，它却不能测量水平面内的直线度。 图1 2 水平仪检验 3 ) 用钢丝、读数显微镜 检验。如图1 - 3 ，对于水平安 置的导轨或水平移动的部 件，由于钢丝在两支承点之 间不可避免地产生中间下 挠，而在垂直平面内的投影 l 导轨 是一条自然下挠曲线，因此 只适用于检验在水平面内的 直线度。 幺专用检更& 藿敦显锸铸t 螺丝毫可调支架6 重謦 图1 3 钢丝、读书显徽镜检验 4 ) 激光准直测量法。如图1 4 ，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 ( q 立置敏感器件) 。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。这种方法特征是以激 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。而且光 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 源强度变化会使光电探测器输出的模拟信号发生变化而造成测量误差同时，由 于测量过程中光斑呈圆形，中心不易找准，所以对准精度不高。 5 ) 激光干涉仪测 量法。如图1 5 ，其工作 原理为：在运动工作台上 安装渥拉斯顿棱镜2 ，双 频激光器4 产生的石，z 两束偏振激光经过w 棱 镜时，因折射率不同， 出射激光被分成互为夹 角秒的两束光石a a ， 石馘。由精确研制的 角度反射镜3 反射后沿 原路返回。在w 棱镜处 图1 4 激光准直检验 1 全反静冀乞蠢拉骺顿棱镶& 鸯发爱射镌t 敏额激光干涉仅 图1 5 激光干涉仪检验 重新汇合为新的光束，经全反射镜1 、检偏镜后由光电检测器检测。在正常情况 下即w 棱镜或角度反射镜随工作台沿光轴x 方向纵向移动无横向运动误差时， 两束激光的多普勒频差相等，即劬2 鲵，所以无示值出现，否则，有示值出现。 这样，利用双频激光干涉法可以测量直线运动误差。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 度误差的光学件，从而使得整套系统价格不菲。一套带直线度测量部件的激光干 涉仪要5 万美元以上，再加上整套系统在检测中光路调整不方便，这使得它很难 被普及。另外，角度反射镜运动中的倾斜也会影响测量精度。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 1 3 虚拟仪器 美国国家仪器公司n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t s ) 提出的虚拟测量仪器( v i ) 概 念，引发了传统仪器领域的一场重大变革，使得计算机和网络技术得以长驱直入 仪器领域，和仪器技术结合起来，从而开创了“软件即是仪器的先河【8 1 。 “软件即是仪器”这是n i 公司提出的虚拟仪器理念的核心思想。从这一思想 出发，基于电脑或工作站、软件和i o 部件来构建虚拟仪器。i o 部件可以是 独立仪器、模块化仪器、数据采集板( d a q ) 或传感器。n i 所拥有的虚拟仪器 产品包括软件产品( 如l a b v i e w ) 、g p i b 产品、数据采集产品、信号处理产品、 图像采集产品、d s p 产品和v x i 控制产品等。 虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各 种测试、测量和自动化的应用。自1 9 8 6 年问世以来，世界各国的工程师和科学 家们都已将n il a b v i e w 图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改 善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率。使 用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共 享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率。虚拟仪器提供的各种工具能满 足我们任何项目需要。同其他技术相比，虚拟仪器技术具有四大优势网： 1 ) 性能高 虚拟仪器技术是在p c 技术的基础上发展起来的，所以完全”继承”了以现成 即用的p c 技术为主导的最新商业技术的优点，包括功能超卓的处理器和文件 i o ，使您在数据高速导入磁盘的同时就能实时地进行复杂的分析。此外，不断 发展的因特网和越来越快的计算机网络使得虚拟仪器技术展现其更强大的优势。 2 ) 扩展性强 n i 的软硬件工具使得我们不再受限于当前的技术中。这得益于n i 软件的灵 活性，只需更新计算机或测量硬件，就能以最少的硬件投资和极少的、甚至无需 软件上的升级即可改进整个系统。在利用最新科技的时候，我们可以把它们集成 到现有的测量设备，最终以较少的成本加速产品上市的时间。 3 1 开发时间少 在驱动和应用两个层面上，n i 高效的软件构架能与计算机仪器仪表和通 讯方面的最新技术结合在一起。n i 设计这一软件构架的初衷就是为了方便用户 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 的操作，同时还提供了灵活性和强大的功能，使我们轻松地配置、创建、发布、 维护和修改高性能、低成本的测量和控制解决方案。 4 ) 无缝集成 虚拟仪器技术从本质上说是一个集成的软硬件概念。随着产品在功能上不断 地趋于复杂，工程师们通常需要集成多个测量设备来满足完整的测试需求，而连 接和集成这些不同设备总是要耗费大量的时间。n i 的虚拟仪器软件平台为所有 的i o 设备提供了标准的接口，帮助我们轻松地将多个测量设备集成到单个系统， 减少了任务的复杂性。 1 4 本文的研究意义和内容 1 4 1 研究意义 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。 直线度得测量是几何量计量这一领域里面最基本，同时也是最为重要的项 目。它是平面度、平行度、同轴度等等几何量测量的基础，同时其本身也是关乎 零件自身加工质量的最重要的因素之一。 任何成型的机械产品都是按照一定技术要求进行加工、装配而成的。因此， 零件的加工精度和机械装配精度影响着产品的质量。对于一个配件生产企业来 说，零件的加工精度是他们尤为关心的问题。 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、目测等手动静态测量方法。至今，还仍缺乏完整的专用 于电梯直线度检测的设备，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，因此本文的研究对提高对电梯导轨的质量检测具有很强的现实意义。 1 4 2 研究内容 本文根据与某电梯导轨配件企业合作的课题，根据对测量具体指标的要求展 开分析与研究，提出一种面向直线度误差检测系统的构建方案。本文的研究目标 是通过检测系统的构建、s t e p 7 、l a b v i e w 软件应用和a n s y s 的力学分析的结 6 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 合、并通过对导轨直线度误差的分析和优化补偿来建立一套可行的高速电梯导轨 直线度检测系统，为在车间环境进行实践应用做有价值的尝试。 论文研究的主要内容如下： 1 ) 介绍电梯导轨误差产生的原因综述，以及其中最为重要的直线度误差检 测技术的相关研究。 2 ) 通过对检测指标的分析，设计满足指标的导轨直线度检测系统的整体方 案设计和结构分析。 3 ) 根据整体结构模型，分层次地叙述基于p l c 的数据采集与控制模块和基 于l a b v i e w 虚拟仪器技术的误差评定及处理模块的实现。 4 ) 分析影响导轨直线度检测系统准确性的一些因素，并提出了其中重要影 响因素的具体分析和补偿办法。 5 ) 设计并完成导轨直线度检测系统的原型，并对系统的构成模块与运行实 现加以说明。 论文的章节安排如图1 6 所示： 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 士 第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 第- - - 章基于p l c 的数据采集与控制模块设 计 1 r 第四章基于l a b v i e w 的误差评定与处理 模块设计 士 、r 第五章导轨直线度检测系统的误差分析及补偿 士 第六章导轨直线度检测系统的实现与应用 士 第七章总结与展望 1 5 本章小结 图1 6 章节安排 本章通过对导轨直线度检测的现状、常用的测试方法的分析，阐述在车间环 境下，高速电梯导轨直线度检测设备研发的意义，同时对所涉及到的技术方法和 所要研究的内容进行展望和分析，并在最后介绍了论文的章节构成。 浙江大学硕士学位论文第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 内容提要 本章介绍了电梯导轨误差的形式，针对系统直线度的检测要求，分析并选定 系统的检测方案、直线度误差的评价方法、合格评价原则，并提出了本检测系统 的整体方案分析设计和器件的选用原则。 2 1 引言 随着科技社会的发展，如今电梯已经不再是单纯的楼宇代步工具，人们在对 电梯的使用中对其安全性和舒适性都提出了更高的要求1 1 】。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、以及轿厢内设的情 况等。而其中轿厢的振动又是最主要的影响现象【1 2 ”】。 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。 一般来看，轿厢的振动又分为铅垂振动和水平振动。其产生的原因又各有不 同。曳引系统不良是引起轿厢铅垂振动的主要原因【1 4 】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、曳引机底座与承重梁固 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。 导向系统是引起轿厢水平振动的主要原因。导轨直线度误差、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。 。 相比较而言，轿厢的水平振动对电梯的稳定性的影响更为明显，而其中导轨 直线度误差又是水平振动最主要的原因。为了保障电梯乘乘坐舒适，减小振动对 人的影响，有必要对电梯的振动源，特别是直线度误差情况进行检测、分析，以 便在生产环节就将这种不安全隐患及时纠正消除。这也正是本套测试系统研发的 意义所在。 9 浙江大学硕士学位论文 第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 所谓直线度误差，是指直线上各点跳动或偏离此直线的程度，是表示零件最 重要的几何属性之一【1 5 】，与尺寸精度、圆度和粗糙度并称为影响产品质量的四 大要素，如图2 1 所示。a 为基准点和测量点之间的最短距离；b 为测量点与基 准面之间的最大距离；a 为导轨的最短检验长度，至少等于1 m 。 2 2 直线度检测方案 争羞童嚣 ， l 。令即听。 囊 l l 争辘 图2 1 直线度误差示意 导轨直线度检测的基本思想是沿导轨某表面的工件母线采集一组数据，并根 据导轨直线度误差评定标准来进行误差值评定，以确定该表面的直线度误差值。 而其中最重要的问题就是基准的确定。 目前对于基准选用主要有两个原则：一种是选择基准导轨作为测量基准，另 一种是通过误差分离技术来消除基准误差。 2 2 1 误差分离法 自上世纪8 0 年代起，随着精密加工和纳米加工技术的发展，对直线误差检 测的精度要求越来越高，误差分离技术( e s t - e r r o rs e p a r a t i o nt e c h n i q u e s ) 也随之 有了很大的发展【16 1 。这里介绍时域两点法来说明误差分离法的工作原理。 浙江大学硕士学位论文 第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 图2 2 时域两点法检测原理 如图2 2 所示，x y 坐标系中的曲线表示工件外圆母线轮廓，x - s 坐标系中 的曲线表示传感器沿机床导轨的运动轨迹。两个传感器并列装在测量车上，其间 距为l 。测量车每移动一个传感器间距l 就测量一组数据，得到4 ，忍两个测量 值。如果测量车中心& 为x s 坐标系原点，传感器a 对应的工件母线上一点r o 为 x y 坐标系的原点。在氐传感器读数分别为4 ，鼠；移动l 后，读数分别为4 ，墨 则 巧= 岛一4 0 ，s = 鼠一4( 2 1 ) 同理有： 五= y i + ( 且一4 ) ，蔓= s + ( 且一a 2 )( 2 - 2 ) 于是可以得到工件母线和导轨上间隔为l 的所有采样点的计算值 f = k 一。+ 【最一。一4 一。】 【最= s k 一1 + 【嘎一。一4 】 ( 2 3 ) 其中k 1 。得到这些采样坐标值后可以利用各种直线度评定方法来计算工 件母线直线度误差。 检测直线误差的误差分离方法还包括频域三点法、时域三点法、混合两点法、 乱序四点法掣1 7 】，其基本原理相似，这里不再赘述。 2 2 2 基准导轨法 基准导轨法是建立在基准精确条件下的直接测量方法。基准导轨法测量每一 个面只需要安装一只传感器，直接读出传感器读数值进行直线度评定，这种方法 1 1 浙江大学硕士学位论文第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 对基准导轨的要求比较高，一般来说，对于长导轨检测需要基准导轨的直线度值 , 1 在4 0 , u r n m 以下，以免累积误差过大而影响测量直线度的精度。 2 2 3 本系统检测方案的选定 接下来对两种方法进行分析比较，并选择适合本系统的测试方案。 1 ) 精度考虑 e s t 方法理论能达到的精度比较高，但实际测量时，由于测量系统的安装、 调整等影响，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、 随机误差等，从而影响精度；基准导轨法理论上存在一定误差，其方法的精度取 决于导轨本身的精度情况，如果选用高精度导轨可以将精度控制在比较理想的范 围，从而不影响误差值。 2 ) 安装实用性 从上一点知，e s t 方法需要进行初始调零以及传感器对齐，通常对安装要求 比较高；基准导轨法测试方法对安装精度要求比较低。 3 ) 经济性 e s t 方法测量导轨两个面最少需要4 只传感器，如采用频域三点法则要需要 6 只传感器；基准导轨法需要购置精度高的基准导轨。 综上考虑，结合本系统项目的需要，在满足预算的情况下，使用精度够高的 基准导轨可以满足检测的精度要求。最后选定采用基准导轨法进行直线度测量。 2 3 直线度误差评价方法 由上面分析可知，计算直线度误差值需要对传感器采样值进行评价计算。一 般来说，评价直线度的最主要方法有两端点连线法、最小二乘法、最小区域法等 【1 8 ，1 9 2 0 j 2 3 1 两端点连线法 两端点连线法就是把采样点首尾两点的连线作为评价直线度误差的基线，先 求出各采样点偏差值到首尾两点连线的距离鹿，然后求得被测对象的直线度误 差值厂，如图2 3 所示。其主要步骤如下： 由被测首尾两点确定出被测的基线方程 1 2 浙江大学硕士学位论文第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 由 y = a x + b ( 2 - 4 ) 触：( 咒一a x , 一b ) l 后i ( 2 5 ) 求出各采样点到基线的距离， 找出采样点与基线距离的最大值 j ， 和最小值k 当测量数据分布在评定基线两 侧，此时= k + i k i ； 当测量数据分布在评定基线上 侧( 各点值大于评价基线) ， f = ，k ； 图2 3 两端点连线法 当测量数据分布在评定基线下侧( 各点值小于评价基线) ，= 。 2 3 2 最小二乘法 最小二乘法的原理是利用各采样点偏差值的最小二乘直线为评定基线，求得 距离评定基线的两侧最远点至该基线的纵坐标距离忍。及红m j n ，然后求的平面内 的直线度误差值，如图2 4 所示理想拟合直线y = a x + b ( 口、b 分别为直线的 斜率和直线在轴上的截距) ，其中各点只( 誓，咒) 距离拟合直线的距离为 红只一a x , - b ( 2 - 6 ) 由最小二乘原理，得到目标函数 f ( a ，6 ) = 一一6 ) 2 ( 2 - 7 ) 根据极值原理_ a f ：0 ，娑：o 时目标函数值最小。代入得最小二乘直线参数： o a 0 8 毒 浙江大学硕士学位论文第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 n一一 只一薯z y , a= ，三!生! ，三! 薯2 一( ) 2_ 一 i 、一 i7 i = ll 之l # 儿一咒 b = 旦掣l 卫f lnn z x , 2 一( 薯) 2 从而得最小二乘直线： 咒- z x , 咒 y = a x + b = 堕f 寺 z x , 2 一( 誓) 2 ( 2 8 ) z x , 2 z y , 一x , y t x + 上l 上生生上_ 上一 ( 2 9 ) 薯2 一( 薯) 2 i f f i lt = l t f f i l t = l 再求各个测点到最小二乘直线的近似距离( 即平行于y 轴的距离) ；找出两 侧最远点至该基线的纵坐标距离 的最大值红一和最小值忽曲，直 ， 线度误差为= 噍一+ 限血i 。 2 3 3 最小区域法 所谓最小区域法就是找出包 容被测线的许多对两两平行的直 线中距离最小的一对包容线，这对包容线之间的距离即为原被测线的直线度误 兰 z 二o 1 ) 求最小二乘直线 图2 5 最小区域法 1 4 伯) 羹r 囊吨 浙江大学硕士学位论文第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 根据各测得点偏差值 i ，y i ) 计算实际误差线的最小二乘直线夕= 斛6 ，其中 y i 为各测得点相对于x 轴线的偏差值，i = l ，2 ，刀，栉为测得点数。 2 ) 确定高点和低点 以最小二乘直线为基线，将各测点为分高点和低点，在基线上及在其上方的 点定为高点，以p i 表示( f = l ，2 ，m l ，m 1 为高点数目) ；在基线下方的点定 为低点，以k 表示( fi 开赡l ；1 ，2 ，朋2 ，聊2 为低点数目) 。 3 ) 构造包容线 三l 和2 首先任选两高 点b 和尸i 作直线 l i ( u ) ，其中i j ，且 i 、j m l ，如果l l ( i j ) 上方无测得点，则确 定其为一条上包容 线，并过与l l ( t j ) 相 最远的一个测得点， 作与l ) 平行的线三 z ) 作为相应的一条 下包容线。这样，每 次任选两个高点确 分区搏廖 毫点数为m 。羲赢囊情妇 i 1 。p 复扣1 聃l 承过饶、岛的童娩l l 公多 、。所有赢， 计算直线度 二 赞泉 亲过d h 岛钓童镜k 过g k 乎行l 哇翦蛊筑 h 时 瓷r 图2 6 最小区域法中包容线的构造流程 定所有符合上述条件的上、下包容线，并计算出它们各自的包容线之间的距离 h i ( u ) ，如图2 5 ( a ) 同样方法，任选两低点k 和巧作直线l 2 ( t j ) 其中i j ，且i 、j 、二蓍 图2 8 菱形包络区域 浙江大学硕士学位论文第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 在实际检测过程中前者容易出现将异常判为正常的第一类错误，即“弃真” 错误，如图2 9 所示，以直线度误差值来判定此导轨为不合格，但是在实际生产 检测中，除非有特殊高精度的要求，这种情况的导轨是可以继续投入使用的。 距离 图2 9 “弃真”错误 如果将检测标准放宽，如有些企业要求直线度误差不超过2 m m 即可判为合 格，此种情况容易出现将正常判为异常的第二类错误，即“存伪”错误。诸多此 类导轨会产生所谓过大的“s ”弯而导致不可使用，如图2 1 0 所示。 一 、二7 矗 图2 1 0 “存伪”错误 后者同样容易出现“弃真”错误。依照检测的统计，很多直线度误差值不到 0 5 m m 的导轨在检测过程中被判为不合格，其原因就是起测点附近的曲线略微超 过了菱形区域，这种情况的导轨是可以继续投入使用的。 根据统计，在误判为合格品中约有6 0 因为s 弯问题；在误判为不合格品 中7 5 因为其测点附近超标。 因为在我国企业通常来说导轨的检测都是在导轨上只取数个标识点，测量精 度比较低，因此合格评价标准也比较粗糙。在本系统中对整个导轨等长采集1 0 0 个样本点，由于采样点的增多，合格评价标准也应该适当的进行优化。在这里提 浙江大学硕士学位论文 第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 出一个综合两种判别标准的判别方法，即相当于菱形包络区域和一个矩形包络区 域的并集作为新的包络区域，如图2 11 所示，只要测点曲线落在此并集区域内 即可以判别为合格。这种判别方法的好处有两点： 二；_ 一 ：二夕矗 图2 1 1 新包络区域 1 ) 使第一类错误最小化。因为在导轨直线度合格判别中，大多数的第一类 错误都发生在测点附近区域，因此将测点附近区域的评价标准适当放宽可以有效 地减小第一类错误的发生。 2 ) 使第二类错误的增幅最小化。在关键区域的评价标准适当放宽时，同时 将非关键区域的评价标准适当收紧。使之不出现通常减小第一类错误发生概率 时，第二类错误发生概率大为增加的情况。 2 5 系统检测要求 根据企业对检测系统的要求，系统技术设计功能和指标如下： 功能指标：按照导轨直线度检测标准规定的要求，实现导轨直线度误差的自 动检测与数据处理的相关功能； 显示要求：采用计算机显示屏显示检测参数和直线度误差曲线； 报警要求：当超过标准规定的公差值时，系统能给出报警信号指示； 检测效率和精度要求：检测效率达到每根导轨检测时1 晤7 4 , 于2 分钟，以小于 半分钟为佳；检测精度为0 0 5 毫米。 2 6 检测系统的总体方案 根据系统的检测要求，在使用基准导轨的检测方法基础上，设计了如图2 1 2 所示的高速电梯导轨直线度检测系统。 浙江大学硕士学位论文 第二章导轨直线度检测系统的总体方案研究 图2 1 2 高速电梯导轨直线度检测系统设计 待测导轨将被放置在检测台上，两个传感器( 分别测量导轨顶面和侧面) 放 置在测量小车上，p l c 控制电机，通过传送带驱动测量小车在基准导轨上行进， 并通过移动电缆将传感器信号发回至p l c ，同时p l c 与上位机p c 进行通讯， 将读数值交由上位机进行处理。 整个检测系统可以分为下位机的的数据采集与控制模块和基于和上位机的 误差评定与管理模块两部分，其具体的实现过程将在接下来的两章详细阐述。 同时，按系统的组成元素又可以大致分为机械部分和测控部分。示意图如图 2 1 3 所示： 图2 1 3 检测系统结构示意图 2 0 浙4 大学硕上学位论文 镕= i # 直线度幢目系绩的目体方案研究 2 6 1 机械部分总体设计 机械部分主要完成整个测量平台的搭建，其中主要部件包括导轨系统，测量 小车、传动部件、检测台等。 2 6 1 1 导轨量兢 在本系统的检测方案中选定了基准导轨法，这就对系统的导轨系统提出了比 较高的精度要求。一般说来，对于长导轨检测需要基准导轨的误差值5 0 , a m m 以 下，本系统所测量的高速电梯导轨一般分4 米和5 米两种，为了将基准导轨的累 积误差尽量控制在1 丝以内，最好选用4 0 , u r n 以下的基准导轨，而能控制在 2 0 , u r n 以下则为最佳。 本系统中选用了t h k h s r - 2 0 型p 级( 高精密) 导轨，此型导轨水平度可 以控制在单根2 0 m 以下的程度，精度比较高，非常适台作为测量小车的基准轨 道 2 6 l2 测量小车 利