2542 电梯导轨垂直度检测机器人设计
2542 电梯导轨垂直度检测机器人设计,电梯,导轨,垂直,检测,机器人,设计
摘要I摘 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。关键词:电梯导轨,垂直度,机器人,机构设计,控制系统ABSTRACTIIABSTRACTThe verticality of elevator guide is an important performance index for security and comfortin the elevator operation. And its measurement exists throughout installation and maintainment.The traditional test method is time-consuming and low efficiency.In order to realize the automation and intelligence for the test process of elevator guide, thispaper propose a new principle for verticality testing. This method overcomes the existingtechnical shortages. An inspection robot which can move along the elevator guide automaticlywas designed. This method improves the measuring precision and efficiency, and saves a lot ofmanpower and material resources.First, this paper introduces the national standards of verticality measurement for elevatorguide, and analysis the detection principle of the robot. Mechanical stress analysis wasproceeded. Absorbing mechanism with multiple magnetic wheels was designed. And magneticcircuit was optimized to ensure the operation security.The control system based on Freescale SCM was designed.When it reaches thepredetermined location or receives reversal signal, it will get back along the elevator guidequickly. This control system can achieve the following functions: acquisit and process data fromangle sensor and photoelectric encoder, and put the data to the upper computer though ABSTRACTIIIdigitaltransfers module. Besides, the hardware circuit of the control system and software program wasdesigned.KEY WORDS: elevator guide, verticality, robot, mechanical structure, control system目录III目 录摘 要 -IABSTRACT -II第一章 绪论 -11.1 概述 -11.2 电梯导轨垂直度检测研究现状分析 -21.2.1 传统吊线法 -21.2.2 激光垂准测量法 -41.2.3 测量仪随轿厢运行检测法 -51.2.4 测量仪独立运行检测法 -71.3 课题研究的主要内容 -8第二章 检测原理的分析 -102.1 引言 -102.2 电梯导轨垂直度误差国家标准 -102.3 导轨安装及垂直误差表现形式 -112.4 机器人检测原理分析 -142.4.1 检测要点分析 -142.4.2 检测原理分析 -162.4.3 检测精度的影响因素 -18第三章 检测机器人的机械结构设计 -193.1 引言 -193.2 机身材料选择 -203.3 机器人整体结构 -223.3.1 整体结构框图 -223.3.2 机器人受力分析计算 -233.3.3 驱动轮受力分析 -243.3.4 顶磁轮受力分析 -263.4 磁轮吸附方式设计 -273.4.1 永磁材料的选择 -283.4.2 软磁材料的选择 -303.4.3 磁轮磁路设计 -313.5 磁轮磁路的分析计算 -323.5.1 磁轮优化设计的可行性分析 -323.5.2 基于磁导法进行磁路的优化设计 -343.5.3 磁轮的封装 -383.6 传动系统的设计 -403.6.1 传动方式的选择 -413.6.2 电机的选择 -423.6.3 V 带的设计 -443.7 压紧机构的设计 -463.8 各零件的详细设计及计算 -47目录IV3.8.1 车架的设计 -473.8.2 轴的设计与校核 -483.8.3 轴承的校核 -523.8.4 键的选择计算及强度校核 -533.9 紧急制动机构设计 -53第四章 检测机器人控制系统的设计 -554.1 引言 -554.2 控制系统的组成 -554.3 核心控制器的选择 -574.4 控制系统的软件设计 -584.4.1 倾角信号采集系统软件设计 -584.4.2 步进电机驱动系统软件设计 -604.4.3 光电编码器的信号采集系统软件设计 -60第五章 总结与展望 -635.1 总结 -635.2 展望 -64参考文献 -V电梯导轨垂直度检测机器人设计1第一章 绪论1.1 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。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。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 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。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。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 2。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。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。一般情况下,电梯导轨在出厂时均经过了严格的质量检电梯导轨垂直度检测机器人设计2测,已将制造误差控制在比较理想的范围内。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 。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。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。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。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。1.2 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。1.2.1 传统吊线法电梯导轨垂直度检测机器人设计3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 0.6 左右的钢丝上端固定,下端一个重锤 3。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。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。电梯导轨垂直度检测机器人设计4图 1.1.1 垂线测量法 图 1.1.2 样板架及重锤线图 1.1 传统吊线法1.2.2 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。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 4。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、自动补偿系统、电源和电路系统以及专用卡具、调整手轮等机械部分组成,其核心技术是采用了一种液体光楔自动补偿技术,使其标称铅垂精度达到 10或 5。它与配套的数显光靶组成一个完整的电梯导轨测量系统,如图 1.2 所示。测量时,将垂准仪置于导轨顶部,发射一束指向地心的激光,将二维数显光靶固定在导轨上,调整光靶使其中心与激光光斑中心重合,同时将二维数显值清 0,然后取下光靶,沿导轨每隔一定距离安装光靶,再次将光靶中心与光斑中心对中,记录每次数显值,每次记录的 X、Y 值即为该测量位置处相对于起始处的导轨垂直偏差值。这种方法提供了为电梯导轨垂直度测量提供了一个很好的测量基准。但是,该测量方法仍然需要人工的全程参与,工作量大,而电梯导轨垂直度检测机器人设计5且离不开脚手架,限制了在电梯维护使用阶段的应用,而且由于人力限制测量点数量不会太多,这样即使只有几次的错误测量也将造成导轨曲线拟合结果的较大误差。图 1.2 JZC 激光垂准仪及其光靶1.2.3 测量仪随轿厢运行检测法天津大学提出了一种新型电梯导轨垂直度测量仪,用强磁铁使测量仪紧贴导轨,测量仪通过一个拉杆与轿厢相连,激光垂准仪固置于导轨底部,向下发出一铅直激光束。测量时,轿厢带动测量仪在导轨上运动,安转于测量仪的 CCD 相机接收激光光斑,通过计算机图像处理识别光斑中心位移,该位移变化即反映了导轨垂直误差,测量系统原理图如图 1.3 所示。这种方法实现简单,测量过程不需要人工干预,测量快速。但是经研究发现,上述电梯导轨测量仪存在一些缺陷:(1 )轿厢运行过程中的水平和垂直振动不可避免电梯导轨垂直度检测机器人设计6地传给测量仪,从而引起测量误差。 (2)在导轨安装阶段由于没有电梯轿厢,无法使用该测量仪进行导轨检测与矫正 28,29。澳大利亚 OTIS 工程中心也研制开发了一种类似以上方法的电梯导轨垂直度动态测量仪器 RSU5,如图 1.4 所示。该仪器结构紧凑,安装、操作方便,具有一定的实用性。但由于它采用了直线度测量中的对称支撑两点连线基准测量法,所以不可避免的存在以下不足:(1)仪器的零位误差会对测量结果带来系统误差(L 为测量长度) ;(2)测量的随机误差将被累计。由于此测量方式和测量原理等方面的不足,仍存在着测量精度不高、测量效率低等缺陷。而且此测量方法只是针对某类导轨安装误差的专项测量,不具有通用性。电梯导轨垂直度检测机器人设计7图 1.3 测量系统原理图 30图 1.4 RSU 动态测量仪电梯导轨垂直度检测机器人设计81.2.4 测量仪独立运行检测法上海交通大学赵群飞教授等研制一种能够沿电梯导轨自主垂直运行的新型机器人系统,使其能够携带测量仪器,完成电梯导轨垂直度的在线自动测量,检测原理图如图 1.5 所示。其特点是将激光垂准仪安装在电梯导轨一端,光学检测设备 CCD 摄像模块安装在所设计的能沿导轨自动上下运行的机器人上,实现对激光光斑位置的实时采集处理 6。此方法能避免由轿厢带动检测设备上下移动而引起的振动干扰;也适应在电梯安装初始,没有安装轿厢时的检测。同时也存在检测器件与激光发生器的分离,没有使所有检测设备完全集成在一个机器人上实现自动检测,仍然需要人工到导轨的一端对激光垂准仪安装矫直,如果楼层很高,同样费时费力,所以不能称作完全的自动化。电梯导轨垂直度检测机器人设计9图 1.5 检测原理图 311.3 课题研究的主要内容基于原来电梯导轨垂直度检测方法没有完全实现自动化检测,为了克服现有技术的不足,本论文以一种全新的检测原理为基础,设计了一套能够沿电梯导轨自动上下运行,从而实现对导轨垂直度数据进行自动检测、实时处理的自动检测机器人,将导轨垂直度误差值以直观的曲线图的形式呈现在检测人员面前。本论文的主要研究内容如下:(1)分析了导轨检测机器人新颖的检测原理。以直角三角形边长与夹角之间的计算关系为理论基础,进行了系统检测原理分析;为了保证检测的准确性,分析了对关键环节的精度要求。(2)设计了机器人整体机械结构。根据不同型号的导轨宽度不一样,设计了一种能够适应不同宽度导轨的可调机器人;分析了机器人整体受力情况,设计了吸附磁轮的结构并进行了磁吸附力的计算;进行了适于单片机控制的驱动系统和传动系统的设计。(3)控制系统设计。对控制系统的硬件进行合理选型;进行硬件电路的设计与搭建,逐一对各个环节进行描述;结合检测原理,规划了整个系统的控制流程。电梯导轨垂直度检测机器人设计10第二章 检测原理的分析2.1 引言电梯设备检测属于国家特种设备检验范畴,GBJ310-88电梯安装工程质量检验评定标准中对电梯系统的各项参数要求有明确的规定。电梯导轨垂直度是保证电梯正常运行的一项重要性能指标,它直接影响着电梯乘坐的舒适性、运行的可靠性和导轨的寿命。由于电梯系统现场情况的复杂不定,电梯导轨可能会出现多种倾斜方式,需要对各种倾斜方式进行归纳总结,对普遍存在的倾斜现象进行分析检测。论文中应首先介绍电梯导轨的倾斜方式,并结果国标所规定的导轨垂直度误差范围来展开课题的研究工作。围绕所规定的导轨垂直度误差标准,分析检测原理的实用性和可行性。2.2 电梯导轨垂直度误差国家标准电梯导轨的安装质量特别是导轨的垂直度误差是影响电梯运行质量的重要因素,对电梯导轨的垂直度进行检测是保证电梯安装质量的重要环节。GBJ310-88电梯安装工程质量检验评定标准中对电梯导轨垂直度的要求为每 5m 允许偏差 0.7mm,检验方法为“吊线、尺量检测” 7。国家质量监督检疫总局 2002 年 1 月 9 日颁布的 GB50310-2002电梯工程施工质量验收规范对电梯导轨规定如下:(1)每列导轨工作面 (包括侧面与顶面)每 5m 铅垂线测量值间的相对最大偏差均不应大于下列数值:轿厢导轨和设有安全钳的对重(平衡重) 导轨为 1.2mm;不设安全钳的 T 型导轨为 2.0mm。电梯导轨垂直度检测机器人设计11(2)在有安装基准线时,每列导轨应相对基准线整列检测,取最大偏差值。电梯安装完成后检测导轨时,可对每 5m 铅垂线分段连续检测(至少测 3 次) ,取测量之间的相对最大偏差应不大于上述规定值的 2 倍。(3)轿厢导轨和设有安全钳的对重 (平衡重)导轨工作面接头处不应有连续缝隙,导轨接头处台阶不应大于 0.05mm。如超过应修平,修平长度应大于 150mm。不设安全钳的对重 (平衡重) 导轨接头处缝隙不应大于 1.0mm,导轨工作面接头处台阶不应大于 0.15mm。(4)两列导轨顶面间的距离偏差应为 :轿厢导轨 20+mm;对重导轨 30+mm。(5)导轨支架在井道壁上的安装应固定可靠。预埋件应符合土建布置图要求。锚栓( 如膨胀螺栓等) 固定应在井道壁的混凝土构件上使用,其连接强度与承受振动的能力应满足电梯产品设计要求,混凝土构件的压缩强度应符合土建布置图要求。以上第一条所用的检测方法为:对每 5m 的导轨铅垂线分段连续检测,每面不少于 3 段。这种“吊线,尺量检测”导轨垂直度的方法在电梯行业沿用了数十年,其优点是测量工具简单,测量数据直观;缺点是测量精度因测量者操作水平和视差不同而因人而异,不易实现测量数据的自动采集,工作效率低。2.3 导轨安装及垂直误差表现形式导轨对电梯的升降运动起导向作用,保证轿厢与对重在井道中的相互位置。导轨的种类很多,但目前在电梯上广泛使用的是已经电梯导轨垂直度检测机器人设计12很标准化的 T 型导轨 8,如图 2.1 所示。T 型导轨主要规格参数是工作面厚度 k、工作面宽度 h、底宽 B、全高 H。图 2.1.1 实物图 图 2.1.2 截面图图 2.1 T 型电梯导轨单根导轨长度一般为 3-5m,电梯安装时按建筑物高度将若干导轨垂直拼接。T 型轧制导轨接头处的两端面通常分别加工成凹凸形状的榫槽,凹凸榫槽互相对接好,背后再附设一根长约 250mm 左右,厚度在 10mm 以上,宽度与导轨相适应,经过铣削加工的连接板。两根导轨分别用螺栓与连接板紧固,从而把两根导轨紧固成一体。如图 2.2 所示。导轨需要按要求固定在电梯井道内的墙壁上,通常采用导轨架固定。每根导轨上至少应设置两个导轨架,各导轨架之间的间隔一般不大于 2.5m。对 T 型导轨,通常采用压板固定式。如图 2.3 所示。电梯导轨垂直度检测机器人设计13图 2.2 导轨连接图 2.3 T 型导轨的固定导轨垂直误差有多种表现形式,源于不同外力作用或安装误差。本文归纳了如下几种典型的垂直误差形式,如图 2.4 所示。图 2.4(a)为单根导轨的弯曲变形,主要发生在导轨侧工作面,通常是导轨纵向受力引起,或则由于导轨架发生侧向位移或安装误差引电梯导轨垂直度检测机器人设计14起。图 2.4(b)为相邻导轨在连接处的失调,发生在导轨侧工作面,这种情况可能由于导轨连接板、导轨压板的螺丝松动引起,或则是由于一开始就没有调整好导轨架造成的。图 2-4(c)为导轨接头处的台阶,安装时的误差或则梯井壁变形均可能造成这种误差。电梯安装验收规范中对导轨安装精度作了要求,要求导轨每 5m 的变形误差不超过 0.6mm,100m 导轨的全长内的垂直误差不超过 10mm,导轨连接处台阶不超过 0.05mm。图 2.4 导轨垂直误差形式2.4 机器人检测原理分析该设计的出发点是设计一款能沿电梯导轨自动上下运行的检测机器人。摒弃了传统检测方法中,检测标准与检测器件之间的分离。下面将对检测原理进行详细分析。2.4.1 检测要点分析本文所设计的电梯导轨垂直度检测机器人克服了现有技术的不足,提供一种测量数据可通过传感器拾取、输出,由微机对测量数电梯导轨垂直度检测机器人设计15据自动采集、分析、输出的检测方法。该方法的技术要点如下:(1)在被检测电梯导轨的 “侧工作面”和“顶工作面”上确定若干个检测点。检测点将 N 米长的导轨分成若干段,对每一段进行检测;(2)逐一测量出各检测点在导轨长度方向的位置坐标以及相邻两检测点之间的距离;(3)逐一测量出各检测点相邻两点之间的连线和铅垂线的夹角;(4)用检测得到的“ 各检测点在导轨长度方向的位置坐标” 、“各检测点相邻两点之间的连线和铅垂线的夹角”以及“相邻两检测点之间的距离”等数据,经数学计算、分析、整理,得到被检测电梯导轨的垂直度误差数据及垂直度曲线图。根据技术要点要求,此检测设备的仪器框架应主要包括:(1)两个能靠在电梯导轨工作面的检测头。结构中选择磁轮作为机身与导轨的接触元件,强磁性能保证与导轨紧密接触,磁轮与导轨面的接触点即为检测点。(2)为了测量各检测点在导轨上的距离,机构中选择了步进电机作为驱动装置,通过步距角的积累,能够同时检测位移量。步进电机带动的驱动轮有可能出现打滑现象,为了保证了位移检测的准确性,在从动轴上安装了光电编码器。检测位移时,首选光电编码器的输出值为检测标准值。(3)为了相邻检测点与铅垂线的夹角,我们选择了高精度倾角电梯导轨垂直度检测机器人设计16传感器。德国 NS-15/P2Inclinometer,检测精度为 0.01,将其安装在机身上,倾角传感器输出数据反应机身倾斜度。(4)驱动装置。综合考虑之后,选择步进电机作为驱动装置,它具有成本低、易于单片机控制等优点。(5)微机系统。用于处理、分析位移数据和倾角数据,同时,为驱动装置提供控制信号。2.4.2 检测原理分析以图 2.5 为例,分析该仪器的检测原理,检测过程如下:(1) 后轮位于第 1 检测点,前轮位于第 2 检测点,第 1 检测点与第 2 检测点间的距离即前轮与后轮之间的固定距离 L,两检测点之间的连线与铅垂线的夹角由倾角传感器检测为 。知两检测点之间的距离 L 和检测点连线与铅垂线间的夹角 ,由直角三角形公式(2.1 )sinXL其中, 21X得出,两检测点间的相对偏移量 ,即为两点间的垂直度相对误差值。电梯导轨垂直度检测机器人设计17图 2.5 检测原理图(2)检测设备沿导轨运行,由光电编码器检测位移值,当检测的位移值等于两轮间的距离 L 时,后轮位于第 2 检测点,前轮位于第 3 检测点。由此时的 “两检测点间距”和 “检测点连线与铅垂线的夹角”计算得第 3 检测点相对于第 2 检测点的垂直度误差值。以后的第 4、第 5等检测点依此类推,得出新检测点相对上一检测点的垂直度误差值。(3)令总检测点数为 n,由公式总(2.2 )(1)zL可得,所检测电梯导轨的总长度 ,由式Z(2.3 )1nnnXL电梯导轨垂直度检测机器人设计18可得,第 n 检测点相对 n-1 检测点的垂直度误差值。(4)最后以曲线图形式直观的表示出电梯导轨垂直度误差值。用 C+语言编译信息处理软件,以导轨长为纵坐标,将各检测点的位置逐一标出;以垂直度误差值为横坐标,将各检测点相对前一点的相对误差数据逐一标出,得到被检测电梯导轨垂直度误差曲线图,从而得到被检测电梯导轨各检测点相对基准垂线的误差值。2.4.3 检测精度的影响因素分析此检测原理,对检测机器人既需要进行机构设计,也需要进行控制系统的设计。其中机构设计中对各环节的精度把握至关重要,将直接影响检测结果的正确性。机器人在运行过程中难免会出现振动现象,导轨面存在大量的油污,并且井道环境恶劣,控制系统要具有良好的抗干扰性能,并且具有检测数据的稳定性。要得到准确的检测数据,机构设计是基础,所以下一章将由机构设计开始介绍机器人的整个设计过程。电梯导轨垂直度检测机器人设计19第三章 检测机器人的机械结构设计3.1 引言按照原理分析,电梯导轨垂直度检测机器人属于爬壁机器人的一种,必须具备对电梯导轨的吸附运行功能,以至于不会打滑或坠落。电梯导轨几乎垂直的立在井道之间,导轨与机器人之间的接触面很小,同时沾有大量油污,以致非常光滑。由以上特点看,导轨表面又不同于其他爬壁面。本章将根据电梯导轨的特点,设计一种能保证正常运行的磁轮吸附机构,合理分配磁轮间的布局和分析受力;并对驱动和传动系统进行设计和计算;分析并设计适合不同导轨宽度的张紧轮机构,同时也需要考虑机器人的拆装方便等问题。导轨检测机器人要在阴暗潮湿的电梯井道里上下运行,同时要携带所需的传感器、检测装置和控制系统。在保证检测精度的基础上,为了适应不同的导轨规格和井道环境,使其能沿导轨自动的运行和检测,本设计的机器人应满足以下几点关键技术指标:(1)机器人全重小于 4 公斤。由于所购买的各种传感器和控制系统元器件的重量和尺寸规格都是固定的,不可能减小。所以选择合适的车身材料和设计紧凑的机构,对车身整体重量的减轻非常重要。车身的所有材料选择了 LY11 型号的硬铝。(2)尺寸规格。为了保证检测精度,同时要求机器人能沿导轨安全的自动运行,同时在运行的过程中不与导轨架发生干涉,对机器人的外形尺寸基本要求是:机器人底座与导轨底面根部的距离20mm;导轨两侧相对应的两导向轮之间的最小距离=15mm,最大电梯导轨垂直度检测机器人设计20距离=30mm;机身宽度200mm;机身高度 50mm;机身长度580mm。(3)可调的导向机构。机器人适应导轨工作面宽度范围是 15-30mm,主要针对的导轨宽度是 20mm。(4)选择合理的驱动和传动方案。要求机器人基本运行速度是5m /min,要求驱动装置轻便,传动力矩大,适合单片机控制;传动装置简单,振动小。(5)吸附机构确定。检测机器人在垂直导轨上运行,要具有能克服自身颠覆的磁吸附力,同时磁轮吸附提供的对导轨表面的摩擦力要能承受其自身重量。要求具有合理的磁轮受力分析,和磁轮结构设计。(6)根据任务书中规定的要求,要求机器人能够检测出每 5米 0.6mm 以上的垂直度误差(导轨与安装基准)以及 100m 范围内的 10mm 的垂直误差。3.2 机身材料选择检测机器人在运行过程中,将沿垂直导轨上下运行,而整个设备的重量将直接影响运行的可行性。机器人的整体重量主要由两方面构成:机身材料的选择;各种检测器件的重量(传感器、驱动电机、车载电池等) 。为了保重车身尽量轻,需要严格选择车身材料,根据此机器人的检测功能和检测环境的要求,对车身材料有以下几点基本要求:(1)机身材料尽量轻。由于所设计的车身长、宽、高要分别大电梯导轨垂直度检测机器人设计21于 580mm、200mm、50mm,所以材料密度的大小将直接影响整机重量的等级。(2)要求具有足够的硬度。检测系统对机构加工制造精度要求很高,为了保证检测的准确性,机身材料要有足够的硬度,防止由于机身变形而带入系统误差的出现。(3)抗腐蚀性能好。由于井道环境阴暗、潮湿,长时间运行的导轨表面沾有大量的油污和灰尘,要求机身材料具有良好的抗腐蚀性能。(4)具有良好的隔磁性。由于选择具有强磁性的磁轮作为机器人的运行装置,而且整个机身机构比较紧凑,如果机身材料隔磁性能差,将会导致整体磁化,不但影响机构的正常运行,还会给控制系统带来严重的磁干扰。(5)价格便宜。目前市场上常用金属材料的分类及主要性能参数如表 3.1 所示。表 3.1 金属材料参数表密度(kg/m)硬度(HBS)抗腐蚀性 磁导率 价格45 号钢 7.8 55 一般 不隔磁 一般铝及铝合金2.7 20-35 好 隔磁 较高电梯导轨垂直度检测机器人设计22铜及铜合金8.9 27 一般 隔磁 较高由表 3.1 分析可知,课题研究中选择铝合金材料相对比较合适。由于检测精度要求比较高,要求机身材料为具有一定的硬度和强度的硬铝。硬铝合金主要分为以下三类:(1)低强度硬铝(铆钉硬铝) 。如 LY1、LY3、LY10 等,Mg、Cu 含量较低,强度较低,但有很高的塑性,实效速度慢。(2)中强度硬铝(标准硬铝) 。如 LY11,可淬火(过饱和固溶)时效,强度较高。(3)高强度硬铝。如 LY12。由以上数据分析,此研究中选择了 LY11 标准硬铝。其力学性能为:抗拉强度 b(MPa)370;条件屈服强度 0.2(MPa)215;伸长率 5(%)12。3.3 机器人整体结构3.3.1 整体结构框图电梯导轨垂直度检测机器人设计23图 3.1.1 截面图 图 3.1.2 主视图图 3.1 检测机器人结构简图图 3.2 检测机器人三维图根据整个检测设备原理分析和功能需求,所设计的电梯导轨垂直度检测机器人机构简图如图 3.1 所示。垂直度检测机器人的主要组成部分包括:前后顶磁轮、前后导向轮,倾角传感器,位移传感器,驱动装置和控制系统。前后顶磁轮作为检测导轨顶面垂直度的直接接触点。前后导磁轮作为检测导轨侧面垂直度的直接接触点,由于导轨侧面有足够的宽度,所以选择侧导向轮作为驱动轮,通过传动机构与驱动装置相连。为了适应不同的导轨宽度,同时也便于机器人的安装和拆卸,设计了可调宽度的压紧机构,采用了弹簧连接方式。此机器人结构中必须保证各个轴承安装孔的同轴度,以便保证磁轮能够与导轨面紧密接触,同时顶磁轮轴和侧导向轴之间的垂直度必须在要求的范围内。3.3.2 机器人受力分析计算电梯导轨垂直度检测机器人设计24机器人能沿垂直导轨上下运动,驱动力来自于驱动电机对驱动轮的功率输出。使机器人能在导轨上保持静止不动。根据导轨形状,顶磁轮宽度应小于 16mm,而侧磁轮宽度可大于 20mm。由于磁轮与导轨间的接触面积越大,磁吸附力越大。机器人主要由 6 个磁轮的吸附力作用才能保证与导轨紧密接触而不至于下滑,而为了使机器人能够沿导轨向上运动,6 个磁轮中要包含有驱动轮。导轨面上可能存在油污,所以应选择吸附力最大的磁轮作为驱动轮。为了加工和安装的方便,每个磁轮设计的圆周直径相同。根据导轨形状,顶磁轮宽度应小于 16mm,而侧磁轮宽度可20mm。由于磁轮与导轨间的接触面积越大,磁吸附力越大,所以顶磁轮不适合作为驱动轮。所以选定侧导向轮作为驱动轮。3.3.3 驱动轮受力分析所选驱动电机本身具有制动性,所以驱动轮与导轨面之间存在的是静摩擦力,顶磁轮、侧压紧轮与导轨面之间是滚动摩擦力。机器人能够保证静止在竖直导轨上不下滑,主要是驱动轮提供的静摩擦力足够大。与静摩擦力相比,滚动摩擦力可以忽略不计,所以如图 3.2 所示对驱动轮进行受力分析。电梯导轨垂直度检测机器人设计25图 3.2.1 前导向轮 图3.2.1 后驱动轮图 3.2 驱动轮受力分析在制动性能良好的情况下,为了保证机器人静止时不下滑,要求总摩擦力 机器人自重 G。而总摩擦力等于前后轮摩擦力之和,sF即:(3.1)12sFf其中 f1 表示前轮与导轨面之间的摩擦力;f2 表示后轮与导轨面之间的摩擦力。由于所设计的机器人重心偏离导轨面的距离较小,在计算磁轮吸附力大小时,令 。导轨对机器人磁轮的支持力 NF 等于磁1ff轮的吸附力 F1 , F2。由摩擦力计算公式(3.2)NfF(3.3)112S其中 表示钢-钢材料之间的摩擦系数;f 表示磁轮所受导轨面的静摩擦力;FN表示导轨面对磁轮的支持力。为了保证机器人静止在导轨上不下滑,磁轮的吸附力应该满足下列公式:(3.4)SFG(3.5)12电梯导轨垂直度检测机器人设计26(3.6)2FGm因为导轨和磁轮外壳都是钢材料,由机械设计手册查的,钢-钢材料之间的摩擦系数为 0.15-0.20。经估算,机器人总重 m 20(N)。所以磁轮吸附力 。1210fFN3.3.4 顶磁轮受力分析由于导向轮是成对的关系,不会发生机器人向导轨某一侧偏离的情况,而机器人在导轨顶面方向上的受力只由顶磁轮的吸附力提供。为了防止机器人沿导轨顶面方向发生颠覆现象,显然顶磁轮吸附力有一个最小值存在,如图 3.3 所示对顶磁轮进行受力分析。电梯导轨垂直度检测机器人设计27图 3.3 顶磁轮受力分析图中各个符号的含义如下:Fs表示总摩擦力,即前轮和后轮摩擦力之和;F1、F 2分别表示前磁轮吸附力、后磁轮吸附力;N1、N 2分别表示导轨对前磁轮和后磁轮的支持力;G 表示机器人整体重力;L 为两磁轮的中心距;l 为机器人重心到导轨面的垂直距离。机器人静止制动时,A,B 点力矩平衡条件为:(3.9)220AMNLGlF(3.10)11B根据以上方程解得:(3.11)1lNFL电梯导轨垂直度检测机器人设计28(3.12)2GlNFL由以上计算结果可得: F 1Gl/L 是防止发生颠覆的最小条件。理想情况下,重心到导轨面的距离为零,即 l=0。此时即使顶磁轮吸附力为零也不会发生颠覆。但是这只是临界状态的考虑,由于中心位于导轨面上的概率很小,所以顶磁轮也采用 Ndfeb 材质的磁轮来增强总的吸附力。3.4 磁轮吸附方式设计保证检测机器人与导轨紧密贴合的关键器件就是 6 个磁性轮,尽管每个轮的安装位置和在机器人运行中的作用各有不同,但它们的整体吸附力大小将直接决定机器人是否能够保持与导轨紧密接触,从而使其不发生下滑、颠覆等现象。为了提高机器人运行的可靠性和安全性,同时为了使磁轮的体积和重量尽量小,选择合适的磁性轮材料,并对磁轮结构进行合理设计是必要的。磁轮应包括永磁材料、软磁材料、隔磁材料 9。永磁材料为整个结构提供磁源,软磁材料可以起到引导磁通的作用,而隔磁材料能够防止磁漏现象,所以此节将对这三部分进行详细选择和分析。3.4.1 永磁材料的选择根据课题对检测机器人的性能要求和检测环境的实际情况,为保障机器人能够沿导轨安全的上下运行,对磁轮永磁材料的选择有以下几点基本要求:(1)良好的磁场稳定性。由于机器人在检测过程中处于运行状态,导轨表面的油污杂质以及步进电机的运行,都可能引起机器人电梯导轨垂直度检测机器人设计29本体的振动和冲击,而且梯井内环境恶劣,温度、大气压力等也是变化的。为了保证磁轮能实时提供足够的吸附力,磁轮磁场的稳定性至关重要。(2)具有较高的矫顽力和最大磁能积,使得单位体积的永磁体产生尽可能大的磁能。(3)机械性能良好。由于磁轮接触的是具有相当硬度和刚度的导轨,而且 6 个磁轮要靠吸附力来支撑 4 公斤重的车身,这就要求其具有一定强度、韧性。(4)性价比高。一般来说,价格昂贵的磁轮吸附力强,所以课题要求在满足性能要求的前提下,磁轮成本尽量低,而且要易于加工。永磁材料种类甚多,按照惯例和永磁材料的成分和工艺,目前应用的永磁材料有四大类 10:(1)Al-Ni-Co 合金类永磁材料;(2)铁氧体永磁材料;(3)稀土永磁材料;(4)其他永磁材料,如 e-Cr-Co,Fe-Co-V,Fe-Pt,和 Mn-Al-C 永磁材料等。摘要I摘 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。关键词:电梯导轨,垂直度,机器人,机构设计,控制系统ABSTRACTIIABSTRACTThe verticality of elevator guide is an important performance index for security and comfortin the elevator operation. And its measurement exists throughout installation and maintainment.The traditional test method is time-consuming and low efficiency.In order to realize the automation and intelligence for the test process of elevator guide, thispaper propose a new principle for verticality testing. This method overcomes the existingtechnical shortages. An inspection robot which can move along the elevator guide automaticlywas designed. This method improves the measuring precision and efficiency, and saves a lot ofmanpower and material resources.First, this paper introduces the national standards of verticality measurement for elevatorguide, and analysis the detection principle of the robot. Mechanical stress analysis wasproceeded. Absorbing mechanism with multiple magnetic wheels was designed. And magneticcircuit was optimized to ensure the operation security.The control system based on Freescale SCM was designed.When it reaches thepredetermined location or receives reversal signal, it will get back along the elevator guidequickly. This control system can achieve the following functions: acquisit and process data fromangle sensor and photoelectric encoder, and put the data to the upper computer though ABSTRACTIIIdigitaltransfers module. Besides, the hardware circuit of the control system and software program wasdesigned.KEY WORDS: elevator guide, verticality, robot, mechanical structure, control system目录III目 录摘 要 -IABSTRACT -II第一章 绪论 -11.1 概述 -11.2 电梯导轨垂直度检测研究现状分析 -21.2.1 传统吊线法 -21.2.2 激光垂准测量法 -41.2.3 测量仪随轿厢运行检测法 -51.2.4 测量仪独立运行检测法 -71.3 课题研究的主要内容 -8第二章 检测原理的分析 -102.1 引言 -102.2 电梯导轨垂直度误差国家标准 -102.3 导轨安装及垂直误差表现形式 -112.4 机器人检测原理分析 -142.4.1 检测要点分析 -142.4.2 检测原理分析 -162.4.3 检测精度的影响因素 -18第三章 检测机器人的机械结构设计 -193.1 引言 -193.2 机身材料选择 -203.3 机器人整体结构 -223.3.1 整体结构框图 -223.3.2 机器人受力分析计算 -233.3.3 驱动轮受力分析 -243.3.4 顶磁轮受力分析 -263.4 磁轮吸附方式设计 -273.4.1 永磁材料的选择 -283.4.2 软磁材料的选择 -303.4.3 磁轮磁路设计 -313.5 磁轮磁路的分析计算 -323.5.1 磁轮优化设计的可行性分析 -323.5.2 基于磁导法进行磁路的优化设计 -343.5.3 磁轮的封装 -383.6 传动系统的设计 -403.6.1 传动方式的选择 -413.6.2 电机的选择 -423.6.3 V 带的设计 -443.7 压紧机构的设计 -463.8 各零件的详细设计及计算 -47目录IV3.8.1 车架的设计 -473.8.2 轴的设计与校核 -483.8.3 轴承的校核 -523.8.4 键的选择计算及强度校核 -533.9 紧急制动机构设计 -53第四章 检测机器人控制系统的设计 -554.1 引言 -554.2 控制系统的组成 -554.3 核心控制器的选择 -574.4 控制系统的软件设计 -584.4.1 倾角信号采集系统软件设计 -584.4.2 步进电机驱动系统软件设计 -604.4.3 光电编码器的信号采集系统软件设计 -60第五章 总结与展望 -635.1 总结 -635.2 展望 -64参考文献 -V电梯导轨垂直度检测机器人设计1第一章 绪论1.1 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。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。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 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。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。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 2。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。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。一般情况下,电梯导轨在出厂时均经过了严格的质量检电梯导轨垂直度检测机器人设计2测,已将制造误差控制在比较理想的范围内。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 。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。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。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。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。1.2 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。1.2.1 传统吊线法电梯导轨垂直度检测机器人设计3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 0.6 左右的钢丝上端固定,下端一个重锤 3。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。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。电梯导轨垂直度检测机器人设计4图 1.1.1 垂线测量法 图 1.1.2 样板架及重锤线图 1.1 传统吊线法1.2.2 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。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 4。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、自动补偿系统、电源和电路系统以及专用卡具、调整手轮等机械部分组成,其核心技术是采用了一种液体光楔自动补偿技术,使其标称铅垂精度达到 10或 5。它与配套的数显光靶组成一个完整的电梯导轨测量系统,如图 1.2 所示。测量时,将垂准仪置于导轨顶部,发射一束指向地心的激光,将二维数显光靶固定在导轨上,调整光靶使其中心与激光光斑中心重合,同时将二维数显值清 0,然后取下光靶,沿导轨每隔一定距离安装光靶,再次将光靶中心与光斑中心对中,记录每次数显值,每次记录的 X、Y 值即为该测量位置处相对于起始处的导轨垂直偏差值。这种方法提供了为电梯导轨垂直度测量提供了一个很好的测量基准。但是,该测量方法仍然需要人工的全程参与,工作量大,而电梯导轨垂直度检测机器人设计5且离不开脚手架,限制了在电梯维护使用阶段的应用,而且由于人力限制测量点数量不会太多,这样即使只有几次的错误测量也将造成导轨曲线拟合结果的较大误差。图 1.2 JZC 激光垂准仪及其光靶1.2.3 测量仪随轿厢运行检测法天津大学提出了一种新型电梯导轨垂直度测量仪,用强磁铁使测量仪紧贴导轨,测量仪通过一个拉杆与轿厢相连,激光垂准仪固置于导轨底部,向下发出一铅直激光束。测量时,轿厢带动测量仪在导轨上运动,安转于测量仪的 CCD 相机接收激光光斑,通过计算机图像处理识别光斑中心位移,该位移变化即反映了导轨垂直误差,测量系统原理图如图 1.3 所示。这种方法实现简单,测量过程不需要人工干预,测量快速。但是经研究发现,上述电梯导轨测量仪存在一些缺陷:(1 )轿厢运行过程中的水平和垂直振动不可避免电梯导轨垂直度检测机器人设计6地传给测量仪,从而引起测量误差。 (2)在导轨安装阶段由于没有电梯轿厢,无法使用该测量仪进行导轨检测与矫正 28,29。澳大利亚 OTIS 工程中心也研制开发了一种类似以上方法的电梯导轨垂直度动态测量仪器 RSU5,如图 1.4 所示。该仪器结构紧凑,安装、操作方便,具有一定的实用性。但由于它采用了直线度测量中的对称支撑两点连线基准测量法,所以不可避免的存在以下不足:(1)仪器的零位误差会对测量结果带来系统误差(L 为测量长度) ;(2)测量的随机误差将被累计。由于此测量方式和测量原理等方面的不足,仍存在着测量精度不高、测量效率低等缺陷。而且此测量方法只是针对某类导轨安装误差的专项测量,不具有通用性。电梯导轨垂直度检测机器人设计7图 1.3 测量系统原理图 30图 1.4 RSU 动态测量仪电梯导轨垂直度检测机器人设计81.2.4 测量仪独立运行检测法上海交通大学赵群飞教授等研制一种能够沿电梯导轨自主垂直运行的新型机器人系统,使其能够携带测量仪器,完成电梯导轨垂直度的在线自动测量,检测原理图如图 1.5 所示。其特点是将激光垂准仪安装在电梯导轨一端,光学检测设备 CCD 摄像模块安装在所设计的能沿导轨自动上下运行的机器人上,实现对激光光斑位置的实时采集处理 6。此方法能避免由轿厢带动检测设备上下移动而引起的振动干扰;也适应在电梯安装初始,没有安装轿厢时的检测。同时也存在检测器件与激光发生器的分离,没有使所有检测设备完全集成在一个机器人上实现自动检测,仍然需要人工到导轨的一端对激光垂准仪安装矫直,如果楼层很高,同样费时费力,所以不能称作完全的自动化。电梯导轨垂直度检测机器人设计9图 1.5 检测原理图 311.3 课题研究的主要内容基于原来电梯导轨垂直度检测方法没有完全实现自动化检测,为了克服现有技术的不足,本论文以一种全新的检测原理为基础,设计了一套能够沿电梯导轨自动上下运行,从而实现对导轨垂直度数据进行自动检测、实时处理的自动检测机器人,将导轨垂直度误差值以直观的曲线图的形式呈现在检测人员面前。本论文的主要研究内容如下:(1)分析了导轨检测机器人新颖的检测原理。以直角三角形边长与夹角之间的计算关系为理论基础,进行了系统检测原理分析;为了保证检测的准确性,分析了对关键环节的精度要求。(2)设计了机器人整体机械结构。根据不同型号的导轨宽度不一样,设计了一种能够适应不同宽度导轨的可调机器人;分析了机器人整体受力情况,设计了吸附磁轮的结构并进行了磁吸附力的计算;进行了适于单片机控制的驱动系统和传动系统的设计。(3)控制系统设计。对控制系统的硬件进行合理选型;进行硬件电路的设计与搭建,逐一对各个环节进行描述;结合检测原理,规划了整个系统的控制流程。电梯导轨垂直度检测机器人设计10第二章 检测原理的分析2.1 引言电梯设备检测属于国家特种设备检验范畴,GBJ310-88电梯安装工程质量检验评定标准中对电梯系统的各项参数要求有明确的规定。电梯导轨垂直度是保证电梯正常运行的一项重要性能指标,它直接影响着电梯乘坐的舒适性、运行的可靠性和导轨的寿命。由于电梯系统现场情况的复杂不定,电梯导轨可能会出现多种倾斜方式,需要对各种倾斜方式进行归纳总结,对普遍存在的倾斜现象进行分析检测。论文中应首先介绍电梯导轨的倾斜方式,并结果国标所规定的导轨垂直度误差范围来展开课题的研究工作。围绕所规定的导轨垂直度误差标准,分析检测原理的实用性和可行性。2.2 电梯导轨垂直度误差国家标准电梯导轨的安装质量特别是导轨的垂直度误差是影响电梯运行质量的重要因素,对电梯导轨的垂直度进行检测是保证电梯安装质量的重要环节。GBJ310-88电梯安装工程质量检验评定标准中对电梯导轨垂直度的要求为每 5m 允许偏差 0.7mm,检验方法为“吊线、尺量检测” 7。国家质量监督检疫总局 2002 年 1 月 9 日颁布的 GB50310-2002电梯工程施工质量验收规范对电梯导轨规定如下:(1)每列导轨工作面 (包括侧面与顶面)每 5m 铅垂线测量值间的相对最大偏差均不应大于下列数值:轿厢导轨和设有安全钳的对重(平衡重) 导轨为 1.2mm;不设安全钳的 T 型导轨为 2.0mm。电梯导轨垂直度检测机器人设计11(2)在有安装基准线时,每列导轨应相对基准线整列检测,取最大偏差值。电梯安装完成后检测导轨时,可对每 5m 铅垂线分段连续检测(至少测 3 次) ,取测量之间的相对最大偏差应不大于上述规定值的 2 倍。(3)轿厢导轨和设有安全钳的对重 (平衡重)导轨工作面接头处不应有连续缝隙,导轨接头处台阶不应大于 0.05mm。如超过应修平,修平长度应大于 150mm。不设安全钳的对重 (平衡重) 导轨接头处缝隙不应大于 1.0mm,导轨工作面接头处台阶不应大于 0.15mm。(4)两列导轨顶面间的距离偏差应为 :轿厢导轨 20+mm;对重导轨 30+mm。(5)导轨支架在井道壁上的安装应固定可靠。预埋件应符合土建布置图要求。锚栓( 如膨胀螺栓等) 固定应在井道壁的混凝土构件上使用,其连接强度与承受振动的能力应满足电梯产品设计要求,混凝土构件的压缩强度应符合土建布置图要求。以上第一条所用的检测方法为:对每 5m 的导轨铅垂线分段连续检测,每面不少于 3 段。这种“吊线,尺量检测”导轨垂直度的方法在电梯行业沿用了数十年,其优点是测量工具简单,测量数据直观;缺点是测量精度因测量者操作水平和视差不同而因人而异,不易实现测量数据的自动采集,工作效率低。2.3 导轨安装及垂直误差表现形式导轨对电梯的升降运动起导向作用,保证轿厢与对重在井道中的相互位置。导轨的种类很多,但目前在电梯上广泛使用的是已经电梯导轨垂直度检测机器人设计12很标准化的 T 型导轨 8,如图 2.1 所示。T 型导轨主要规格参数是工作面厚度 k、工作面宽度 h、底宽 B、全高 H。图 2.1.1 实物图 图 2.1.2 截面图图 2.1 T 型电梯导轨单根导轨长度一般为 3-5m,电梯安装时按建筑物高度将若干导轨垂直拼接。T 型轧制导轨接头处的两端面通常分别加工成凹凸形状的榫槽,凹凸榫槽互相对接好,背后再附设一根长约 250mm 左右,厚度在 10mm 以上,宽度与导轨相适应,经过铣削加工的连接板。两根导轨分别用螺栓与连接板紧固,从而把两根导轨紧固成一体。如图 2.2 所示。导轨需要按要求固定在电梯井道内的墙壁上,通常采用导轨架固定。每根导轨上至少应设置两个导轨架,各导轨架之间的间隔一般不大于 2.5m。对 T 型导轨,通常采用压板固定式。如图 2.3 所示。电梯导轨垂直度检测机器人设计13图 2.2 导轨连接图 2.3 T 型导轨的固定导轨垂直误差有多种表现形式,源于不同外力作用或安装误差。本文归纳了如下几种典型的垂直误差形式,如图 2.4 所示。图 2.4(a)为单根导轨的弯曲变形,主要发生在导轨侧工作面,通常是导轨纵向受力引起,或则由于导轨架发生侧向位移或安装误差引电梯导轨垂直度检测机器人设计14起。图 2.4(b)为相邻导轨在连接处的失调,发生在导轨侧工作面,这种情况可能由于导轨连接板、导轨压板的螺丝松动引起,或则是由于一开始就没有调整好导轨架造成的。图 2-4(c)为导轨接头处的台阶,安装时的误差或则梯井壁变形均可能造成这种误差。电梯安装验收规范中对导轨安装精度作了要求,要求导轨每 5m 的变形误差不超过 0.6mm,100m 导轨的全长内的垂直误差不超过 10mm,导轨连接处台阶不超过 0.05mm。图 2.4 导轨垂直误差形式2.4 机器人检测原理分析该设计的出发点是设计一款能沿电梯导轨自动上下运行的检测机器人。摒弃了传统检测方法中,检测标准与检测器件之间的分离。下面将对检测原理进行详细分析。2.4.1 检测要点分析本文所设计的电梯导轨垂直度检测机器人克服了现有技术的不足,提供一种测量数据可通过传感器拾取、输出,由微机对测量数电梯导轨垂直度检测机器人设计15据自动采集、分析、输出的检测方法。该方法的技术要点如下:(1)在被检测电梯导轨的 “侧工作面”和“顶工作面”上确定若干个检测点。检测点将 N 米长的导轨分成若干段,对每一段进行检测;(2)逐一测量出各检测点在导轨长度方向的位置坐标以及相邻两检测点之间的距离;(3)逐一测量出各检测点相邻两点之间的连线和铅垂线的夹角;(4)用检测得到的“ 各检测点在导轨长度方向的位置坐标” 、“各检测点相邻两点之间的连线和铅垂线的夹角”以及“相邻两检测点之间的距离”等数据,经数学计算、分析、整理,得到被检测电梯导轨的垂直度误差数据及垂直度曲线图。根据技术要点要求,此检测设备的仪器框架应主要包括:(1)两个能靠在电梯导轨工作面的检测头。结构中选择磁轮作为机身与导轨的接触元件,强磁性能保证与导轨紧密接触,磁轮与导轨面的接触点即为检测点。(2)为了测量各检测点在导轨上的距离,机构中选择了步进电机作为驱动装置,通过步距角的积累,能够同时检测位移量。步进电机带动的驱动轮有可能出现打滑现象,为了保证了位移检测的准确性,在从动轴上安装了光电编码器。检测位移时,首选光电编码器的输出值为检测标准值。(3)为了相邻检测点与铅垂线的夹角,我们选择了高精度倾角电梯导轨垂直度检测机器人设计16传感器。德国 NS-15/P2Inclinometer,检测精度为 0.01,将其安装在机身上,倾角传感器输出数据反应机身倾斜度。(4)驱动装置。综合考虑之后,选择步进电机作为驱动装置,它具有成本低、易于单片机控制等优点。(5)微机系统。用于处理、分析位移数据和倾角数据,同时,为驱动装置提供控制信号。2.4.2 检测原理分析以图 2.5 为例,分析该仪器的检测原理,检测过程如下:(1) 后轮位于第 1 检测点,前轮位于第 2 检测点,第 1 检测点与第 2 检测点间的距离即前轮与后轮之间的固定距离 L,两检测点之间的连线与铅垂线的夹角由倾角传感器检测为 。知两检测点之间的距离 L 和检测点连线与铅垂线间的夹角 ,由直角三角形公式(2.1 )sinXL其中, 21X得出,两检测点间的相对偏移量 ,即为两点间的垂直度相对误差值。电梯导轨垂直度检测机器人设计17图 2.5 检测原理图(2)检测设备沿导轨运行,由光电编码器检测位移值,当检测的位移值等于两轮间的距离 L 时,后轮位于第 2 检测点,前轮位于第 3 检测点。由此时的 “两检测点间距”和 “检测点连线与铅垂线的夹角”计算得第 3 检测点相对于第 2 检测点的垂直度误差值。以后的第 4、第 5等检测点依此类推,得出新检测点相对上一检测点的垂直度误差值。(3)令总检测点数为 n,由公式总(2.2 )(1)zL可得,所检测电梯导轨的总长度 ,由式Z(2.3 )1nnnXL电梯导轨垂直度检测机器人设计18可得,第 n 检测点相对 n-1 检测点的垂直度误差值。(4)最后以曲线图形式直观的表示出电梯导轨垂直度误差值。用 C+语言编译信息处理软件,以导轨长为纵坐标,将各检测点的位置逐一标出;以垂直度误差值为横坐标,将各检测点相对前一点的相对误差数据逐一标出,得到被检测电梯导轨垂直度误差曲线图,从而得到被检测电梯导轨各检测点相对基准垂线的误差值。2.4.3 检测精度的影响因素分析此检测原理,对检测机器人既需要进行机构设计,也需要进行控制系统的设计。其中机构设计中对各环节的精度把握至关重要,将直接影响检测结果的正确性。机器人在运行过程中难免会出现振动现象,导轨面存在大量的油污,并且井道环境恶劣,控制系统要具有良好的抗干扰性能,并且具有检测数据的稳定性。要得到准确的检测数据,机构设计是基础,所以下一章将由机构设计开始介绍机器人的整个设计过程。电梯导轨垂直度检测机器人设计19第三章 检测机器人的机械结构设计3.1 引言按照原理分析,电梯导轨垂直度检测机器人属于爬壁机器人的一种,必须具备对电梯导轨的吸附运行功能,以至于不会打滑或坠落。电梯导轨几乎垂直的立在井道之间,导轨与机器人之间的接触面很小,同时沾有大量油污,以致非常光滑。由以上特点看,导轨表面又不同于其他爬壁面。本章将根据电梯导轨的特点,设计一种能保证正常运行的磁轮吸附机构,合理分配磁轮间的布局和分析受力;并对驱动和传动系统进行设计和计算;分析并设计适合不同导轨宽度的张紧轮机构,同时也需要考虑机器人的拆装方便等问题。导轨检测机器人要在阴暗潮湿的电梯井道里上下运行,同时要携带所需的传感器、检测装置和控制系统。在保证检测精度的基础上,为了适应不同的导轨规格和井道环境,使其能沿导轨自动的运行和检测,本设计的机器人应满足以下几点关键技术指标:(1)机器人全重小于 4 公斤。由于所购买的各种传感器和控制系统元器件的重量和尺寸规格都是固定的,不可能减小。所以选择合适的车身材料和设计紧凑的机构,对车身整体重量的减轻非常重要。车身的所有材料选择了 LY11 型号的硬铝。(2)尺寸规格。为了保证检测精度,同时要求机器人能沿导轨安全的自动运行,同时在运行的过程中不与导轨架发生干涉,对机器人的外形尺寸基本要求是:机器人底座与导轨底面根部的距离20mm;导轨两侧相对应的两导向轮之间的最小距离=15mm,最大电梯导轨垂直度检测机器人设计20距离=30mm;机身宽度200mm;机身高度 50mm;机身长度580mm。(3)可调的导向机构。机器人适应导轨工作面宽度范围是 15-30mm,主要针对的导轨宽度是 20mm。(4)选择合理的驱动和传动方案。要求机器人基本运行速度是5m /min,要求驱动装置轻便,传动力矩大,适合单片机控制;传动装置简单,振动小。(5)吸附机构确定。检测机器人在垂直导轨上运行,要具有能克服自身颠覆的磁吸附力,同时磁轮吸附提供的对导轨表面的摩擦力要能承受其自身重量。要求具有合理的磁轮受力分析,和磁轮结构设计。(6)根据任务书中规定的要求,要求机器人能够检测出每 5米 0.6mm 以上的垂直度误差(导轨与安装基准)以及 100m 范围内的 10mm 的垂直误差。3.2 机身材料选择检测机器人在运行过程中,将沿垂直导轨上下运行,而整个设备的重量将直接影响运行的可行性。机器人的整体重量主要由两方面构成:机身材料的选择;各种检测器件的重量(传感器、驱动电机、车载电池等) 。为了保重车身尽量轻,需要严格选择车身材料,根据此机器人的检测功能和检测环境的要求,对车身材料有以下几点基本要求:(1)机身材料尽量轻。由于所设计的车身长、宽、高要分别大电梯导轨垂直度检测机器人设计21于 580mm、200mm、50mm,所以材料密度的大小将直接影响整机重量的等级。(2)要求具有足够的硬度。检测系统对机构加工制造精度要求很高,为了保证检测的准确性,机身材料要有足够的硬度,防止由于机身变形而带入系统误差的出现。(3)抗腐蚀性能好。由于井道环境阴暗、潮湿,长时间运行的导轨表面沾有大量的油污和灰尘,要求机身材料具有良好的抗腐蚀性能。(4)具有良好的隔磁性。由于选择具有强磁性的磁轮作为机器人的运行装置,而且整个机身机构比较紧凑,如果机身材料隔磁性能差,将会导致整体磁化,不但影响机构的正常运行,还会给控制系统带来严重的磁干扰。(5)价格便宜。目前市场上常用金属材料的分类及主要性能参数如表 3.1 所示。表 3.1 金属材料参数表密度(kg/m)硬度(HBS)抗腐蚀性 磁导率 价格45 号钢 7.8 55 一般 不隔磁 一般铝及铝合金2.7 20-35 好 隔磁 较高电梯导轨垂直度检测机器人设计22铜及铜合金8.9 27 一般 隔磁 较高由表 3.1 分析可知,课题研究中选择铝合金材料相对比较合适。由于检测精度要求比较高,要求机身材料为具有一定的硬度和强度的硬铝。硬铝合金主要分为以下三类:(1)低强度硬铝(铆钉硬铝) 。如 LY1、LY3、LY10 等,Mg、Cu 含量较低,强度较低,但有很高的塑性,实效速度慢。(2)中强度硬铝(标准硬铝) 。如 LY11,可淬火(过饱和固溶)时效,强度较高。(3)高强度硬铝。如 LY12。由以上数据分析,此研究中选择了 LY11 标准硬铝。其力学性能为:抗拉强度 b(MPa)370;条件屈服强度 0.2(MPa)215;伸长率 5(%)12。3.3 机器人整体结构3.3.1 整体结构框图电梯导轨垂直度检测机器人设计23图 3.1.1 截面图 图 3.1.2 主视图图 3.1 检测机器人结构简图图 3.2 检测机器人三维图根据整个检测设备原理分析和功能需求,所设计的电梯导轨垂直度检测机器人机构简图如图 3.1 所示。垂直度检测机器人的主要组成部分包括:前后顶磁轮、前后导向轮,倾角传感器,位移传感器,驱动装置和控制系统。前后顶磁轮作为检测导轨顶面垂直度的直接接触点。前后导磁轮作为检测导轨侧面垂直度的直接接触点,由于导轨侧面有足够的宽度,所以选择侧导向轮作为驱动轮,通过传动机构与驱动装置相连。为了适应不同的导轨宽度,同时也便于机器人的安装和拆卸,设计了可调宽度的压紧机构,采用了弹簧连接方式。此机器人结构中必须保证各个轴承安装孔的同轴度,以便保证磁轮能够与导轨面紧密接触,同时顶磁轮轴和侧导向轴之间的垂直度必须在要求的范围内。3.3.2 机器人受力分析计算电梯导轨垂直度检测机器人设计24机器人能沿垂直导轨上下运动,驱动力来自于驱动电机对驱动轮的功率输出。使机器人能在导轨上保持静止不动。根据导轨形状,顶磁轮宽度应小于 16mm,而侧磁轮宽度可大于 20mm。由于磁轮与导轨间的接触面积越大,磁吸附力越大。机器人主要由 6 个磁轮的吸附力作用才能保证与导轨紧密接触而不至于下滑,而为了使机器人能够沿导轨向上运动,6 个磁轮中要包含有驱动轮。导轨面上可能存在油污,所以应选择吸附力最大的磁轮作为驱动轮。为了加工和安装的方便,每个磁轮设计的圆周直径相同。根据导轨形状,顶磁轮宽度应小于 16mm,而侧磁轮宽度可20mm。由于磁轮与导轨间的接触面积越大,磁吸附力越大,所以顶磁轮不适合作为驱动轮。所以选定侧导向轮作为驱动轮。3.3.3 驱动轮受力分析所选驱动电机本身具有制动性,所以驱动轮与导轨面之间存在的是静摩擦力,顶磁轮、侧压紧轮与导轨面之间是滚动摩擦力。机器人能够保证静止在竖直导轨上不下滑,主要是驱动轮提供的静摩擦力足够大。与静摩擦力相比,滚动摩擦力可以忽略不计,所以如图 3.2 所示对驱动轮进行受力分析。电梯导轨垂直度检测机器人设计25图 3.2.1 前导向轮 图3.2.1 后驱动轮图 3.2 驱动轮受力分析在制动性能良好的情况下,为了保证机器人静止时不下滑,要求总摩擦力 机器人自重 G。而总摩擦力等于前后轮摩擦力之和,sF即:(3.1)12sFf其中 f1 表示前轮与导轨面之间的摩擦力;f2 表示后轮与导轨面之间的摩擦力。由于所设计的机器人重心偏离导轨面的距离较小,在计算磁轮吸附力大小时,令 。导轨对机器人磁轮的支持力 NF 等于磁1ff轮的吸附力 F1 , F2。由摩擦力计算公式(3.2)NfF(3.3)112S其中 表示钢-钢材料之间的摩擦系数;f 表示磁轮所受导轨面的静摩擦力;FN表示导轨面对磁轮的支持力。为了保证机器人静止在导轨上不下滑,磁轮的吸附力应该满足下列公式:(3.4)SFG(3.5)12电梯导轨垂直度检测机器人设计26(3.6)2FGm因为导轨和磁轮外壳都是钢材料,由机械设计手册查的,钢-钢材料之间的摩擦系数为 0.15-0.20。经估算,机器人总重 m 20(N)。所以磁轮吸附力 。1210fFN3.3.4 顶磁轮受力分析由于导向轮是成对的关系,不会发生机器人向导轨某一侧偏离的情况,而机器人在导轨顶面方向上的受力只由顶磁轮的吸附力提供。为了防止机器人沿导轨顶面方向发生颠覆现象,显然顶磁轮吸附力有一个最小值存在,如图 3.3 所示对顶磁轮进行受力分析。电梯导轨垂直度检测机器人设计27图 3.3 顶磁轮受力分析图中各个符号的含义如下:Fs表示总摩擦力,即前轮和后轮摩擦力之和;F1、F 2分别表示前磁轮吸附力、后磁轮吸附力;N1、N 2分别表示导轨对前磁轮和后磁轮的支持力;G 表示机器人整体重力;L 为两磁轮的中心距;l 为机器人重心到导轨面的垂直距离。机器人静止制动时,A,B 点力矩平衡条件为:(3.9)220AMNLGlF(3.10)11B根据以上方程解得:(3.11)1lNFL电梯导轨垂直度检测机器人设计28(3.12)2GlNFL由以上计算结果可得: F 1Gl/L 是防止发生颠覆的最小条件。理想情况下,重心到导轨面的距离为零,即 l=0。此时即使顶磁轮吸附力为零也不会发生颠覆。但是这只是临界状态的考虑,由于中心位于导轨面上的概率很小,所以顶磁轮也采用 Ndfeb 材质的磁轮来增强总的吸附力。3.4 磁轮吸附方式设计保证检测机器人与导轨紧密贴合的关键器件就是 6 个磁性轮,尽管每个轮的安装位置和在机器人运行中的作用各有不同,但它们的整体吸附力大小将直接决定机器人是否能够保持与导轨紧密接触,从而使其不发生下滑、颠覆等现象。为了提高机器人运行的可靠性和安全性,同时为了使磁轮的体积和重量尽量小,选择合适的磁性轮材料,并对磁轮结构进行合理设计是必要的。磁轮应包括永磁材料、软磁材料、隔磁材料 9。永磁材料为整个结构提供磁源,软磁材料可以起到引导磁通的作用,而隔磁材料能够防止磁漏现象,所以此节将对这三部分进行详细选择和分析。3.4.1 永磁材料的选择根据课题对检测机器人的性能要求和检测环境的实际情况,为保障机器人能够沿导轨安全的上下运行,对磁轮永磁材料的选择有以下几点基本要求:(1)良好的磁场稳定性。由于机器人在检测过程中处于运行状态,导轨表面的油污杂质以及步进电机的运行,都可能引起机器人电梯导轨垂直度检测机器人设计29本体的振动和冲击,而且梯井内环境恶劣,温度、大气压力等也是变化的。为了保证磁轮能实时提供足够的吸附力,磁轮磁场的稳定性至关重要。(2)具有较高的矫顽力和最大磁能积,使得单位体积的永磁体产生尽可能大的磁能。(3)机械性能良好。由于磁轮接触的是具有相当硬度和刚度的导轨,而且 6 个磁轮要靠吸附力来支撑 4 公斤重的车身,这就要求其具有一定强度、韧性。(4)性价比高。一般来说,价格昂贵的磁轮吸附力强,所以课题要求在满足性能要求的前提下,磁轮成本尽量低,而且要易于加工。永磁材料种类甚多,按照惯例和永磁材料的成分和工艺,目前应用的永磁材料有四大类 10:(1)Al-Ni-Co 合金类永磁材料;(2)铁氧体永磁材料;(3)稀土永磁材料;(4)其他永磁材料,如 e-Cr-Co,Fe-Co-V,Fe-Pt,和 Mn-Al-C 永磁材料等。
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