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摘要:曳引輪是電梯曳引系統的重要組成部件，因鋼絲繩張力不均、裝配誤差過大、異物嵌入、曳引輪材料性能欠缺等因素影響，曳引輪輪槽會發生磨損，使槽形尺寸發生改變，影響電梯安全運行。本文提出了一種基于激光視覺技術的電梯曳引輪輪槽三維尺寸檢測方法，開發了一款新的檢測裝置，并對其檢測原理、裝置結構、測試方法進行了詳細闡述。新檢測方法和裝置可對曳引輪不同部位缺陷狀況和特征尺寸進行直觀快速地全方位檢測，提高檢測精度和檢測效率。
關鍵詞:激光視覺技術;電梯;曳引輪;輪槽;檢測
0引言
曳引輪是電梯曳引系統重要組成部件，曳引機通過曳引輪輪槽與鋼絲繩間的摩擦力為電梯轎廂上下運動提供驅動力。電梯長期運行過程中，受鋼絲繩張力不均、裝配誤差過大、外來顆粒異物嵌入、曳引輪自身材料組織性能不一致等因素影響，曳引輪輪槽將發生磨損，使槽形尺寸發生改變，進而改變曳引電梯的曳引條件，導致電梯運行時產生噪聲和振動，嚴重時甚至發生溜梯、墩底等事故，威脅乘客人身安全。GB/T31821—2015[1]附錄M2.2.1對輪槽特征尺寸應滿足的范圍進行了要求，規定曳引輪輪槽下部切口角度值最大不應超過106°，且在任何情況下，半圓槽角度不應小于25°，V形槽角度不應小于35°。該標準第4.2.4條將“繩槽的不正常磨損”視為曳引輪報廢的技術條件之一。輪槽不均勻磨損屬于典型的不正常磨損。TSGT7001—2009[2]第2.8（3）條規定：曳引輪輪槽不得有嚴重磨損，如果輪槽的磨損可能影響曳引能力時，應當進行曳引能力驗證試驗。GB/T24478-2009[3]第4.2.3.1條規定：曳引輪節圓直徑與鋼絲繩直徑之比不應小于40，由于輪槽磨損后將導致節圓變小，該標準對輪槽磨損程度提出了間接要求。
1電梯曳引輪輪槽三維尺寸檢測方法
目前，常用的電梯曳引輪輪槽三維尺寸檢測方法主要有：目視法、角尺+塞尺法、橡皮泥或塑性膠法、規塞式工裝測量法、專用深度尺檢驗法、聲發射判斷法、激光位移非接觸檢測法、結構光非接觸檢測法。目視法主要依靠工作人員的經驗對輪槽磨損表面狀況進行檢查，目測輪槽表面是否光潔，輪槽磨損是否導致鋼絲繩接觸槽底，各根鋼絲繩在繩槽上的工作面高度差是否明顯異常，繩槽內的鋼絲繩最高點與曳引輪外圓面的間隙是否過大。角尺+塞尺法主要測量輪槽不均勻磨損，是將角尺一個直角邊靠緊曳引輪端面，另一直角邊沿曳引輪徑向方向抵住最高的鋼絲繩，并用塞尺測量其余鋼絲繩最高點與角尺間的間隙。橡皮泥或塑性膠法是將橡皮泥或塑性膠壓入曳引輪輪槽中，使其與輪槽面完全貼合，壓緊成型后取出，通過成型的模具檢測輪槽磨損情況。規塞式工裝測量法[4]是利用電梯曳引輪槽規塞式測量輔助裝置進行檢測，通過調節測量桿的高度，測量輪槽寬度、輪槽深度、切口上寬度等尺寸。專用深度尺檢驗法[5-6]是利用電梯曳引輪繩槽磨損量專用檢測裝置抵住輪槽上表面，移動主尺帶動測量頭逐個測量各輪槽磨損深度。聲發射判斷法[7]是通過在線測試和記錄不同磨損狀態曳引輪運行過程中的聲發射信息，從而提取其磨損狀態的特征信號，根據特征信號和曳引輪磨損狀況建立曳引輪的磨損狀態識別模型。激光位移非接觸檢測法[8]利用激光位移傳感器與副步進電機相連，調整副步進電機輸出轉軸的旋轉角度使激光位移傳感器發射的激光束垂直射向曳引輪的輪槽面，然后通過傳感器沿曳引輪的軸向運動對輪槽輪廓數據序列進行提取。結構光非接觸檢測法是利用線激光位移傳感器對曳引輪輪槽輪廓數據進行快速準確提取，據此可對輪槽特征幾何參數進行定量分析。目視法、角尺+塞尺法是傳統的檢測方法，主要依靠經驗，橡皮泥或塑性膠法受到橡皮泥和塑性膠成型時間和成型狀態的影響，均存在檢測精度低、效率低等問題。規塞式工裝測量法、專用深度尺檢驗法通用性不強，無法檢測全部特征尺寸。聲發射判斷法主要用于在線評估，欠缺可靠性。激光位移非接觸檢測法和結構光非接觸檢測法，檢測精度高，但是夾具裝設不方便，檢測效率較低。
2檢測原理
利用激光視覺技術實現曳引輪輪槽表面三維尺寸的非接觸檢測，檢測時控制電梯以檢修速度運行，電梯運行時曳引輪旋轉過程中可提取曳引輪一圈內多個部位輪槽尺寸數據，并進行輪槽尺寸的三維數字重構，建立出輪槽三維模型，進入對輪槽各部位尺寸進行檢測。
3檢測裝置開發
3.1檢測裝置模塊組成
電梯曳引輪輪槽三維尺寸檢測裝置通過激光視覺原理，對電梯曳引輪輪槽三維尺寸進行檢測。裝置由以下部分組成：導軌、激光發射模塊、拍照模塊、標記塊和控制計算模塊，裝置模塊組成圖如圖1所示。裝置結構及安裝示意圖如圖2所示，激光發射模塊和拍照模塊安裝于導軌上，標記塊安裝于待測曳引輪輪槽的邊緣，激光發射模塊向曳引輪輪槽發射沿曳引輪軸向方向的一字激光束，拍照模塊對含激光輪廓線的曳引輪進行拍照。調整激光發射模塊和拍照模塊位置，進行測試，測試時曳引輪勻速旋轉，控制計算模塊控制相機對曳引輪進行高速連續拍照，記錄曳引輪旋轉一圈內的數張激光輪廓線照片，經過數字圖像分析，提取出曳引輪輪槽輪廓數據，從而進行曳引輪輪槽的三維尺寸檢測。激光發生模塊包括一字線激光發生器和激光發生器固定調節元件，如圖3所示。一字線激光發生器安裝于激光發生器固定調節元件上，通過手動調節激光發生器固定調節元件實現一字線激光發生器上下位置的調節，用于發射的一字線激光束在曳引輪輪槽表面聚焦。此外，通過調節激光發生器固定調節元件在導軌上的位置，可改變一字線激光發生器發射的激光在曳引輪上的投射位置。拍照模塊包括相機和相機固定調節元件，如圖4所示。相機安裝于相機固定調節元件上，通過調節相機固定調節元件實現相機拍攝角度的調節。此外，通過調節相機固定調節元件在導軌上的位置，改變激光輪廓線在數字照片中的位置，配合相機調焦功能，提高曳引輪輪槽激光輪廓線的成像效果?？刂朴嬎隳K包括控制模塊和數據分析模塊?？刂朴嬎隳K可以為個人計算機、平板電腦，或其他具有圖像采集和數字圖像分析功能的模塊，優選便攜式筆記本電腦?？刂朴嬎隳K一方面控制拍照模塊對曳引輪輪槽進行拍照，另一方面對相機連續拍攝的曳引輪旋轉一圈內的各張激光輪廓照片進行數字圖像處理，計算得到曳引輪輪槽三維尺寸。標記模塊如圖5所示。標記塊用于標記對曳引輪進行圖像采集時曳引輪開始位置。標記塊安裝于曳引輪邊緣，體積小巧，不能阻擋曳引輪邊緣第一個輪槽實體被激光束照射。標記塊由支架一和支架二組成，支架一和支架二垂直組裝。標記塊在曳引輪上安裝時，標記塊支架二與曳引輪側邊平面接觸，標記塊支架一與輪槽外圓邊緣接觸，可采用粘貼或磁吸的安裝方式與曳引輪邊緣。測試時，標記塊固定安裝于曳引輪的輪槽邊緣，隨曳引輪旋轉，標記塊具有兩功能，其一，可用于測試時識別曳引輪是否旋轉了一周，其二，用于計算得到圖像處理時曳引輪軸向和徑向像素值與實際輪槽尺寸的換算系數。
3.2幾何尺寸計算
當線激光照射到含有標記塊的輪槽表面時，相機拍攝到的激光輪廓線中將反映出標記塊的臺階幾何特征。照片中標記塊支架一長度方向尺寸為L1，對應的像素點為X1，厚度方向尺寸為L2，對應像素點為X2。則曳引輪軸向實際尺寸與像素數對應的轉換系數為L2/X2，即曳引輪軸向每個像素點對應的實際距離為L2/X2。曳引輪徑向實際尺寸與像素數對應的轉換系數為L1/X1，即曳引輪徑向每個像素點對應的實際距離為L1/X1。
3.3測試方法
電梯停止運行時，調節激光發射模塊和拍攝模塊至最佳位置，并將標記塊安裝于曳引輪上，上述準備工作完成后即可進行曳引輪激光輪廓數字照片的大量采集工作。操作電梯以檢修速度運行，曳引輪開始旋轉，當電梯處于勻速運行狀態時，相機開始連續拍攝多張曳引輪照片。假設拍攝的第一張照片編號為1#，照片連續編號，拍攝的第N1張照片中首次出現含標記塊的激光輪廓，當曳引輪繼續旋轉一圈使得第N2+1張照片中再次出現標記塊的激光輪廓線且第N2張照片中無標記塊時，說明已經采集完曳引輪一圈的多張照片，第N1張照片到第N2張照片記錄了對應曳引輪一圈內輪槽各個截面的激光輪廓信息。對含有激光輪廓線的數字圖像照片進行圖像畸變校正，二值化處理、圖像分割等過程，提取出照片中激光線投影到輪槽表面的輪廓曲線，提取出輪廓曲線的中心像素，根據本文第3.2節中得出的曳引輪軸向轉換系數L2/X2和徑向轉換系數L1/X1，將數字照片中激光輪廓的像素排列信息轉化為實際曳引輪輪廓曲線信息。以輪槽輪廓曲線初始像素點為坐標原點，例如激光輪廓數字照片中某像素點距離曲線初始像素點徑向有C1個像素距離，軸向有C2個像素距離，則該像素點坐標值為（C1L1/X1，C2L2/X2）。根據上述方法，對所有N（N=N2-N1）張數字照片進行分析，得出N組輪槽的輪廓尺寸數據。依據曳引輪外圓直徑數據和N組輪槽輪廓尺寸數據，對曳引輪輪槽尺寸進行三維重構，建立三維幾何模型。對每組輪槽輪廓尺寸數據，針對各個輪槽截面曲線進行擬合分析，可計算得到輪槽角度，槽底擬合圓直徑、輪槽切口角度、槽底寬度、槽底擬合圓圓心距曳引輪邊緣距離等特征尺寸。參考電梯檢驗規程和標準，可判斷上述特征尺寸是否滿足要求。例如，三維尺寸檢驗過程中發現某個輪槽下部切口角度值大于106°，則根據現行國標GB/T31821—2015《電梯主要部件報廢技術條件》附錄M2.2.1對輪槽特征尺寸應滿足的范圍進行了要求，“規定曳引輪輪槽下部切口角度值最大不應超過106°”，則該曳引輪不合格。
4結論與展望
曳引輪表面缺陷檢測是電梯檢驗的重要環節，現有檢測方法存在一定的局限性。用線激光和相機實現輪槽表面尺寸的檢測，無需拆卸鋼絲繩，檢測裝置直接置于曳引輪下方，與曳引輪無接觸，實現無接觸計算機視覺檢測，不破壞輪槽原有表面；測試時操作曳引輪旋轉可實現曳引輪輪槽表面尺寸的360°全方位檢測，檢測數據全面；可對一字線激光發生器安裝位置進行上下調節，進行激光聚焦，可對相機拍攝角度進行調節，達到最佳成像效果和拍攝角度。將激光視覺技術引入電梯曳引輪輪槽三維尺寸檢測，將解決檢測難題，提升檢測精度。
作者:鞠天慧 楊寧祥 陳建勛
