电梯导轨检测机器人技术的探讨及可行性分析

李科

摘要：电梯导轨安装的垂直度是保证电梯安全、舒适运行的一项重要性能指标.在电梯安装和维护的过程中如何检测导轨垂直度是一个复杂的技术难题。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。本文分析了电梯导轨检测机器人技术的探讨及可行性。

关键词：电梯导轨检测；机器人技术；可行性

目前进行电梯导轨垂直度检测时，需要在导轨的每个测量点由人工逐一测量，仍然离不开脚手架，测量过程繁杂。研制的电梯导轨垂直度检测机器人，经设计分析和实验验证，采用了多磁轮吸附机构和下滑制动机构，可以在竖直导轨上安全自主运行，实现了检测的自动化。

1检测原理分析

1.1要点分析。文中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，由微机对测量数据自动采集、分析、输出的检测方法。该方法的技术要点如下：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；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；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”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。

1.2检测原理分析。以图1为例，分析该仪器的检测原理，检测过程如下：

1.2.1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为L，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θ，则两检测点间的相对偏移量ΔX，即两点间的垂直度相对误差值。

（图1）

1.2.2检测设备沿导轨运行，由位移传感器检测位移值，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。

2机械结构设计

机器人检测过程描述为：机器人上电后，首先对控制系统进行初始化；接收到启动信号后，在步进电机的驱动下按设定速度向前运行；实时检测位移传感器传输的位移量，当检测到位移量达到设定值时，采集倾角传感器检测的倾角值，将位移量和倾角值进行存储。随着机器人的不断向前运行，能够检测几十米甚至上百米的电梯导轨长度，最后，将存储的倾角值和位移值利用相应软件进行曲线拟合，形成电梯导轨垂直度误差的直观图。

2.1机器人受力分析。导向轮与导轨侧面的接触面积较大，磁吸附力相对较大，所以选择前后导向轮同时作为机器人驱动轮，要求其具有制动性，防止静止时机器人下滑。导向轮与导轨面之间存在的是静摩擦力，顶磁轮、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。如图4所示对导向轮进行受力分析，从而确定所需磁轮吸附力的大小。

2.2磁轮设计及磁路分析。一是磁路结构形式选择。磁轮是保证检测机构与导轨紧密贴合的关键部件，所以在选择磁轮和设计磁路时，要尽量保证磁吸附力最大。合理优化的磁轮磁路结构能够充分发挥永磁体的利用率，在磁轮体积一定的情况下尽量增大工作气隙的磁场强度，获得高吸附力。其中硅钢的作用是保护磁铁和增加导磁性。其中的黄铜轮毂作为隔磁材料，连接磁轮和轴。在两硅钢之间镀镍层，减小了磁漏现象的发生。为降低制造成本，所有磁轮设计为同一尺寸也可满足要求。二是磁路设计的可行性分析。磁路分析计算的目的就是要确定永磁体和软磁体（硅钢）的尺寸，使磁轮在满足吸附力要求的情况下用材最少。非均匀气隙磁场吸附力为：，式中：Bgn—气隙磁通密度的有用分量；μ0—真空磁导率。工作气隙的磁通除部分有用磁通外，另有部分在气隙附近泄漏，同时在永磁体端面、永磁体和硅钢的装配间隙中都会发生漏磁，为此引入漏磁系数来补偿磁路中各部分漏磁。同理，引入磁阻系数来补偿磁路各部分的磁势损失。

2.3压紧机构。为了适应不同的导轨宽度，且检测完毕后便于机构由导轨上取下，检测机器人一侧磁轮设计为可调宽度的压紧机构。磁轮安装在一个支架上，支架通过弹簧与机身相连，在整个机构运行时，弹簧实时提供给支架一个力，保证磁轮与导轨紧密贴合；支架与上下机身上的导槽相嵌，保证了磁轮不会发生上下方向的相对移动，而只是沿导槽左右滑动；当检测完毕后，通过螺纹拉杆将压紧磁轮拉开导轨面，便于拆下机器。

3可行性分析

《电梯工程施工质量验收规范》对电梯导轨垂直度规定如下：每列导轨工作面（包括侧面与顶面）每m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形导轨为2mm，能同时检测导轨正面和侧面的倾角值，检测精度能达到0．01°。机构加工精度是微米级，所以在精度分析过程中可不予考虑。所设计机构的两导向轮之间的固定间距为580mm，5m之内存在9个检测点。假设导轨单向一侧倾斜，结合图1，受倾角传感器检测精度的限制，当倾角小于0．01°时，由式中得单次未能检测出的最大误差值为小于国家标准1．2mm，经分析所选元件和设计的机械结构完全能够满足此系统对检测精度的要求。此机构是基于倾角检测，进而推导出相对垂直度误差值，检测原理和计算过程简单、高效。

此电梯导轨垂直度检测机器人摒弃了传统的检测方法，基于倾角的检测原理新颖别致，同时将检测装置和信号采集集成在同一机构上，大大提高了检测效率和精确性。

参考文献：

[1]林开颜，吴军辉，徐立鸿.电梯导轨垂直度测量仪研究[J].仪器仪表学报，2015，24（2）：119-122.