摘要:曳引轮是电梯曳引系统的重要组成部件，因钢丝绳张力不均、装配误差过大、异物嵌入、曳引轮材料性能欠缺等因素影响，曳引轮轮槽会发生磨损，使槽形尺寸发生改变，影响电梯安全运行。本文提出了一种基于激光视觉技术的电梯曳引轮轮槽三维尺寸检测方法，开发了一款新的检测装置，并对其检测原理、装置结构、测试方法进行了详细阐述。新检测方法和装置可对曳引轮不同部位缺陷状况和特征尺寸进行直观快速地全方位检测，提高检测精度和检测效率。
关键词:激光视觉技术;电梯;曳引轮;轮槽;检测
0引言
曳引轮是电梯曳引系统重要组成部件，曳引机通过曳引轮轮槽与钢丝绳间的摩擦力为电梯轿厢上下运动提供驱动力。电梯长期运行过程中，受钢丝绳张力不均、装配误差过大、外来颗粒异物嵌入、曳引轮自身材料组织性能不一致等因素影响，曳引轮轮槽将发生磨损，使槽形尺寸发生改变，进而改变曳引电梯的曳引条件，导致电梯运行时产生噪声和振动，严重时甚至发生溜梯、墩底等事故，威胁乘客人身安全。GB/T31821—2015[1]附录M2.2.1对轮槽特征尺寸应满足的范围进行了要求，规定曳引轮轮槽下部切口角度值最大不应超过106°，且在任何情况下，半圆槽角度不应小于25°，V形槽角度不应小于35°。该标准第4.2.4条将“绳槽的不正常磨损”视为曳引轮报废的技术条件之一。轮槽不均匀磨损属于典型的不正常磨损。TSGT7001—2009[2]第2.8（3）条规定：曳引轮轮槽不得有严重磨损，如果轮槽的磨损可能影响曳引能力时，应当进行曳引能力验证试验。GB/T24478-2009[3]第4.2.3.1条规定：曳引轮节圆直径与钢丝绳直径之比不应小于40，由于轮槽磨损后将导致节圆变小，该标准对轮槽磨损程度提出了间接要求。
1电梯曳引轮轮槽三维尺寸检测方法
目前，常用的电梯曳引轮轮槽三维尺寸检测方法主要有：目视法、角尺+塞尺法、橡皮泥或塑性胶法、规塞式工装测量法、专用深度尺检验法、声发射判断法、激光位移非接触检测法、结构光非接触检测法。目视法主要依靠工作人员的经验对轮槽磨损表面状况进行检查，目测轮槽表面是否光洁，轮槽磨损是否导致钢丝绳接触槽底，各根钢丝绳在绳槽上的工作面高度差是否明显异常，绳槽内的钢丝绳最高点与曳引轮外圆面的间隙是否过大。角尺+塞尺法主要测量轮槽不均匀磨损，是将角尺一个直角边靠紧曳引轮端面，另一直角边沿曳引轮径向方向抵住最高的钢丝绳，并用塞尺测量其余钢丝绳最高点与角尺间的间隙。橡皮泥或塑性胶法是将橡皮泥或塑性胶压入曳引轮轮槽中，使其与轮槽面完全贴合，压紧成型后取出，通过成型的模具检测轮槽磨损情况。规塞式工装测量法[4]是利用电梯曳引轮槽规塞式测量辅助装置进行检测，通过调节测量杆的高度，测量轮槽宽度、轮槽深度、切口上宽度等尺寸。专用深度尺检验法[5-6]是利用电梯曳引轮绳槽磨损量专用检测装置抵住轮槽上表面，移动主尺带动测量头逐个测量各轮槽磨损深度。声发射判断法[7]是通过在线测试和记录不同磨损状态曳引轮运行过程中的声发射信息，从而提取其磨损状态的特征信号，根据特征信号和曳引轮磨损状况建立曳引轮的磨损状态识别模型。激光位移非接触检测法[8]利用激光位移传感器与副步进电机相连，调整副步进电机输出转轴的旋转角度使激光位移传感器发射的激光束垂直射向曳引轮的轮槽面，然后通过传感器沿曳引轮的轴向运动对轮槽轮廓数据序列进行提取。结构光非接触检测法是利用线激光位移传感器对曳引轮轮槽轮廓数据进行快速准确提取，据此可对轮槽特征几何参数进行定量分析。目视法、角尺+塞尺法是传统的检测方法，主要依靠经验，橡皮泥或塑性胶法受到橡皮泥和塑性胶成型时间和成型状态的影响，均存在检测精度低、效率低等问题。规塞式工装测量法、专用深度尺检验法通用性不强，无法检测全部特征尺寸。声发射判断法主要用于在线评估，欠缺可靠性。激光位移非接触检测法和结构光非接触检测法，检测精度高，但是夹具装设不方便，检测效率较低。
2检测原理
利用激光视觉技术实现曳引轮轮槽表面三维尺寸的非接触检测，检测时控制电梯以检修速度运行，电梯运行时曳引轮旋转过程中可提取曳引轮一圈内多个部位轮槽尺寸数据，并进行轮槽尺寸的三维数字重构，建立出轮槽三维模型，进入对轮槽各部位尺寸进行检测。
3检测装置开发
3.1检测装置模块组成
电梯曳引轮轮槽三维尺寸检测装置通过激光视觉原理，对电梯曳引轮轮槽三维尺寸进行检测。装置由以下部分组成：导轨、激光发射模块、拍照模块、标记块和控制计算模块，装置模块组成图如图1所示。装置结构及安装示意图如图2所示，激光发射模块和拍照模块安装于导轨上，标记块安装于待测曳引轮轮槽的边缘，激光发射模块向曳引轮轮槽发射沿曳引轮轴向方向的一字激光束，拍照模块对含激光轮廓线的曳引轮进行拍照。调整激光发射模块和拍照模块位置，进行测试，测试时曳引轮匀速旋转，控制计算模块控制相机对曳引轮进行高速连续拍照，记录曳引轮旋转一圈内的数张激光轮廓线照片，经过数字图像分析，提取出曳引轮轮槽轮廓数据，从而进行曳引轮轮槽的三维尺寸检测。激光发生模块包括一字线激光发生器和激光发生器固定调节元件，如图3所示。一字线激光发生器安装于激光发生器固定调节元件上，通过手动调节激光发生器固定调节元件实现一字线激光发生器上下位置的调节，用于发射的一字线激光束在曳引轮轮槽表面聚焦。此外，通过调节激光发生器固定调节元件在导轨上的位置，可改变一字线激光发生器发射的激光在曳引轮上的投射位置。拍照模块包括相机和相机固定调节元件，如图4所示。相机安装于相机固定调节元件上，通过调节相机固定调节元件实现相机拍摄角度的调节。此外，通过调节相机固定调节元件在导轨上的位置，改变激光轮廓线在数字照片中的位置，配合相机调焦功能，提高曳引轮轮槽激光轮廓线的成像效果。控制计算模块包括控制模块和数据分析模块。控制计算模块可以为个人计算机、平板电脑，或其他具有图像采集和数字图像分析功能的模块，优选便携式笔记本电脑。控制计算模块一方面控制拍照模块对曳引轮轮槽进行拍照，另一方面对相机连续拍摄的曳引轮旋转一圈内的各张激光轮廓照片进行数字图像处理，计算得到曳引轮轮槽三维尺寸。标记模块如图5所示。标记块用于标记对曳引轮进行图像采集时曳引轮开始位置。标记块安装于曳引轮边缘，体积小巧，不能阻挡曳引轮边缘第一个轮槽实体被激光束照射。标记块由支架一和支架二组成，支架一和支架二垂直组装。标记块在曳引轮上安装时，标记块支架二与曳引轮侧边平面接触，标记块支架一与轮槽外圆边缘接触，可采用粘贴或磁吸的安装方式与曳引轮边缘。测试时，标记块固定安装于曳引轮的轮槽边缘，随曳引轮旋转，标记块具有两功能，其一，可用于测试时识别曳引轮是否旋转了一周，其二，用于计算得到图像处理时曳引轮轴向和径向像素值与实际轮槽尺寸的换算系数。
3.2几何尺寸计算
当线激光照射到含有标记块的轮槽表面时，相机拍摄到的激光轮廓线中将反映出标记块的台阶几何特征。照片中标记块支架一长度方向尺寸为L1，对应的像素点为X1，厚度方向尺寸为L2，对应像素点为X2。则曳引轮轴向实际尺寸与像素数对应的转换系数为L2/X2，即曳引轮轴向每个像素点对应的实际距离为L2/X2。曳引轮径向实际尺寸与像素数对应的转换系数为L1/X1，即曳引轮径向每个像素点对应的实际距离为L1/X1。
3.3测试方法
电梯停止运行时，调节激光发射模块和拍摄模块至最佳位置，并将标记块安装于曳引轮上，上述准备工作完成后即可进行曳引轮激光轮廓数字照片的大量采集工作。操作电梯以检修速度运行，曳引轮开始旋转，当电梯处于匀速运行状态时，相机开始连续拍摄多张曳引轮照片。假设拍摄的第一张照片编号为1#，照片连续编号，拍摄的第N1张照片中首次出现含标记块的激光轮廓，当曳引轮继续旋转一圈使得第N2+1张照片中再次出现标记块的激光轮廓线且第N2张照片中无标记块时，说明已经采集完曳引轮一圈的多张照片，第N1张照片到第N2张照片记录了对应曳引轮一圈内轮槽各个截面的激光轮廓信息。对含有激光轮廓线的数字图像照片进行图像畸变校正，二值化处理、图像分割等过程，提取出照片中激光线投影到轮槽表面的轮廓曲线，提取出轮廓曲线的中心像素，根据本文第3.2节中得出的曳引轮轴向转换系数L2/X2和径向转换系数L1/X1，将数字照片中激光轮廓的像素排列信息转化为实际曳引轮轮廓曲线信息。以轮槽轮廓曲线初始像素点为坐标原点，例如激光轮廓数字照片中某像素点距离曲线初始像素点径向有C1个像素距离，轴向有C2个像素距离，则该像素点坐标值为（C1L1/X1，C2L2/X2）。根据上述方法，对所有N（N=N2-N1）张数字照片进行分析，得出N组轮槽的轮廓尺寸数据。依据曳引轮外圆直径数据和N组轮槽轮廓尺寸数据，对曳引轮轮槽尺寸进行三维重构，建立三维几何模型。对每组轮槽轮廓尺寸数据，针对各个轮槽截面曲线进行拟合分析，可计算得到轮槽角度，槽底拟合圆直径、轮槽切口角度、槽底宽度、槽底拟合圆圆心距曳引轮边缘距离等特征尺寸。参考电梯检验规程和标准，可判断上述特征尺寸是否满足要求。例如，三维尺寸检验过程中发现某个轮槽下部切口角度值大于106°，则根据现行国标GB/T31821—2015《电梯主要部件报废技术条件》附录M2.2.1对轮槽特征尺寸应满足的范围进行了要求，“规定曳引轮轮槽下部切口角度值最大不应超过106°”，则该曳引轮不合格。
4结论与展望
曳引轮表面缺陷检测是电梯检验的重要环节，现有检测方法存在一定的局限性。用线激光和相机实现轮槽表面尺寸的检测，无需拆卸钢丝绳，检测装置直接置于曳引轮下方，与曳引轮无接触，实现无接触计算机视觉检测，不破坏轮槽原有表面；测试时操作曳引轮旋转可实现曳引轮轮槽表面尺寸的360°全方位检测，检测数据全面；可对一字线激光发生器安装位置进行上下调节，进行激光聚焦，可对相机拍摄角度进行调节，达到最佳成像效果和拍摄角度。将激光视觉技术引入电梯曳引轮轮槽三维尺寸检测，将解决检测难题，提升检测精度。
作者:鞠天慧 杨宁祥 陈建勋
