电梯导轨垂直度检测机器人机构设计

以图 2 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
的固定距离为 L，两检测点之间的连线与铅垂线的夹
角 θ 由倾角传感器检测。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
得到被 检 测 电 梯 导 轨 各 检 测 点 相 对 基 准 垂 线 的 误
差值。
3 机械结构设计
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 所示。
（ a） 截视图
（ b） 主视图
1 机身； 2 转轴； 3 导向磁轮； 4 顶磁轮； 5 压紧轮；
6 压簧； 7 导轨
文中在介绍了一种电梯导轨垂直度检测新方法基 础上，设计了一款自动检测机器人，详述了检测原理和 机构设计方案。
1 电梯导轨的结构型式
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很标准化的 T 形导轨，结 构形式如图 1 所示。JG / T 5072． 1—1996 中规定导轨 材料为 镇 静 钢，化 学 成 分 为： w （ C） ≤28% ，w （ S） ≤
图 4 导向轮受力分析
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 FS ＞ 机器人自身重力 G。而 总摩擦力等于前后轮摩擦力之和，即：
FS = f1 + f2
（ 4）
式中： f1 ——— 前轮与导轨面之间的摩擦力； f2 ——— 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
图 3 机器人机构简图
垂直度检测机器人的主要组成部分包括： 前后顶
磁轮、导向轮、压紧轮、倾角传感器、位移传感器、驱动
装置和控制系统。
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
2011 年 10 月
刘旭，等： 电梯导轨垂直度检测机器人机构设计
Baidu Nhomakorabea29
度误差值：
ΔXn = Xn － X（ n－1） = L·sin θn
（ 3）
（ 4） 以曲线图形式直观地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
0. 045% ，w （ P） ≤0． 045% 。T 形 导 轨 主 要 规 格 参 数 有： 工作面厚度 k，尺寸范围 9 ～ 31． 75 mm； 工作面宽度 h，尺寸范围61 ～ 126 mm； 导轨标准长度 L 为 5 m； 底宽 B； 全高 H。
（ a） 实物图
（ b） 截面图
图 1 T 形电梯导轨
算，机器人总质量 m ＜ 10 kg，要想保证机器人不下滑，
必须满足方程：
FS = f1 + f2 ＞ G
（ 11）
2f ＞ mg
（ 12）
由式（ 12） 求得： f ＞ 50 N。
由公式（ 5） 求得磁轮吸附力最小应为：
F1 = F2 = f / μ = 250 N
（ 13）
下面将依据以上求得的磁轮吸附力的大小，进行
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，由式（ 2） 可得所检测电梯
导轨的总长度 Lz：
Lz = （ n － 1） L
（ 2）
由式（ 3） 可得第 n 检测点相对 n － 1 检测点的垂直
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； 倾 角检测完毕后，机器人按以上步骤继续向前运行，重复 检测过程，实时将倾角和位移数据进行存储； 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； 当达到预定检测距离时，控制系统进入返 回中断程序，检测机器人自动返回到起点。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。 3． 1 机器人受力分析
偏移量 ΔX，即两点间的垂直度相对误差值，在直角三
角形中由公式得出：
ΔX = L·sin θ
（ 1）
式中： ΔX = X2 － X1
图 2 检测原理图
（ 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
随着高层大楼的不断涌现，一体化的电梯导轨垂 直度检测设备有很大的应用空间。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［1］。 在安装时需要对电梯导轨垂直度进行检测，在日常维 护中同样需 要 检 测。 传 统 的“吊 线 检 测 ”方 法 虽 然 使 用的测量工具简单、测量数据直观，但明显缺点是基准 难以固定、误差大、数据记录繁琐、工作效率低［2］。后 来，行业推出了电梯导轨检测用激光垂准仪，其原理只 是用激光代替传统吊线，仍然需要人工检测和记录数 据［3］。近年，研究机构利用激光垂准技术和图像识别 处理相结合的原理，采用 CCD 摄像模块作为激光光斑 接收器，经 PC 机进行光斑位移数据处理［3 － 4］，此方法 测速较快，精度也得到了相应提高，但激光发射器和光 斑接收器件分离，同时，需要对激光垂准校直，仍然存 在费时费力、检测器件分散等缺点［5］。
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，磁轮的强磁
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 Kf 来补偿 磁路中各部分漏磁。同理，引入磁阻系数 Kr 来补偿磁 路各部分的磁势损失。于是得到如下磁路分析的重要
小，在计算磁轮吸附力大小时，令 f1 = f2 = f。导轨对机 器人磁轮的支持力 FN 等于磁轮的吸附力 F1 ，F2 之和。
由摩擦力计算公式：
f = μFN
（ 5）
得： FS = f1 + f2 = μF1 + μF2
（ 6）
式中： μ——— 钢 － 钢材料之间的摩擦因数；
f——— 磁轮与导轨面间的静摩擦力；
摘要：针对传统电梯导轨垂直度检测方法误差大、检测器件分离、不利于一体化检测等不足，用一种全新的检测方 法，设计了一款基于倾角检测的电梯导轨垂直度检测机器人。文中分析了新方法的检测原理，详细介绍了检测机器人的 机构设计方案。经过验证，该检测方法效率高、检测精确，具有很好的实用价值。
关键词：导轨垂直度； 机构结构； 电梯导轨； 倾角检测 中图分类号： TH122 文献标识码：A 文章编号：1001 － 2354（2011）10 － 0027 － 06
第 28 卷第 10 期 2011 年10 月
机械设计
JOURNAL OF MACHINE DESIGN
Vol． 28 No． 10 Oct． 2011
*
电梯导轨垂直度检测机器人机构设计
刘旭1 ，戴士杰2 ，刘志东2 ，程秋平1 ，刘志云1 ，孙立新3
（ 1． 江西省特种设备检验检测研究院，江西 南昌 330096； 2． 河北工业大学 机器人及自动化研究所，天津 300130； 3． 天津市特种设备检验检测研究院，天津 300073）
2 检测原理分析
2． 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； 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
FN ——— 导轨面对磁轮的支持力，等于前后磁轮的吸附力 之和。
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：
FS ＞ G
（ 7）
μF1 + μF2 ＞ G
（ 8）
2μFN ＞ G
FN
＞
G 2μ
（ 9） （ 10）
因为导轨和磁轮外壳都是钢材料，由机械设计手
册查的，钢 － 钢材料之间的摩擦因数 μ 取为 0． 20。经估
* 收稿日期： 2010 － 09 － 13； 修订日期： 2011 － 04 － 25 基金项目： 国家质量监督检验检疫总局科技资助项目（ 2007QK173） 作者简介：刘旭（ 1956—） ，男，河南新郑人，高级工程师，学士，专业方向： 特种设备安全检验检测，发表论文 5 篇。
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机械设计
第 28 卷第 10 期
依靠磁轮吸附工作面的种类有很多种形式，常见
形式如图 5、图 6 所示。
（ a）
（ b）
图 5 磁质扇形分布
（ a）
（ b）
图 6 磁质柱形分布
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机械设计
第 28 卷第 10 期
图 5 所示磁力线从扇形永磁体的 N 极出发穿过工 作气隙通过软磁体回到永磁体 S 极。这种磁路形式中， 永磁体的一极直接面对工作气隙，软磁体不能最大程 度地引导磁通，漏磁通较大，且制作安装相对复杂。
磁轮的结构设计。
3． 2 磁轮设计及磁路分析
3． 2． 1 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。
图 7 磁路示意图
3． 2． 2 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（ NbFeB）
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：
∫ P
=1 2μ0
s
B2gn ds
（ 14）
式中： Bgn ——— 气隙磁通密度的有用分量； μ0 ——— 真空磁导率。
图 6 所示磁力线从 N 极出发通过软磁材料硅钢片 引导至导轨镇静钢内，最终回到 S 极，吸附过程中漏磁 通最少，工作气隙中磁通最强，使得吸附力值最大，充 分发挥了 NdFeB 强磁材料的磁性。
基于以上分析选择图 6 所示的磁轮结构形式作为 最优结果，其与导轨之间形成的磁路如图 7 所示。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。
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
选择了光电式位移传感器。该传感器不与导轨面直接
接触，保证了检测精度，避免了用旋转编码器在油污导
轨面检测位移时可能会出现打滑的现象。
（ 3） 为了测量相邻检测点与铅垂线的夹角，文中
选择了高精度双轴倾角传感器。德国 NS － 15 / P2 In-
clinometer，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． 2 检测原理分析
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。