電梯補償鏈自動化測長裝置的設計

（常州大學 機械工程學院，常州 213000）

0 引言

包覆型電梯補償鏈是一種在電焊錨鏈上包裹PVC或橡膠材料的鏈條，它具有彈性好、強度高、壽命長、使電梯運行平穩(wěn)可靠等優(yōu)點，被廣泛應用于高層電梯[1]。補償鏈在生產(chǎn)過程中經(jīng)過盤繞整齊冷定型后，在出廠前需要根據(jù)客戶要求的長度進行剪斷并裝箱[2]。目前，電梯補償鏈的長度測量方式有人工測量和機械測量。由于補償鏈單位重量達到5.95kg/m，人工測量的速度很慢，僅有0.2m/s，勞動強度大、效率低下。而機械測量采用機械式計米器[3]，此計米器[4]不能很好地控制由于補償鏈和同步帶之間的相對滑動而產(chǎn)生的誤差，使得測量誤差達到±1%甚至更多，測量精度較低，嚴重影響了產(chǎn)品的質量。因此迫切需要研制一種高精度的電梯補償鏈自動化測長裝置。

1 機械系統(tǒng)設計

1.1 整體結構設計

圖1 自動化測長裝置總裝配圖

自動化測長裝置基本的組成是4個齒形、齒數(shù)均相同的圓弧齒同步帶輪和2條同步帶，3對小的圓弧齒同步帶輪均勻分布在大同步帶輪之間，增加補償鏈和同步帶之間的接觸面積，減小兩者發(fā)生相對滑動的可能性[5]。上同步帶、2個大壓緊輪、3個小壓緊輪和活動塊組成了壓緊機構。氣壓缸可以為壓緊補償鏈提供足夠且穩(wěn)定的正壓力，也可以沿著光軸提升壓緊機構，為調(diào)整補償鏈位置提供空間。主計量輪、從動計量輪、3個小壓緊輪、下同步帶和伺服電機通過滑塊安裝在直線導軌上，構成精確測長機構。伺服電機與主計量輪相連，可根據(jù)測長裝置的運行狀態(tài)由PLC實時調(diào)整輸出轉矩。利用SolidWorks繪制的自動化測長裝置的三維模型設計如圖1所示。SolidWorks軟件技術的使用極大地提高了機械零部件的質量標準，并且簡化了機械零部件的生產(chǎn)工藝[6]。

1.2 精確測長機構

圖2 精確測長機構的移動示意圖

精確測長機構是自動化測長裝置的核心機構，不僅能起到測量補償鏈長度的作用，而且能對測量誤差進行補償，提高測量精度。壓緊機構將補償鏈壓緊后，伺服電機采用轉矩控制方式運行，輸出轉矩TM為0.28N·m。伺服電機驅動主計量輪，使下同步帶與補償鏈有發(fā)生相對滑動的趨勢，在兩者之間產(chǎn)生的相對摩擦力fb比這兩者之間的滑動摩擦力fd略微小一點，下同步帶和補償鏈仍處于靜止狀態(tài)。但此時只需要施加很小的一點外力就可以使下同步帶運動了。所以一旦補償鏈受到牽引機的牽引就會帶動下同步帶運動。在保持伺服電機輸出轉矩TM不變的情況下，補償鏈和下同步帶處于相對靜止狀態(tài)，以相同的線速度運動。

由于包塑型補償鏈鏈環(huán)與鏈環(huán)之間存在凹凸不平，這會導致補償鏈與同步帶之間的動摩擦力fd產(chǎn)生波動。在通過主計量輪時極易補償鏈打滑（滑動摩擦力fd突然減?。┗蛘邥簳r被卡?。ɑ瑒幽Σ亮d突然增大），發(fā)生這些情況時，精確測長機構（即滑塊）會沿著直線導軌移動。精確測長機構的移動情況如圖2所示。當補償鏈打滑時，滑塊會沿著導軌向前移動。PLC通過線性位移傳感器檢測到滑塊向前移動后隨即加大伺服電機的輸出轉矩，即增大相對摩擦力fb，使滑塊停止向前移動并重新回到它的初始位置。而當補償鏈被暫時卡住時，滑塊會向后移動，此時PLC會相應地減小伺服電機的輸出轉矩。伺服電機輸出轉矩TM的自動調(diào)整值如表1所示。用精確測長機構的移動補償補償鏈打滑或者突然卡住時所造成的測量誤差，最終可以通過主計量輪轉過的圈數(shù)計算出下同步帶運動的距離并配合相應的補償算法得出被牽引的補償鏈的長度，提高了測長裝置的測量精度。

2 控制系統(tǒng)設計

根據(jù)自動化測長裝置的工作要求和工作原理，選用三菱PLC作為控制系統(tǒng)的控制器[7]，確定I/O點數(shù)，對控制系統(tǒng)硬件和軟件進行設計[8]。

2.1 硬件設計

控制系統(tǒng)的硬件包括PLC基本單元及其擴展模塊、伺服電機及其驅動器、觸摸屏、線性位移傳感器、編碼器和兩位五通電磁閥等。圖3為控制系統(tǒng)硬件設計框圖。

圖3 控制系統(tǒng)硬件設計

控制系統(tǒng)以三菱PLC基本單元FX3U-32MR為控制核心，擴展了一個模數(shù)轉換模塊FX3U-4AD和一個數(shù)模轉換模塊FX2N-4DA。編碼器選用歐姆龍的E6B2系列，分辨率為2000P/R，與主計量輪相連。FX3U-32MR內(nèi)置的高速計數(shù)器將讀出編碼器輸出的脈沖數(shù)，配合引入的補償系數(shù)C計算出補償鏈長度。線性位移傳感器可以檢測出精確測長機構前后移動的距離，F(xiàn)X3U-4AD將線性位移傳感器輸出的模擬量電壓信號轉換成數(shù)字量信號傳送給PLC基本單元。PLC基本單元自動調(diào)整輸出，將數(shù)字量信號通過FX2N-4DA轉換成模擬量電壓信號傳送給伺服驅動器，從而控制伺服電機的輸出轉矩。圖4為樣機控制系統(tǒng)圖。

控制系統(tǒng)采用“PLC+觸摸屏”的控制形式，按鍵和參數(shù)設置均通過觸摸屏實現(xiàn)，這有效減少了硬件按鍵的使用。在觸摸屏上顯示自動化測長裝置實時的運行狀態(tài)，實現(xiàn)操控—監(jiān)視的一體化。圖5為觸摸屏的監(jiān)控界面。

表1 伺服電機輸出轉矩自動調(diào)整

圖4 樣機控制系統(tǒng)圖

圖5 觸摸屏監(jiān)控界面

2.2 軟件設計

根據(jù)自動化測長裝置的工作流程圖如圖6所示，對控制系統(tǒng)的控制程序進行設計、編寫。

圖6 工作流程圖

首先設定要測量的補償鏈長度，人工控制氣壓缸的上升與下降，調(diào)整補償鏈的擺放位置。將鏈條壓緊后開始測量，啟動伺服電機和牽引電機。在測量過程中，PLC根據(jù)精確測長機構的位移實時調(diào)整伺服電機的輸出轉矩，使其重新回到初始位置。當?shù)竭_設定的長度后，電機停止，完成測量。

程序在GX-WORKS2編程環(huán)境下，以梯形圖方法在PC機上進行編制，經(jīng)調(diào)試編輯后下載到PLC之中。

3 樣機調(diào)試與實驗

按照設計圖紙制造出相關零部件，進行組裝調(diào)整，并對其進行實驗。樣機如圖7所示。

圖7 樣機示意圖

實驗采用包塑型補償鏈，鏈條鏈徑為5mm，長度為30.1m。按照主計量輪是否有伺服電機驅動將實驗分為2個組，A組為沒有伺服電機驅動，B組為有伺服電機驅動。每組分別給定5個不同的運行速度進行實驗，這5個速度分別為0.25m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s和0.6m/s，對每個給定的運行速度進行8次實驗。氣壓缸的輸出壓力P為0.14MPa。進行A組實驗時，需要將精確測長機構固定。而進行B組實驗時，按要求設定伺服電機的輸出轉矩。將2組實驗每個給定速度的測量結果平均值記入表2和表3中。根據(jù)表2和表3的數(shù)據(jù)分別繪制2組實驗的誤差變化曲線圖和標準差變化曲線圖，如圖8和圖9所示。

圖8 2組實驗不同速度下的誤差平均值

表2 A組實驗在不同速度下的測量結果平均值

表3 B組實驗在不同速度下測量結果平均值

圖9 2組實驗不同速度下的標準差

由圖8和圖9可知，B組實驗中每個給定運行速度下的誤差平均值的絕對值和標準差均大大小于A組，這說明主計量輪有伺服電機驅動時的測量結果更加精確和穩(wěn)定。當樣機的運行速度為0.5m/s時，測量平均誤差為0.003%，標準差為0.077%，測量結果精度最高也最穩(wěn)定，達到設計要求。

4 結論

電梯平衡鏈自動化測長裝置采用精確測長機構，解決了測量過程中補償鏈與同步帶之間由于相對滑動而產(chǎn)生較大測量誤差的問題；控制系統(tǒng)基于PLC，具有響應迅速、可靠性高、易于實現(xiàn)的特點；實驗結果表明，主計量輪有伺服電機驅動時的測量結果更加精確和穩(wěn)定；自動化測長裝置在運行速度為0.5m/s時的測量效果最好，測量誤差被控制在±0.1%以內(nèi)，測量速度是人工測量的2倍多，具有較高的自動化水平，使勞動強度顯著降低，極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率。

[1]George R.S. and Robert S.C..The Vertical Transportation Handbook 4th Edition[M].New York: John Wiley & Sons,2010.

[2]Shi Xianchuan, Gao Liang,Qian Lei, Cheng Mingya and Jiang Kyle. A coiling robot for elevator compensation chain[J].Industrial Robot,Vol.43,No.4,2016:403-408.

[3]保建平,王會生,衛(wèi)兵.線纜計米器的檢定方法及測量不確定度分析[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2005,28(8):873-875.

[4]黃萬呈.一種機械式計米器:中國,CN 101625226A[P].2009-07-20.

[5]Max K., Meggen and Switzerland. Apparatus for infeeding a cable to an automatic cable processing machine: United States Patent,5368212[P].1994-11-29.

[6]曾文忠.基于Solidworks對機械零件結構的設計與應用[J].制造業(yè)自動化,2011,34(2):135-137.

[7]郁漢琪.電氣控制與可編程序控制器應用技術[M].2版.南京:東南大學出版社,2009.

[8]張小云,陳關龍,張延松,張旭強.伺服焊槍點焊PLC控制系統(tǒng)設計[J].焊接學報,2006,27(7):1-4.