基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測(cè)裝置

牛偉鋒， 宗亮亮， 吳豐， 涂世宇， 艾凌云， 胡文彬， 甘維兵

(1.霍州煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司 辛置煤礦， 山西 霍州 031400；2.武漢理工大學(xué) 信息工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

0 引言

在煤礦開(kāi)采中，礦井提升機(jī)可將罐籠從煤礦底部提升到地面[1-2]，罐道作為罐籠運(yùn)行的導(dǎo)軌，既可保證罐籠運(yùn)行方向正確，又可限制罐籠水平方向的位移[3]。由于煤礦地質(zhì)條件復(fù)雜，罐道容易受到外力的作用而產(chǎn)生形變[4]，輕則影響罐籠順暢運(yùn)行，重則影響煤礦人員逃生[5-6]，給煤礦安全生產(chǎn)埋下隱患。因此對(duì)煤礦罐道的形變檢測(cè)成為亟待解決的重要課題。

根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》和GB 50213—2010《煤礦井巷工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》，在煤礦罐道檢測(cè)中，2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯(cuò)位值及單根罐道的磨損量可反映罐道局部形變情況，且要求精度達(dá)毫米級(jí)。然而傳統(tǒng)的罐道形變檢測(cè)方法是使用鋼尺測(cè)量，精度較低，操作復(fù)雜[7]。為了提高檢測(cè)效率，許多學(xué)者提出罐道形變自動(dòng)化檢測(cè)方法。蔣玉強(qiáng)等[8]使用加速度計(jì)測(cè)量罐籠運(yùn)行過(guò)程中的沖擊振動(dòng)加速度，使用傾角傳感器測(cè)量罐籠的偏轉(zhuǎn)角度，綜合2種信息分析罐道的沖擊受力和局部形變情況，但可靠性不高。郭峰[9]設(shè)計(jì)了罐道間距及接頭檢測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)超聲波位移傳感器實(shí)時(shí)記錄罐籠位置信息，通過(guò)激光測(cè)距傳感器測(cè)量罐道縫隙寬度及錯(cuò)位值，但存在操作復(fù)雜、受環(huán)境影響較大的缺點(diǎn)。

二維激光掃描技術(shù)是非接觸式測(cè)量技術(shù)[10-11]，激光器發(fā)射出激光，經(jīng)過(guò)柱面物鏡分散成間距固定的激光散點(diǎn)，通過(guò)捕捉激光散點(diǎn)在被測(cè)對(duì)象表面的漫反射光信號(hào)即可得到二維激光掃描儀與被測(cè)對(duì)象之間的距離，生成被測(cè)對(duì)象表面二維輪廓數(shù)據(jù)[12-15]。本文將二維激光掃描儀應(yīng)用于煤礦罐道形變檢測(cè)，結(jié)合上位機(jī)軟件對(duì)罐道掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯(cuò)位值及單根罐道的磨損量，同時(shí)準(zhǔn)確定位磨損位置，具有測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)。

1 裝置總體設(shè)計(jì)

基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示。支撐臂一端固定在罐籠頂板上，另一端通過(guò)彈簧給滑輪施加預(yù)緊力，使得滑輪與罐道緊貼；里程編碼器與滑輪同軸且緊密連接；二維激光掃描儀通過(guò)固定臂連接在罐籠頂板上，且二維激光掃描儀安裝在滑輪下方，以免滑輪遮擋二維激光掃描儀發(fā)射的激光；供電模塊、控制器、二維激光掃描儀、上位機(jī)均封裝在防爆箱中。

圖1 基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

為平衡測(cè)量精度與數(shù)據(jù)量的關(guān)系，選用LJ-V7200型二維激光掃描儀。每一條激光掃描線有若干個(gè)激光散點(diǎn)，每個(gè)激光散點(diǎn)的間距為0.3 mm，滿足罐道錯(cuò)位的毫米級(jí)測(cè)量精度要求；激光散點(diǎn)間距乘以散點(diǎn)個(gè)數(shù)可得到每條激光掃描線的最大掃描寬度，二維激光掃描儀的最大掃描寬度大于罐道寬度，能夠滿足激光掃描線完全覆蓋罐道兩側(cè)的測(cè)量要求。

基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測(cè)裝置工作原理如圖2所示。提升機(jī)牽引罐籠沿罐道上下線性運(yùn)動(dòng)，由于滑輪與罐道緊密相連，在摩擦力的作用下滑輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)里程編碼器旋轉(zhuǎn)；里程編碼器旋轉(zhuǎn)后產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)傳輸給控制器，控制器每次接收到觸發(fā)信號(hào)便啟動(dòng)二維激光掃描儀；二維激光掃描儀發(fā)射激光投射在罐道上，在罐籠線性運(yùn)動(dòng)時(shí)對(duì)罐道進(jìn)行掃描，投射在罐道表面的激光發(fā)生漫反射后，被二維激光掃描儀接收，得到罐道掃描數(shù)據(jù)(二維激光掃描儀與罐道之間的距離)；罐道掃描數(shù)據(jù)傳輸至控制器，上位機(jī)調(diào)用控制器中的掃描數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，計(jì)算2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯(cuò)位值及單根罐道的磨損量。

圖2 基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測(cè)裝置工作原理

2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

利用Visual Studio平臺(tái)，采用C#語(yǔ)言開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件，其流程如圖3所示。建立二維激光掃描儀、控制器與上位機(jī)之間的連接；將二維激光掃描儀設(shè)置為掃描狀態(tài)，隨著罐籠的運(yùn)行，二維激光掃描儀便可對(duì)罐道進(jìn)行掃描；掃描過(guò)程中在線繪制輪廓圖，將掃描數(shù)據(jù)存入硬盤(pán)，將計(jì)算結(jié)果存入數(shù)據(jù)庫(kù)；當(dāng)掃描結(jié)束后，斷開(kāi)設(shè)備之間的連接，從數(shù)據(jù)庫(kù)中提取數(shù)據(jù)生成報(bào)表，并離線繪制三維模型。

圖3 上位機(jī)軟件流程

通過(guò)上位機(jī)軟件內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理算法對(duì)罐道掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而計(jì)算2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯(cuò)位值及單根罐道的磨損量。

(1) 縫隙寬度計(jì)算。將罐道掃描數(shù)據(jù)中全零行的行數(shù)乘以里程編碼器的觸發(fā)間距，可得2根罐道之間縫隙寬度。

(2) 錯(cuò)位值計(jì)算。二維激光掃描儀對(duì)罐道的掃描方位如圖4所示(以沿罐道面水平方向?yàn)閄方向，與罐道面垂直方向?yàn)閅方向)。利用罐道掃描數(shù)據(jù)計(jì)算得到2根罐道之間X方向錯(cuò)位的列數(shù)后，乘以激光散點(diǎn)間距，可得X方向錯(cuò)位值x；將罐道掃描數(shù)據(jù)中的全零行看作縫隙數(shù)據(jù)，非零行看作罐道數(shù)據(jù)，取縫隙數(shù)據(jù)上方第1行罐道數(shù)據(jù)正中心的值和縫隙數(shù)據(jù)下方第1行罐道數(shù)據(jù)正中心的值相減，可得Y方向錯(cuò)位值y。

圖4 罐道掃描方位

(3) 磨損量計(jì)算。為準(zhǔn)確定位磨損具體位置，需要知道單根罐道長(zhǎng)度，將罐道掃描數(shù)據(jù)中連續(xù)非零行的行數(shù)乘以里程編碼器的觸發(fā)間距，即可得到單根罐道長(zhǎng)度。將罐道左右兩側(cè)邊緣若干列數(shù)據(jù)的平均值相加后除以2，得到罐道非磨損部位與二維激光掃描儀之間的距離d1。考慮到磨損位置一般位于罐道正中央，因此取罐道數(shù)據(jù)中心若干列的平均值作為罐道磨損部位與二維激光掃描儀之間的距離d2。將d1與d2相減即可得到罐道磨損量。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為測(cè)試基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測(cè)裝置精度，搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，如圖5所示。以2根鋼軌模擬罐道，在2根鋼軌上各擺放2個(gè)線圈筒作為支撐物，在線圈筒上擺放鋼梁，鋼梁下表面安裝有滑塊，將二維激光掃描儀固定在滑塊上，使得掃描儀可沿著鋼梁滑動(dòng)。將滑輪和里程編碼器與滑塊固定在一起，并使滑輪緊貼鋼梁上表面。設(shè)置2根鋼軌之間的縫隙為6 cm，X方向錯(cuò)位值為6 cm，Y方向錯(cuò)位值為4.5 cm，在2根鋼軌的兩端做標(biāo)記線，距離縫隙處均為20 cm。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始前，使激光掃描線在標(biāo)記線1處，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始后，移動(dòng)二維激光掃描儀，使激光掃描線移動(dòng)到標(biāo)記線2處。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

上位機(jī)軟件繪制的罐道橫截面輪廓、三維模型分別如圖6、圖7所示。可清晰、直觀地展現(xiàn)二維激光掃描儀與罐道之間的距離、罐道寬度及罐道表面特征等。

圖6 罐道橫截面輪廓

圖7 罐道三維模型

經(jīng)過(guò)4次實(shí)驗(yàn)得到的2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯(cuò)位值見(jiàn)表1?？煽闯鯴方向錯(cuò)位值絕對(duì)誤差不大于0.13 mm，相對(duì)誤差不大于2.9%；Y方向錯(cuò)位值絕對(duì)誤差不大于0.03 mm，相對(duì)誤差不大于0.5%；縫隙寬度絕對(duì)誤差不大于0.6 mm，相對(duì)誤差不大于10%；測(cè)量精度均達(dá)到毫米級(jí)，滿足罐道形變測(cè)量要求。

表1 罐道之間的縫隙寬度、錯(cuò)位值測(cè)量結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

提出了一種基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測(cè)裝置。通過(guò)固定在罐籠上的二維激光掃描儀對(duì)罐道進(jìn)行掃描，利用上位機(jī)軟件對(duì)二維激光掃描儀獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，可在線繪制罐道輪廓圖、離線繪制罐道三維模型，得到2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯(cuò)位值及單根罐道的磨損量，從而判定罐道形變狀況。該裝置具有較高的檢測(cè)精度和可行性，也可應(yīng)用于高鐵軌道、地面斷層檢測(cè)等領(lǐng)域。