基于結(jié)構(gòu)光的電梯曳引輪三維重建及缺陷檢測

陳建勛，戚政武，楊寧祥，張俊豪，彭曉軍

（1.廣東省特種設(shè)備檢測研究院 珠海檢測院，廣東 珠海 519002；2.珠海市安粵科技有限公司，廣東 珠海 519000；3.華南理工大學(xué)，廣州 510641）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，電梯已成為人們?nèi)粘３鲂胁豢苫蛉钡拇怪苯煌üぞ?。曳引輪是為曳引垂直電梯上下行提供?qū)動(dòng)力的重要部件，作為電梯曳引系統(tǒng)的重要組成部分，曳引輪的輪槽缺陷將直接影響到電梯曳引力，降低電梯安全性能[1]。常見曳引輪缺陷主要包括輪槽磨損、材料缺失、裂紋等，其中輪槽磨損為曳引輪報(bào)廢的主要原因。曳引輪輪槽磨損到一定程度將導(dǎo)致電梯運(yùn)行時(shí)轎廂周期性振動(dòng)，若振動(dòng)頻率處于人體敏感范圍將影響乘梯舒適感[2-3]，較嚴(yán)重的輪槽缺陷會(huì)導(dǎo)致“過曳引”或曳引力不足，電梯無法滿足空載曳引檢查試驗(yàn)或下行制動(dòng)工況曳引檢查試驗(yàn)，易發(fā)生沖頂、蹲底等失速事故[4-5]。關(guān)于曳引輪的輪槽尺寸要求和曳引輪缺陷檢驗(yàn)，相關(guān)電梯國家標(biāo)準(zhǔn)和特種設(shè)備安全技術(shù)規(guī)范都做了相關(guān)定性或定量要求[6]，其中TSG T7001—2009《電梯監(jiān)督檢驗(yàn)和定期檢驗(yàn)規(guī)則——曳引與強(qiáng)制驅(qū)動(dòng)電梯》規(guī)定，曳引輪輪槽不得有缺損或不正常磨損；如果輪槽的磨損可能影響曳引能力時(shí)，應(yīng)進(jìn)行曳引能力驗(yàn)證試驗(yàn)，并綜合試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證磨損是否影響曳引能力[7]。

目前主要通過目視方法進(jìn)行輪槽缺陷評(píng)估，例如可通過觀察鋼絲繩高低差、輪槽表面粗糙度等方式對(duì)缺陷進(jìn)行定性判斷，該方法無法實(shí)現(xiàn)定量評(píng)估和數(shù)據(jù)追溯。近年來電梯從業(yè)人員也研究出多種新型定量檢測方法和檢測裝置[8]。輪槽磨損深度檢驗(yàn)尺可以實(shí)現(xiàn)輪槽磨損深度的定量比較，該方法成本低廉，針對(duì)不同輪槽通用性好，但屬于局部測試法，不便于進(jìn)行曳引輪各部位輪槽狀況全方位檢測[9]。利用點(diǎn)激光位移原理配合固定夾持機(jī)構(gòu)，通過數(shù)據(jù)擬合算法可實(shí)現(xiàn)曳引輪部分截面不同輪槽的節(jié)圓尺寸、槽底擬合圓直徑、輪槽角度、輪槽切口角度、切口寬度等尺寸的綜合檢測，然而對(duì)于永磁同步電動(dòng)機(jī)曳引輪，在線檢測時(shí)傳感器裝夾不便，導(dǎo)致該方法具有一定的應(yīng)用局限性[10-11]。本文針對(duì)現(xiàn)有輪槽檢驗(yàn)檢測方法的不足，基于結(jié)構(gòu)光視覺測量原理，采用線激光位移傳感器對(duì)不同部位曳引輪輪槽尺寸進(jìn)行在線采集，通過曳引輪三維尺寸重建可實(shí)現(xiàn)輪槽缺陷的全方位定量檢測，該方法具有測試效率高、檢測過程非接觸、檢測精度高、測量數(shù)據(jù)全面、結(jié)果更直觀等技術(shù)優(yōu)勢。

1 三維重建原理

1.1 輪槽輪廓提取

線結(jié)構(gòu)光尺寸檢測技術(shù)是近年來伴隨光電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的新型視覺測量技術(shù)，具有測量精度高、實(shí)時(shí)性好、非接觸檢測等特點(diǎn)，在工業(yè)產(chǎn)品缺陷檢測、逆向工程、視覺定位等方面得到越來越多的應(yīng)用[12]。該技術(shù)通過向被測物體表面投射線激光并用攝像機(jī)拍攝，得到包括線激光輪廓在內(nèi)的待測物表面輪廓照片，通過數(shù)字圖像處理得到激光輪廓線數(shù)據(jù)，再根據(jù)包括相機(jī)、激光束發(fā)射方向間相對(duì)幾何關(guān)系等測試系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行后續(xù)數(shù)學(xué)運(yùn)算，最終得到被測物表面相對(duì)高低差信息沿激光線方向的分布數(shù)據(jù)。

采用LMI公司的Gocator系列線激光位移傳感器對(duì)輪槽截面尺寸進(jìn)行提取，傳感器型號(hào)為Gocator2430，檢測范圍及測量坐標(biāo)系如圖1所示。線激光束采用扇形發(fā)射方式，傳感器有效檢測區(qū)域呈梯形分布，該區(qū)域與激光光源之間的距離為75～155 mm，傳感器可檢測最大高度差為80 mm，寬度方向最大檢測距離范圍為47～85 mm。為提高測試精度，測試時(shí)使線激光發(fā)射面垂直輪槽表面并經(jīng)過曳引輪軸線，使所測輪廓為徑向輪廓。如圖1所示，當(dāng)曳引輪輪槽徑向輪廓全部位于線激光位移傳感器有效檢測范圍內(nèi)時(shí)，一次成像可對(duì)該截面所有的輪槽輪廓尺寸進(jìn)行提取。梯形檢測范圍中位線的中點(diǎn)為傳感器測量坐標(biāo)系的原點(diǎn)，目標(biāo)物體有效被測輪廓位于梯形4個(gè)頂點(diǎn)坐標(biāo)之間的區(qū)域內(nèi)。

圖1 線激光位移傳感器檢測范圍及測量坐標(biāo)系

1.2 坐標(biāo)變換

由于線激光位移傳感器輸出的曳引輪輪廓數(shù)據(jù)基于傳感器自身測量坐標(biāo)系，為便于數(shù)據(jù)分析，在進(jìn)行三維重建前需將其轉(zhuǎn)換為曳引輪截面坐標(biāo)系數(shù)據(jù)。曳引輪截面坐標(biāo)系如圖2所示，以曳引輪中心軸線的中點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，曳引輪軸向?yàn)闄M軸，徑向?yàn)榭v軸。曳引輪截面坐標(biāo)系和線激光位移傳感器測量坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換關(guān)系為

圖2 曳引輪截面坐標(biāo)系示意圖

式中：[X,Y]為曳引輪截面坐標(biāo)系坐標(biāo)值；[x, y]為對(duì)應(yīng)的線激光位移傳感器測量坐標(biāo)系坐標(biāo)值；D為曳引輪外圓直徑；h為曳引輪外圓輪廓線在傳感器測量坐標(biāo)系中的縱軸坐標(biāo)值；c為曳引輪截面坐標(biāo)系原點(diǎn)在傳感器測量坐標(biāo)系中的橫坐標(biāo)值。

1.3 三維重建

由于曳引輪為回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)，根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立柱坐標(biāo)三維幾何模型，坐標(biāo)點(diǎn)表示方式為（θ, X, Y），該坐標(biāo)系實(shí)際為曳引輪截面坐標(biāo)系在曳引輪周向不同角度處的擴(kuò)展。θ為曳引輪截面所在周向角度，指示輪槽截面位置，X和Y為曳引輪截面坐標(biāo)系坐標(biāo)值，其中X為軸向位置，Y為輪槽表面點(diǎn)的徑向高度。通過MATLAB軟件進(jìn)行曳引輪三維模型計(jì)算機(jī)繪圖。繪圖前利用角度系列數(shù)據(jù)θ和軸向位置系列數(shù)據(jù)X通過meshgrid函數(shù)生成三維坐標(biāo)網(wǎng)格采樣點(diǎn)矩陣[XX, ZZ]：

為便于三維展示，通過plo2cart函數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)變換，將柱坐標(biāo)系坐標(biāo)值（XX,Y,ZZ）轉(zhuǎn)換成笛卡爾直角坐標(biāo)系坐標(biāo)值[X′, Y′, Z′]：

通過mesh三維繪圖函數(shù)對(duì)轉(zhuǎn)換后的曳引輪直角坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行三維重建繪圖：

根據(jù)對(duì)曳引輪不同部位實(shí)際檢測需求，可通過view函數(shù)設(shè)置三維模型查閱的笛卡爾坐標(biāo)視圖角度：

式中：AZ為水平方位角；EL為垂直高程，均為角度值。

2 檢測實(shí)例

采用Gocator2430線激光位移傳感器對(duì)一曳引垂直乘客電梯的永磁同步電動(dòng)機(jī)曳引輪進(jìn)行三維重建和缺陷檢測。該曳引輪輪槽類型為常用的帶切口半圓形槽，共包括5個(gè)輪槽，曳引輪外圓直徑為φ400 mm，激光位移傳感器的圖像采集觸發(fā)率為每秒505幀。曳引輪輪槽缺陷檢測過程如圖3所示。測試時(shí)，打開傳感器電源和測試系統(tǒng)軟件，調(diào)節(jié)激光位移傳感器位置和激光發(fā)射角度，使激光發(fā)射方向垂直曳引輪輪槽表面且使所有輪槽位于線激光掃查區(qū)域內(nèi)，如圖3（a）所示。檢測裝置控制系統(tǒng)如圖3（b）所示，包括控制箱和安裝有數(shù)據(jù)采集分析軟件的計(jì)算機(jī)，檢測時(shí)通過電梯控制柜控制曳引機(jī)低速運(yùn)行，控制系統(tǒng)控制高速相機(jī)拍攝曳引輪旋轉(zhuǎn)一周過程中多張激光位移輪廓照片，對(duì)各張照片進(jìn)行數(shù)字圖像處理，得到多組輪槽輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)變換和三維重建，生成三維幾何模型。

圖3 曳引輪輪槽缺陷檢測過程

3 結(jié)果分析

傳感器得到曳引輪一圈共634組不同位置處輪槽輪廓曲線，其中0°、90°、180°、270°共4個(gè)典型位置處的輪廓曲線如圖4所示。可知，與鋼絲繩接觸的輪槽輪廓線已經(jīng)被很好的檢測出，尤其是位于中間的輪槽，其輪廓線更為完整。由于位移傳感器線激光束呈扇形發(fā)射，邊緣輪槽切口的內(nèi)側(cè)面未被激光完全照射，該部分輪廓為檢測死區(qū)，但由于該區(qū)域?yàn)榉枪ぷ鞅砻妫摍z測死區(qū)對(duì)缺陷分析結(jié)果無顯著影響。輪槽輪廓曲線數(shù)據(jù)經(jīng)直線擬合和圓方程擬合等處理，可計(jì)算出輪槽槽底擬合圓高度、輪槽切口角度等參數(shù)，從而可對(duì)不同位置輪槽的不均勻磨損程度進(jìn)行定量分析[11,13]。

圖4 不同位置處曳引輪槽輪廓曲線

根據(jù)式（1）坐標(biāo)變換算法，本次測試時(shí)系數(shù)c為-1.82 mm，h為-15.62 mm，對(duì)各個(gè)輪槽截面數(shù)據(jù)經(jīng)坐標(biāo)變換后得到的曳引輪截面坐標(biāo)系數(shù)據(jù)進(jìn)行繪圖，得到輪槽徑向高低尺寸周向展開圖，如圖5所示，橫軸為曳引輪軸向尺寸，縱軸為輪廓所在角度位置。通過軸向展開圖中不同顏色指示，可對(duì)不同位置處各個(gè)輪槽的高度差進(jìn)行直觀判斷，有利于缺陷識(shí)別、缺陷幾何尺寸分析和缺陷定位。例如，若輪槽出現(xiàn)局部材料剝離，則剝離區(qū)顏色和周圍顏色將有明顯區(qū)別，若某個(gè)輪槽由于磨損導(dǎo)致節(jié)圓呈橢圓狀，則該輪槽槽口部位沿縱軸方向?qū)l(fā)生顏色漸變，若某個(gè)輪槽相對(duì)于其他輪槽發(fā)生不均勻磨損并導(dǎo)致輪槽節(jié)圓直徑變小，則圖中該輪槽在360°范圍內(nèi)的顏色都與其余輪槽存在明顯顏色差。圖5中第5個(gè)輪槽槽底出現(xiàn)未被傳感器檢測到的線狀缺陷，可能為曳引輪出廠時(shí)切口底部存在的加工缺陷。

圖5 輪槽徑向高低尺寸周向展開圖

通過式（2）、式（3）和式（4）建立曳引輪三維重建模型，如圖6所示，其中圖6（a）為一般視圖，其水平方位角AZ為80°，垂直高程EL為-15°，圖6（b）為曳引輪徑向投影視圖，該視圖對(duì)應(yīng)的水平方位角和高程均為90°。在分析軟件界面中通過輸入不同的方位角和高程可對(duì)曳引輪輪槽不同位置缺陷狀況進(jìn)行直觀查看。

圖6 曳引輪三維重建模型

4 結(jié)論

曳引輪缺陷檢測是電梯檢驗(yàn)過程中的重要環(huán)節(jié)，通過結(jié)構(gòu)光激光視覺尺寸測量技術(shù)，利用線激光位移傳感器可對(duì)曳引輪輪槽輪廓數(shù)據(jù)進(jìn)行快速準(zhǔn)確提取，據(jù)此可對(duì)輪槽特征幾何參數(shù)進(jìn)行定量分析。通過采集曳引輪旋轉(zhuǎn)一周內(nèi)多個(gè)輪槽輪廓數(shù)據(jù)，經(jīng)坐標(biāo)變換和三維重建，可繪制出輪槽徑向高低尺寸周向展開圖和曳引輪三維模型圖，通過展開圖中色差分析和不同觀察視角下三維模型分析，可對(duì)曳引輪輪槽缺陷類型、缺陷位置進(jìn)行快速判斷。相對(duì)于傳統(tǒng)輪槽檢測方法，基于結(jié)構(gòu)光的曳引輪三維重建式缺陷檢測方法具有測試精度高、測試過程非接觸、數(shù)據(jù)全面、結(jié)果直觀等優(yōu)勢。