基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測裝置

牛偉鋒， 宗亮亮， 吳豐， 涂世宇， 艾凌云， 胡文彬， 甘維兵

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

0 引言

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

根據《煤礦安全規程》和GB 50213—2010《煤礦井巷工程質量驗收規范》，在煤礦罐道檢測中，2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯位值及單根罐道的磨損量可反映罐道局部形變情況，且要求精度達毫米級。然而傳統的罐道形變檢測方法是使用鋼尺測量，精度較低，操作復雜[7]。為了提高檢測效率，許多學者提出罐道形變自動化檢測方法。蔣玉強等[8]使用加速度計測量罐籠運行過程中的沖擊振動加速度，使用傾角傳感器測量罐籠的偏轉角度，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]設計了罐道間距及接頭檢測系統，通過超聲波位移傳感器實時記錄罐籠位置信息，通過激光測距傳感器測量罐道縫隙寬度及錯位值，但存在操作復雜、受環境影響較大的缺點。

二維激光掃描技術是非接觸式測量技術[10-11]，激光器發射出激光，經過柱面物鏡分散成間距固定的激光散點，通過捕捉激光散點在被測對象表面的漫反射光信號即可得到二維激光掃描儀與被測對象之間的距離，生成被測對象表面二維輪廓數據[12-15]。本文將二維激光掃描儀應用于煤礦罐道形變檢測，結合上位機軟件對罐道掃描數據進行處理，獲得2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯位值及單根罐道的磨損量，同時準確定位磨損位置，具有測量精度高、操作簡便、結構簡單的特點。

1 裝置總體設計

基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測裝置結構如圖1所示。支撐臂一端固定在罐籠頂板上，另一端通過彈簧給滑輪施加預緊力，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射的激光；供電模塊、控制器、二維激光掃描儀、上位機均封裝在防爆箱中。

圖1 基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測裝置結構

為平衡測量精度與數據量的關系，選用LJ-V7200型二維激光掃描儀。每一條激光掃描線有若干個激光散點，每個激光散點的間距為0.3 mm，滿足罐道錯位的毫米級測量精度要求；激光散點間距乘以散點個數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的測量要求。

基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測裝置工作原理如圖2所示。提升機牽引罐籠沿罐道上下線性運動，由于滑輪與罐道緊密相連，在摩擦力的作用下滑輪轉動，同時帶動里程編碼器旋轉；里程編碼器旋轉后產生觸發信號傳輸給控制器，控制器每次接收到觸發信號便啟動二維激光掃描儀；二維激光掃描儀發射激光投射在罐道上，在罐籠線性運動時對罐道進行掃描，投射在罐道表面的激光發生漫反射后，被二維激光掃描儀接收，得到罐道掃描數據(二維激光掃描儀與罐道之間的距離)；罐道掃描數據傳輸至控制器，上位機調用控制器中的掃描數據并進行處理，計算2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯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裝置工作原理

2 上位機軟件設計

利用Visual Studio平臺，采用C#語言開發上位機軟件，其流程如圖3所示。建立二維激光掃描儀、控制器與上位機之間的連接；將二維激光掃描儀設置為掃描狀態，隨著罐籠的運行，二維激光掃描儀便可對罐道進行掃描；掃描過程中在線繪制輪廓圖，將掃描數據存入硬盤，將計算結果存入數據庫；當掃描結束后，斷開設備之間的連接，從數據庫中提取數據生成報表，并離線繪制三維模型。

圖3 上位機軟件流程

通過上位機軟件內置的數據處理算法對罐道掃描數據進行處理，從而計算2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯位值及單根罐道的磨損量。

(1) 縫隙寬度計算。將罐道掃描數據中全零行的行數乘以里程編碼器的觸發間距，可得2根罐道之間縫隙寬度。

(2) 錯位值計算。二維激光掃描儀對罐道的掃描方位如圖4所示(以沿罐道面水平方向為X方向，與罐道面垂直方向為Y方向)。利用罐道掃描數據計算得到2根罐道之間X方向錯位的列數后，乘以激光散點間距，可得X方向錯位值x；將罐道掃描數據中的全零行看作縫隙數據，非零行看作罐道數據，取縫隙數據上方第1行罐道數據正中心的值和縫隙數據下方第1行罐道數據正中心的值相減，可得Y方向錯位值y。

圖4 罐道掃描方位

(3) 磨損量計算。為準確定位磨損具體位置，需要知道單根罐道長度，將罐道掃描數據中連續非零行的行數乘以里程編碼器的觸發間距，即可得到單根罐道長度。將罐道左右兩側邊緣若干列數據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，因此取罐道數據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 實驗驗證

為測試基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測裝置精度，搭建實驗平臺，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。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。設置2根鋼軌之間的縫隙為6 cm，X方向錯位值為6 cm，Y方向錯位值為4.5 cm，在2根鋼軌的兩端做標記線，距離縫隙處均為20 cm。實驗開始前，使激光掃描線在標記線1處，實驗開始后，移動二維激光掃描儀，使激光掃描線移動到標記線2處。

圖5 實驗平臺

上位機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

經過4次實驗得到的2根罐道之間的縫隙寬度、各方向錯位值見表1。可看出X方向錯位值絕對誤差不大于0.13 mm，相對誤差不大于2.9%；Y方向錯位值絕對誤差不大于0.03 mm，相對誤差不大于0.5%；縫隙寬度絕對誤差不大于0.6 mm，相對誤差不大于10%；測量精度均達到毫米級，滿足罐道形變測量要求。

表1 罐道之間的縫隙寬度、錯位值測量結果

4 結語

提出了一種基于二維激光掃描儀的煤礦罐道形變檢測裝置。通過固定在罐籠上的二維激光掃描儀對罐道進行掃描，利用上位機軟件對二維激光掃描儀獲取的數據進行處理，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精度和可行性，也可應用于高鐵軌道、地面斷層檢測等領域。