基于結構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，廣州 510641）

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，電梯已成為人們日常出行不可或缺的垂直交通工具。曳引輪是為曳引垂直電梯上下行提供驅動力的重要部件，作為電梯曳引系統的重要組成部分，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廢的主要原因。曳引輪輪槽磨損到一定程度將導致電梯運行時轎廂周期性振動，若振動頻率處于人體敏感范圍將影響乘梯舒適感[2-3]，較嚴重的輪槽缺陷會導致“過曳引”或曳引力不足，電梯無法滿足空載曳引檢查試驗或下行制動工況曳引檢查試驗，易發生沖頂、蹲底等失速事故[4-5]。關于曳引輪的輪槽尺寸要求和曳引輪缺陷檢驗，相關電梯國家標準和特種設備安全技術規范都做了相關定性或定量要求[6]，其中TSG T7001—2009《電梯監督檢驗和定期檢驗規則——曳引與強制驅動電梯》規定，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，應進行曳引能力驗證試驗，并綜合試驗結果驗證磨損是否影響曳引能力[7]。

目前主要通過目視方法進行輪槽缺陷評估，例如可通過觀察鋼絲繩高低差、輪槽表面粗糙度等方式對缺陷進行定性判斷，該方法無法實現定量評估和數據追溯。近年來電梯從業人員也研究出多種新型定量檢測方法和檢測裝置[8]。輪槽磨損深度檢驗尺可以實現輪槽磨損深度的定量比較，該方法成本低廉，針對不同輪槽通用性好，但屬于局部測試法，不便于進行曳引輪各部位輪槽狀況全方位檢測[9]。利用點激光位移原理配合固定夾持機構，通過數據擬合算法可實現曳引輪部分截面不同輪槽的節圓尺寸、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，然而對于永磁同步電動機曳引輪，在線檢測時傳感器裝夾不便，導致該方法具有一定的應用局限性[10-11]。本文針對現有輪槽檢驗檢測方法的不足，基于結構光視覺測量原理，采用線激光位移傳感器對不同部位曳引輪輪槽尺寸進行在線采集，通過曳引輪三維尺寸重建可實現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、測量數據全面、結果更直觀等技術優勢。

1 三維重建原理

1.1 輪槽輪廓提取

線結構光尺寸檢測技術是近年來伴隨光電子技術和計算機圖像處理技術發展起來的新型視覺測量技術，具有測量精度高、實時性好、非接觸檢測等特點，在工業產品缺陷檢測、逆向工程、視覺定位等方面得到越來越多的應用[12]。該技術通過向被測物體表面投射線激光并用攝像機拍攝，得到包括線激光輪廓在內的待測物表面輪廓照片，通過數字圖像處理得到激光輪廓線數據，再根據包括相機、激光束發射方向間相對幾何關系等測試系統參數進行后續數學運算，最終得到被測物表面相對高低差信息沿激光線方向的分布數據。

采用LMI公司的Gocator系列線激光位移傳感器對輪槽截面尺寸進行提取，傳感器型號為Gocator2430，檢測范圍及測量坐標系如圖1所示。線激光束采用扇形發射方式，傳感器有效檢測區域呈梯形分布，該區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，測試時使線激光發射面垂直輪槽表面并經過曳引輪軸線，使所測輪廓為徑向輪廓。如圖1所示，當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時，一次成像可對該截面所有的輪槽輪廓尺寸進行提取。梯形檢測范圍中位線的中點為傳感器測量坐標系的原點，目標物體有效被測輪廓位于梯形4個頂點坐標之間的區域內。

圖1 線激光位移傳感器檢測范圍及測量坐標系

1.2 坐標變換

由于線激光位移傳感器輸出的曳引輪輪廓數據基于傳感器自身測量坐標系，為便于數據分析，在進行三維重建前需將其轉換為曳引輪截面坐標系數據。曳引輪截面坐標系如圖2所示，以曳引輪中心軸線的中點為坐標原點，曳引輪軸向為橫軸，徑向為縱軸。曳引輪截面坐標系和線激光位移傳感器測量坐標系轉換關系為

圖2 曳引輪截面坐標系示意圖

式中：[X,Y]為曳引輪截面坐標系坐標值；[x, y]為對應的線激光位移傳感器測量坐標系坐標值；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系中的縱軸坐標值；c為曳引輪截面坐標系原點在傳感器測量坐標系中的橫坐標值。

1.3 三維重建

由于曳引輪為回轉體結構，根據其結構特點，建立柱坐標三維幾何模型，坐標點表示方式為（θ, X, Y），該坐標系實際為曳引輪截面坐標系在曳引輪周向不同角度處的擴展。θ為曳引輪截面所在周向角度，指示輪槽截面位置，X和Y為曳引輪截面坐標系坐標值，其中X為軸向位置，Y為輪槽表面點的徑向高度。通過MATLAB軟件進行曳引輪三維模型計算機繪圖。繪圖前利用角度系列數據θ和軸向位置系列數據X通過meshgrid函數生成三維坐標網格采樣點矩陣[XX, ZZ]：

為便于三維展示，通過plo2cart函數進行坐標變換，將柱坐標系坐標值（XX,Y,ZZ）轉換成笛卡爾直角坐標系坐標值[X′, Y′, Z′]：

通過mesh三維繪圖函數對轉換后的曳引輪直角坐標系數據進行三維重建繪圖：

根據對曳引輪不同部位實際檢測需求，可通過view函數設置三維模型查閱的笛卡爾坐標視圖角度：

式中：AZ為水平方位角；EL為垂直高程，均為角度值。

2 檢測實例

采用Gocator2430線激光位移傳感器對一曳引垂直乘客電梯的永磁同步電動機曳引輪進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，打開傳感器電源和測試系統軟件，調節激光位移傳感器位置和激光發射角度，使激光發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域內，如圖3（a）所示。檢測裝置控制系統如圖3（b）所示，包括控制箱和安裝有數據采集分析軟件的計算機，檢測時通過電梯控制柜控制曳引機低速運行，控制系統控制高速相機拍攝曳引輪旋轉一周過程中多張激光位移輪廓照片，對各張照片進行數字圖像處理，得到多組輪槽輪廓數據，經坐標變換和三維重建，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射，邊緣輪槽切口的內側面未被激光完全照射，該部分輪廓為檢測死區，但由于該區域為非工作表面，該檢測死區對缺陷分析結果無顯著影響。輪槽輪廓曲線數據經直線擬合和圓方程擬合等處理，可計算出輪槽槽底擬合圓高度、輪槽切口角度等參數，從而可對不同位置輪槽的不均勻磨損程度進行定量分析[11,13]。

圖4 不同位置處曳引輪槽輪廓曲線

根據式（1）坐標變換算法，本次測試時系數c為-1.82 mm，h為-15.62 mm，對各個輪槽截面數據經坐標變換后得到的曳引輪截面坐標系數據進行繪圖，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，可對不同位置處各個輪槽的高度差進行直觀判斷，有利于缺陷識別、缺陷幾何尺寸分析和缺陷定位。例如，若輪槽出現局部材料剝離，則剝離區顏色和周圍顏色將有明顯區別，若某個輪槽由于磨損導致節圓呈橢圓狀，則該輪槽槽口部位沿縱軸方向將發生顏色漸變，若某個輪槽相對于其他輪槽發生不均勻磨損并導致輪槽節圓直徑變小，則圖中該輪槽在360°范圍內的顏色都與其余輪槽存在明顯顏色差。圖5中第5個輪槽槽底出現未被傳感器檢測到的線狀缺陷，可能為曳引輪出廠時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，該視圖對應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曳引輪輪槽不同位置缺陷狀況進行直觀查看。

圖6 曳引輪三維重建模型

4 結論

曳引輪缺陷檢測是電梯檢驗過程中的重要環節，通過結構光激光視覺尺寸測量技術，利用線激光位移傳感器可對曳引輪輪槽輪廓數據進行快速準確提取，據此可對輪槽特征幾何參數進行定量分析。通過采集曳引輪旋轉一周內多個輪槽輪廓數據，經坐標變換和三維重建，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，可對曳引輪輪槽缺陷類型、缺陷位置進行快速判斷。相對于傳統輪槽檢測方法，基于結構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、數據全面、結果直觀等優勢。