（常州大学 机械工程学院，常州 213000）

0 引言

包覆型电梯补偿链是一种在电焊锚链上包裹PVC或橡胶材料的链条，它具有弹性好、强度高、寿命长、使电梯运行平稳可靠等优点，被广泛应用于高层电梯[1]。补偿链在生产过程中经过盘绕整齐冷定型后，在出厂前需要根据客户要求的长度进行剪断并装箱[2]。目前，电梯补偿链的长度测量方式有人工测量和机械测量。由于补偿链单位重量达到5.95kg/m，人工测量的速度很慢，仅有0.2m/s，劳动强度大、效率低下。而机械测量采用机械式计米器[3]，此计米器[4]不能很好地控制由于补偿链和同步带之间的相对滑动而产生的误差，使得测量误差达到±1%甚至更多，测量精度较低，严重影响了产品的质量。因此迫切需要研制一种高精度的电梯补偿链自动化测长装置。

1 机械系统设计

1.1 整体结构设计

图1 自动化测长装置总装配图

自动化测长装置基本的组成是4个齿形、齿数均相同的圆弧齿同步带轮和2条同步带，3对小的圆弧齿同步带轮均匀分布在大同步带轮之间，增加补偿链和同步带之间的接触面积，减小两者发生相对滑动的可能性[5]。上同步带、2个大压紧轮、3个小压紧轮和活动块组成了压紧机构。气压缸可以为压紧补偿链提供足够且稳定的正压力，也可以沿着光轴提升压紧机构，为调整补偿链位置提供空间。主计量轮、从动计量轮、3个小压紧轮、下同步带和伺服电机通过滑块安装在直线导轨上，构成精确测长机构。伺服电机与主计量轮相连，可根据测长装置的运行状态由PLC实时调整输出转矩。利用SolidWorks绘制的自动化测长装置的三维模型设计如图1所示。SolidWorks软件技术的使用极大地提高了机械零部件的质量标准，并且简化了机械零部件的生产工艺[6]。

1.2 精确测长机构

图2 精确测长机构的移动示意图

精确测长机构是自动化测长装置的核心机构，不仅能起到测量补偿链长度的作用，而且能对测量误差进行补偿，提高测量精度。压紧机构将补偿链压紧后，伺服电机采用转矩控制方式运行，输出转矩TM为0.28N·m。伺服电机驱动主计量轮，使下同步带与补偿链有发生相对滑动的趋势，在两者之间产生的相对摩擦力fb比这两者之间的滑动摩擦力fd略微小一点，下同步带和补偿链仍处于静止状态。但此时只需要施加很小的一点外力就可以使下同步带运动了。所以一旦补偿链受到牵引机的牵引就会带动下同步带运动。在保持伺服电机输出转矩TM不变的情况下，补偿链和下同步带处于相对静止状态，以相同的线速度运动。

由于包塑型补偿链链环与链环之间存在凹凸不平，这会导致补偿链与同步带之间的动摩擦力fd产生波动。在通过主计量轮时极易补偿链打滑（滑动摩擦力fd突然减小）或者暂时被卡住（滑动摩擦力fd突然增大），发生这些情况时，精确测长机构（即滑块）会沿着直线导轨移动。精确测长机构的移动情况如图2所示。当补偿链打滑时，滑块会沿着导轨向前移动。PLC通过线性位移传感器检测到滑块向前移动后随即加大伺服电机的输出转矩，即增大相对摩擦力fb，使滑块停止向前移动并重新回到它的初始位置。而当补偿链被暂时卡住时，滑块会向后移动，此时PLC会相应地减小伺服电机的输出转矩。伺服电机输出转矩TM的自动调整值如表1所示。用精确测长机构的移动补偿补偿链打滑或者突然卡住时所造成的测量误差，最终可以通过主计量轮转过的圈数计算出下同步带运动的距离并配合相应的补偿算法得出被牵引的补偿链的长度，提高了测长装置的测量精度。

2 控制系统设计

根据自动化测长装置的工作要求和工作原理，选用三菱PLC作为控制系统的控制器[7]，确定I/O点数，对控制系统硬件和软件进行设计[8]。

2.1 硬件设计

控制系统的硬件包括PLC基本单元及其扩展模块、伺服电机及其驱动器、触摸屏、线性位移传感器、编码器和两位五通电磁阀等。图3为控制系统硬件设计框图。

图3 控制系统硬件设计

控制系统以三菱PLC基本单元FX3U-32MR为控制核心，扩展了一个模数转换模块FX3U-4AD和一个数模转换模块FX2N-4DA。编码器选用欧姆龙的E6B2系列，分辨率为2000P/R，与主计量轮相连。FX3U-32MR内置的高速计数器将读出编码器输出的脉冲数，配合引入的补偿系数C计算出补偿链长度。线性位移传感器可以检测出精确测长机构前后移动的距离，FX3U-4AD将线性位移传感器输出的模拟量电压信号转换成数字量信号传送给PLC基本单元。PLC基本单元自动调整输出，将数字量信号通过FX2N-4DA转换成模拟量电压信号传送给伺服驱动器，从而控制伺服电机的输出转矩。图4为样机控制系统图。

控制系统采用“PLC+触摸屏”的控制形式，按键和参数设置均通过触摸屏实现，这有效减少了硬件按键的使用。在触摸屏上显示自动化测长装置实时的运行状态，实现操控—监视的一体化。图5为触摸屏的监控界面。

表1 伺服电机输出转矩自动调整

图4 样机控制系统图

图5 触摸屏监控界面

2.2 软件设计

根据自动化测长装置的工作流程图如图6所示，对控制系统的控制程序进行设计、编写。

图6 工作流程图

首先设定要测量的补偿链长度，人工控制气压缸的上升与下降，调整补偿链的摆放位置。将链条压紧后开始测量，启动伺服电机和牵引电机。在测量过程中，PLC根据精确测长机构的位移实时调整伺服电机的输出转矩，使其重新回到初始位置。当到达设定的长度后，电机停止，完成测量。

程序在GX-WORKS2编程环境下，以梯形图方法在PC机上进行编制，经调试编辑后下载到PLC之中。

3 样机调试与实验

按照设计图纸制造出相关零部件，进行组装调整，并对其进行实验。样机如图7所示。

图7 样机示意图

实验采用包塑型补偿链，链条链径为5mm，长度为30.1m。按照主计量轮是否有伺服电机驱动将实验分为2个组，A组为没有伺服电机驱动，B组为有伺服电机驱动。每组分别给定5个不同的运行速度进行实验，这5个速度分别为0.25m/s、0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s和0.6m/s，对每个给定的运行速度进行8次实验。气压缸的输出压力P为0.14MPa。进行A组实验时，需要将精确测长机构固定。而进行B组实验时，按要求设定伺服电机的输出转矩。将2组实验每个给定速度的测量结果平均值记入表2和表3中。根据表2和表3的数据分别绘制2组实验的误差变化曲线图和标准差变化曲线图，如图8和图9所示。

图8 2组实验不同速度下的误差平均值

表2 A组实验在不同速度下的测量结果平均值

表3 B组实验在不同速度下测量结果平均值

图9 2组实验不同速度下的标准差

由图8和图9可知，B组实验中每个给定运行速度下的误差平均值的绝对值和标准差均大大小于A组，这说明主计量轮有伺服电机驱动时的测量结果更加精确和稳定。当样机的运行速度为0.5m/s时，测量平均误差为0.003%，标准差为0.077%，测量结果精度最高也最稳定，达到设计要求。

4 结论

电梯平衡链自动化测长装置采用精确测长机构，解决了测量过程中补偿链与同步带之间由于相对滑动而产生较大测量误差的问题；控制系统基于PLC，具有响应迅速、可靠性高、易于实现的特点；实验结果表明，主计量轮有伺服电机驱动时的测量结果更加精确和稳定；自动化测长装置在运行速度为0.5m/s时的测量效果最好，测量误差被控制在±0.1%以内，测量速度是人工测量的2倍多，具有较高的自动化水平，使劳动强度显著降低，极大地提高了企业的生产效率。

[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,王会生,卫兵.线缆计米器的检定方法及测量不确定度分析[J].合肥工业大学学报(自然科学版),2005,28(8):873-875.

[4]黄万呈.一种机械式计米器:中国,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对机械零件结构的设计与应用[J].制造业自动化,2011,34(2):135-137.

[7]郁汉琪.电气控制与可编程序控制器应用技术[M].2版.南京:东南大学出版社,2009.

[8]张小云,陈关龙,张延松,张旭强.伺服焊枪点焊PLC控制系统设计[J].焊接学报,2006,27(7):1-4.