电梯自动门装配用绳索张力计的设计方法

潜在的易于使用的设备可以很快投入生产。

作者：Anup Balharpure 和 Rohit Nehe

本文首次在第 11 届电梯和自动扶梯技术研讨会上发表（Liftsymposium.org).

关键词： 绳索张力，称重传感器，升降自动门，自动门操作器

目前的工作展示了专门用于测量电梯门组件的绳索张力的绳索张力计的低成本开源设计。 这种易于使用、经济且方便的装置的潜在用途可能是在门操作器生产工厂和用于测量绳索张力的安装现场。

绳索张力计由传感器单元和配备信号调理电路、数字化电路、微控制器和交互式显示器的嵌入式系统组成。 传感器单元的设计使得称重传感器安装在定制设计的机械结构上。 传感器单元可以使用附带的手动螺钉夹在绳索上。 在测量绳索张力时，夹在绳索上的传感器单元提供与施加在称重传感器上的负载成比例的模拟输出信号。 称重传感器的模拟输出信号通过信号调理和数字化电路馈入微控制器，并根据所需的负载单位在屏幕上显示相应的负载值。 为了评估绳索张力计是否正常工作，我们对自动门操作装置进行了测试。 在该测试中，绳索张力计显示出对张力的任何变化的比例响应，并且其结果具有很高的可重复性。 为了以牛顿 (N) 为单位针对绳索张力校准绳索张力计信号，进行了校准测试。

本文件中描述的研究试图填补有关用于测量电梯自动门组件绳索张力的绳索张力计开发的文献中的空白。 电梯制造和服务公司可以利用所讨论的设计和程序来开发用于工厂或现场使用的便携式低成本绳索张力计工具。

导语

电梯自动门总成是电梯的主要部件之一。 典型的电梯自动门机构由轿厢门组件和层站门组件组成。 在电梯门机构中，轿门总成是主动驱动部件，而层门总成是被动驱动部件，即轿门通过驱动器和电机进行动力操作，而层门仅跟随轿门运动通过机械联动。 这种机械系带由安装在轿厢门组件（见图 1-A）上的垂直叶片（或一对叶片，取决于门的类型）和安装在平台上的一对滚轮组成门互锁。 在开门和关门操作期间，叶片与层站门锁滚轮接合，导致轿厢门和层站门同时运动。^[1]

图 1-B 显示了门操作器组件的侧视图，不包括联锁机构，该机构通常用于联锁轿厢门和层站门。 一般而言，门操作机构包括门吊架、门板、滑轮、绳索、吊架轨道、门槛槽和门条。 每扇水平推拉门面板都悬挂在衣架上——也称为车厢——并由顶部的衣架轨道和底部的门槛槽引导，如图1-B所示。^[1] 在门操作（打开和关闭运动）过程中，在中心开启机构的情况下，门板沿相反方向移动（有关门和绳索系统类型的更多详细信息可参考参考资料^[1]）。 门板之间的连接是通过两个滑轮的简单绳索系统建立的。 通过保持绳索所需的张力，可以获得门板的平稳运动。 随着时间的推移，由于正常使用过程中的磨损，需要重新调整绳索张力。 为了减少因门板相关问题而导致的故障，对其部件的定期维护和电梯门机构的绳索张力调整很重要。

市场上有各种类型的模拟和数字绳索张力计，但这些测量工具并不是专门为电梯门操作员绳索设计的。 为了调整绳索的张力，许多现场或生产工厂的工程师通过手/感觉来估计绳索张力。 通过感觉来确定绳索张力（用手推/拉绳索）与其说是一种习得的技能，不如说是一种艺术形式^[2] 并且不是一个准确的方法，因为绳索的张力因人而异。 为了解决这个问题，目前的工作展示了一种低成本开源设计的绳索张力计，专门用于测量电梯自动门组件的绳索张力。

在本演示中，我们使用现成的组件，例如作为处理单元的低成本开源 Arduino Uno 板，作为信号调节单元的 HX711 模块，以及 Nextion 4.3 英寸。 显示和定制的传感器单元，由机械结构和称重传感器组成。 有关绳索张力计校准及其演示以测量门操作机构绳索张力的更多详细信息，将在后续部分中详细讨论。

绳索张力计设计和实验装置

本文中讨论的绳索张力计的设计使其可以在现场和门操作器制造过程中用作便携式且易于操作的服务工具。 在本节中，将讨论有关绳索张力计设计、称重传感器校准设置、传感器单元校准和电梯自动门操作器测试夹具的详细信息。 

绳索张力计的设计及其工作原理

图 2 显示了本文讨论的绳索张力计的框图。 它由传感器单元、信号调理和数字化单元、处理单元和触摸屏组成。

传感器单元

传感器单元包括一个 LFT-25 微型压缩和拉伸 50 公斤称重传感器，安装在机械结构组件中。 这种定制的传感器单元采用采用应变计技术的桥式传感器。^[3]

传感器单元的设计使得称重传感器安装在定制的机械结构中。 机械结构的主要目的是为称重传感器提供外壳，并将张力从绳索传递到称重传感器。 机械结构由两个轮子、U型槽块、V型支架、联动夹具、挡块和手拧螺丝组成。 图 3 显示了本文设计和讨论的绳索张力计的 CAD 图像。 图 3 中讨论的第一个和第二个轮充当引导轮，确保绳索在传感器单元内的正确放置。 U 型槽块用作横向夹紧元件。 通过使用手拧螺丝，U 形槽块可以移动，以便它可以夹紧绳索，直到 U 形槽块的移动被止动器停止。 U 型槽块、限位器和手拧螺丝的组件安装在联动夹上，便于将绳索张力传递到称重传感器。

以下是描述传感器单元工作的过程，即机械结构组件和测力传感器的工作以测量绳索的张力：

1. 调整绳索和传感器单元，使绳索放置在第一和第二轮的凹槽内。 
2. 一旦将绳索放入传感器单元中，U 型槽夹通过手动螺丝移动，使得 U 型槽紧紧夹住绳索，直到 U 型槽夹的移动被止动器停止。
3. 由于U型槽夹钳夹住绳索，绳索的张力通过联动夹钳传递到称重传感器。
4. 由称重传感器提供的与绳索张力成正比的模拟输出电压被馈送到电子电路以处理并提供所需格式的输出数据。 

信号调理单元

HX711 放大器和 24 位模数转换器 (ADC) 模块用作绳索张力计的信号调节单元。 它基于 Avia Semiconductor 的专利技术，专为秤和工业控制应用而设计，可直接与桥式传感器连接。 它有两个通道，A 和 B，带有内置低噪声可编程增益放大器 (PGA)，通道 A 的可选增益为 64 和 128，通道 B 的恒定增益为 32。^[4] 它成本低，而且很容易在公开市场上买到。 该模块通过两线串行通信以串行格式提供输出。

处理单元

Arduino Uno 是一款开源且易于使用的开发板。 它在演示工作中用作处理单元。 有关该板的更多详细信息，请参阅参考资料。^[5]

触摸屏

Nextion 制造型号 NX4827K043_011R，4.3 英寸。 电阻式触摸屏，^[6] 用作本文中描述的绳索张力计的基于人机触摸的界面。 NX4827K043_011R 显示器非常易于使用并且在市场上有售，并且与绳索张力计的处理单元串行接口。 处理单元处理的输出数据显示在 Nextion make 4.3-in 的定制 GUI 上。 展示。

称重传感器校准设置

图 4 描述了用于研究称重传感器特性的称重传感器校准设置。 该装置由带有水平螺钉的四腿铝挤压结构组成，其构建方式使称重传感器固定在结构的顶部构件之一上。 称重传感器配有一个可以固定多个校准砝码的支架。

为了针对各种已知重量校准称重传感器的响应，进行校准实验。 用于校准实验的自重属于 F1 精度等级，并在印度测试和校准实验室国家认证委员会 (NABL) 认可的实验室中进行校准。 在校准实验期间，称重传感器由来自 HX5 模块的 ~711V 激励提供。 为校准称重传感器，称重传感器支架固定有已知重量，并由处理单元测量和处理模拟输出电压方面的比例响应。 执行校准实验，以便测量各种重量的称重传感器响应，从而产生称重传感器输出（模拟电压信号）与所需单位（N 或 kgf）的重量的查找表数据。 本文档稍后将讨论称重传感器校准实验的结果。

传感器单元校准设置

如前所述，传感器单元由安装在机械结构组件内的称重传感器组成。 传感器单元的结构设计为通过连杆夹将要测量的张力或负载传递到称重传感器 - 不同于前面描述的称重传感器的加载，其中称重传感器直接加载重物而没有任何重量。中间构件减弱加载力。 为了根据所需单位（N 或 kgf）的重量校准传感器单元模拟输出数据，使用图 5 中突出显示的设置执行传感器单元校准实验。

传感器单元校准装置包括由铝挤压件制成的四腿安装台、一端带有导绳滑轮的绳索支架、用于悬挂自重的配重架、绳索和校准自重。 用于校准设置的绳索与用于电梯自动门操作器组件的绳索相同（绳索材料：SS 钢丝绳；材料等级：SS304；外径：3mm；结构：7 芯交叉线图案；最小制动力：1570 (N/mm2))。 校准设置中使用的静重与上一节中使用的静重相同。

为了在校准装置上校准传感器单元，将绳索固定在绳索支架的一端，另一端连接到砝码支架，如图 5 所示。使用手动螺丝将传感器单元夹在绳索上如前所述。 通过在配重架上添加各种校准自重来改变绳索张力。 使用 Arduino 板将要记录的原始 ADC 计数发送到 PC。

电梯自动门操作器测试治具

图 6 突出显示了本文描述的实验装置中使用的一种特殊类型的电梯自动门操作机构，以演示绳索张力计（传感器单元和电子电路）的工作。 该机构包括门板吊架、绳索、滑轮和用于移动门板吊架的轨道。 为了调节绳索张力，提供了绳索张力调节螺母。 通过顺时针或逆时针转动螺母，可以增加或减少绳索张力。

之前描述的绳索张力计针对各种螺母位置进行校准，即针对门操作器机构的各种绳索张力设置。 该实验提供了绳索张力计模拟输出数据与多个绳索张力螺母位置的查找表。 通过利用从图 4 和图 5 中所示的实验设置中获得的数据集，绳索张力计以所需的单位（N 或 kgf）进行校准，以用于多个绳索张力螺母设置。

（注：图 6 描绘了电梯自动轿门操作器组件。为简单起见，组件的某些部件，例如电机、皮带和耦合器滑轮，未显示。）

结果与讨论

在本节中，讨论了电梯自动门测试夹具上的称重传感器校准设置、传感器单元校准设置和绳索张力计测试的结果。

称重传感器校准结果

称重传感器校准实验是使用前面描述的设置进行的，结果在图 7 中突出显示。为了校准称重传感器，逐渐添加 ~9.81 N 的校准重量，并记录 ADC 计数方面的相应结果。 读数在 50 N 到 180 N 范围内记录。为了获得统计平均数据，图 7 中突出显示的每个数据点是通过对 50 个数据点的采样窗口上的数据进行平均来计算的。

在图 7 中，x 轴代表权重 (N)，y 轴代表 ADC 计数。 该图显示了两组数据：一组是从实验工作中记录的称重传感器输出ADC计数，用黑色标记表示，另一组是从数据表中获得的称重传感器输出数据^[3] 由制造商提供，以红色显示。 进行此实验是为了验证数据表中提到的称重传感器的线性度。 如图 7 中突出显示的图表所示，与制造商提供的数据集相比，实验读数遵循预期的线性行为，最高偏差小于 1.5%。

传感器单元校准结果

图 8 显示了传感器单元的实验校准数据。 传感器单元中使用的称重传感器不直接加载绳索张力； 相反，它是在连杆夹的帮助下加载的。 传感器单元（机械结构和联动夹具）的设计恰好可以将衰减的绳索张力传递到称重传感器。 在传感器单元的情况下，称重传感器需要重新校准以考虑由称重传感器上的机械结构引起的衰减负载效应。

在图 8 中，x 轴代表绳索张力 (N)，y 轴代表输出 ADC 计数。 为了获得统计平均数据，图 8 中突出显示的每个数据点都是通过对 50 个数据点的采样窗口上的数据进行平均来计算的。 该图以红色圆圈中的 ADC 计数显示传感器输出，对应于 120 N 到 320 N 范围内的校准砝码。

图 8 中突出显示的数据显示了传感器单元的线性响应，类似于图 7 中看到的线性响应趋势。然而，正如预期的那样，由于衰减效应，传感器单元的响应与裸称重传感器响应相比（参见图 7) 对应于相同负载的值较低。 例如，当称重传感器直接加载 150 N 时，输出为 ~13 x 105 (1321328) ADC 计数。 当传感器单元中的联动夹具和机械结构的帮助下间接加载称重传感器时，输出减少，因此记录的 ADC 计数约为 4 x 105 (408777)。 传感器单元的这种下限值突出了机械结构对称重传感器的衰减效应。

绳索张力仪演示

为了评估和演示绳索张力计的工作（传感器单元和电子电路），在电梯自动门操作装置上进行了测试。 如前所述，自动门操作器设置的一个子组件包括一个绳索系统（绳索和滑轮系统）来驱动两个门板。 在实验过程中，绳索系统的绳索张力是通过调整不同位置的张力螺母来改变的。 请注意，张力调节螺母位置是绳索固定夹和螺母本身之间的距离。 为了改变绳索张力，手动旋转绳索张力调节螺母，并使用游标尺测量其与绳索夹持夹的位置。

图 9 显示了本节讨论的实验结果。 在图 9 中，以 ADC 计数为单位的绳索张力计输出显示在 y 轴上，而张力调节螺母位置显示在 x 轴上。 绳索调节螺母位置在 39 mm 至 36.5 mm 范围内变化并测量相应绳索张力计响应并定义为测试 1 的实验。数据集标记为 TEST 1 到 TEST 5（图 9）。

从图 9 中可以看出，对于相同的螺母位置，进行多次测试时，绳索张力计始终显示可重复的结果，即 TEST 1 到 TEST 5。螺母位置，即从 39 毫米到 36.5 毫米。 因此，该结果证实了本文中讨论的绳索张力计的可重复行为。

要讨论的图 9 中的另一个观察结果是随着我们将螺母位置从 39 毫米更改为 36.5 毫米，ADC 数量增加的趋势。 当我们使用绳索张力调节螺母拉紧绳索时，绳索张力计显示更高的张力值。 这种结果趋势证明了本文设计的绳索张力计的正确工作。

图 9 显示了以 ADC 计数为单位的绳索张力计输出。 为了将绳索张力计输出从 ADC 计数单位转换为牛顿 (N)，使用了图 8 中突出显示的校准数据集（线性拟合方程）。 图 10 突出显示了以牛顿 (N) 为单位相对于螺母位置的绳索张力计输出的结果数据集。因此，这展示了本文设计和讨论的绳索张力计的基本工作和数据简化程序。

结语

本文探讨了绳索张力计的设计方法。 所讨论的绳索张力计专为电梯自动门机构中使用的绳索而设计。 绳索张力计传感器单元设计中使用的称重传感器基于应变仪技术。 为了校准称重传感器和传感器单元，进行了校准实验。 校准实验结果突出了绳索张力计中使用的称重传感器的线性和可重复响应。 为了演示绳索张力计的工作，在电梯自动门机构设置上进行了实验。 这些实验的结果证明并证实了用于检查门机构绳索系统的绳索张力的绳索张力计的可重复性和易于使用的操作。 该仪器还表现出测量数据的稳健性，从而在门操作员绳索系统的多个位置获得可重复的结果。

致谢

作者感谢 Samadhan Kadam（应用工程师，Creestaa Elevator（印度）Pvt. Ltd.）、Baba Patil（研究和开发工程师，Creestaa Elevator（印度）Pvt. Ltd）和 Pratik Patil（设计工程师，Rewale Engineering Pvt. Ltd.）。 Ltd.) 以支持这项工作。

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案例

[1] L. Janovsky，“电梯机械设计（第三版）”。 Elevator World, 公司, 美国 (1999)

[2] Michael A.、V. Dohre 和 T. Cecere，《门操作器》。《教育焦点》，《电梯世界》（2003 年）

[3] LFT-25-50 kg 称重传感器详情，en.ligentcn.com/a/chanpinzhanshi/zuqiuqicai/48.html（7 年 2020 月 XNUMX 日访问）

[4] HX711 模块数据表， cdn.sparkfun.com/assets/b/f/5/a/e/hx711F_EN.pdf （07 年 2020 月 XNUMX 日访问）

[5] Arduino Uno 详细信息， store.arduino.cc/usa/arduino-uno-rev3 （07 年 2020 月 XNUMX 日访问）

[6] Nextion make model-NX4827K043_011R详情， nextion.tech/数据表/nx4827k043/ （07 年 2020 月 XNUMX 日访问）

[7] C. Slattery 和 M. Nie，“高性能、低成本电子秤的参考设计”。 模拟对话，卷。 39, No. 12, 1-6 (2005)。

罗希特·尼赫 是 Creestaa Elevators (India) Pvt. 电气和电子部门的负责人。 Ltd. 他于 2008 年在纽约雪城大学获得机械和航空航天工程硕士学位。 他于 2013 年在密歇根州东兰辛市的密歇根州立大学获得机械工程博士学位。 他在开发涉及跨学科工程领域的诊断仪器方面拥有强大的研究和学术背景。 他目前在 Creestaa Elevators 的活动涉及垂直运输系统的研究和产品开发。