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摘 要：三峡升船机具有提升高度太 提升重量大、水位变幅大和水位变率快的特点，拉术难度和规模居世界之最，其安全机构采用长螺母柱保安装置，是通过螺母拄结构承受巨大的安全制动荷载来实现的，而螺母柱与旋转锁锭螺杆间隙直接影响螺母拄承受的安全制动荷载，测量螺母柱与旋转锁锭螺杆间隙，并指导安全机构螺纹副合理分配间隙，是保障三峡升船机安全的一个关键问题。在广泛研究国内外非接触测量技术的基础上，结合已实际应用的最新技术，采用CCD行程检测测量大螺杆螺母轴向间隙，为三峡升船机安全运行提供依据。
关键词：升船机 大螺杆螺母柱 安全机构 轴向间隙 CCD行程检测
1.概述：
升船机是三峡水利枢纽的永久通航设施之一，主要为船舶提供快速过坝通道，提高通航质量。经多方论证比较，其型式确定为一级全平衡式垂直升船机，采用齿轮齿条爬升、长螺母-短螺杆式安全机构。
安全机构由螺母柱及旋转锁锭柱组成。螺母柱是一根空心,细长的带内螺纹的柱状结构。覆盖升船机运行全程范围，螺母柱内一根可绕其自身轴线旋转的旋转锁锭短螺杆柱。在升船机正常运行时，船厢驱动机构通过同步轴系统带动旋转锁锭柱旋转，沿螺母柱爬升的速度与船厢提升速度一致，此时轴向间隙为单边60mm。当出现事故．船厢必须紧急制动时，通过旋转锁锭短螺杆柱与螺母柱结构锁锭，根据锁锭工况不同，轴向间隙为上侧边0mm、下侧边120mm及上侧边120mm、下侧边0mm两种情况（见图一）。
在正常工况下，轴向间隙如在合理设计区间内，升船机可正常运行，超过时则根据升船机运行流程、要求做出判断及动作。因此测量轴向间隙是升船机正常运行的重要指标。
受安全机构螺纹副工况限制，采用接触测量检测受检面较困难，不能实时反映螺母柱及旋转锁锭柱间轴向间隙。
通过我们在多部垂直升船机中的非接触测量技术应用，我们采用CCD行程检测测量大螺杆螺母轴向间隙，达到准确、连续、实时测量轴向间隙，测量误差可达1mm。
2.CCD行程检测工作原理
CCD行程检测设备由测量主机、计量条码组和自适应辅助光源组成。其基本原理是当被检测对象在一定照度情况下通过光学系统就会成像在CCD像素上，用一合适的时钟脉冲对CCD进行驱动，在其输出端就可获得被检测对象的视频信号，我们设定编组条码与对应脉冲当量有准确的关系，通过检测判断即可解算出当前的实际位置值
自适应辅助光源依据周围环境的照度，控制辅助光源的电压，为系统提供合适的照度。条码板反射回来的光线，经光学系统后投射到CCD中，CCD在驱动脉冲的作用下，输出被检测对象的视频信号，经二值处理、采样保持、纠错判断后，送给计数器进行计数，由计算机读取计数器中的值，经数据处理、修正补偿后进行显示，同时可通过RS422串口输出。
3.CCD行程检测测量大螺杆螺母轴向间隙
螺母柱由25节节高4.95m和1节节高1.435m均匀短螺母构成，总高l25.185m，敷设在螺母柱边墙上。螺母节距450mm。
旋转锁锭柱由万向球铰链固定在船厢上，船厢驱动机构通过同步轴系统带动旋转锁锭柱旋转，沿螺母柱爬升，速度与船廂提升速度一致。
由于旋转锁锭柱对于船厢垂直方向位置固定，螺母柱与旋转锁锭柱啮合部分连续变化，因此采用螺母柱与旋转锁锭柱啮合部分直接作为计量条码组使用。系统安装后，对应于旋转锁锭柱位置确定，系统则测量对应旋转锁锭柱段的轴向间隙值。
测量基本原理是：将标准螺母柱与旋转锁锭柱啮合线（间隙60mm）作为测量基准，当螺母柱与旋转锁锭柱间隙变化时，即计量条码发生变化，系统运算后得到当前轴向间隙。
4.测量大螺杆螺母轴向间隙条形码设计
依据CCD的分辨率、安装位置、成像距离等，经过整体设计，系统可分辨的条码组间距为0.3？mm。考虑到条形码自身的宽度及两组条形码的间相互纠错功能，确定条形码组的间距为0.6mm，依据设计要求，检测距离为120mm，以二进制的方式编码，需要八位数据码，即二进制0000000～11111111对应0～153.6mm的绝对位置。
条形码由起始码、终止码和八位数据码组成，其中八位数据码以二进制方式无间隔排列，起始码、终止码、八位数据码宽度相等，起始码与数据码中间的间隔、终止码与数据码中间的间隔的宽度相等且为起始码的一半，当轴向间隙变化时，对应数据码宽度变化，系统采集后，运算输出当前间隙的绝对值。
5.系统误差分析
1）测量设备误差
引起测量设备自身误差的原因主要有：
照度造成的误差，CCD是图像传感器件，当光源与摄像头主轴不平行时，将产生衍射效应，使条码组发生相对位移，如果光源与摄像头无相对移动，则产生的固定误差可以通过计算消除。
成像系统误差，来源于光学系统畸变量，因是整个测量误差的主要来源，主要受成本等因素的影响，
电路采样速度引起的测量误差，来源于系统中CCD的扫描周期。
2）外部因素误差
影响的主要外部因素有：
物距变化引起的测量误差，来源于承船箱在运动过程中产生的偏移，以及螺母柱安装的垂直度误差等。
螺母柱与旋转锁锭柱作为条码的误差，来源于螺母柱与旋转锁锭柱加工精度，以及间隙变化时照度不合适造成编码错误等。
3）误差补偿与修正
光源及照度的匹配，依据设备的全天候工作特点，通过实验确定光源最佳位置及照度，解决照明及编码匹配问题。
在视频信号的提取和信号采集与处理方面，通过对视频信号的波形分析，采用二值处理的方式对视频信号提取，利用单片机系统进行采集和处理数据，从而实现了大长度范围内的精确测量。
采用码道――像元对应法及增加标志码修正法，解决了测量装置随承船厢晃动对测量精度的影响问题。并通过理论分析和试验测试验证，得到修正公式并进行修正。
6.结束语
螺母柱及旋转锁锭柱轴向间隙作为安全机构运行的重要指标，准确测量轴向间隙，关系到升船机的正常运行，同时验证升船机实际运行条件下的合理间隙采用值及预留值。
本设备利用安全机构螺纹副作为测量基础，采用成熟的条形码技术实现全程绝对编码，依据CCD成像和自动扫描原理，结合单片机技术，实现螺母柱及旋转锁锭柱轴向间隙高精度在线测量。本设备测量精度高、稳定性好、数据准确可靠、抗干扰能力强、体积小，安装方便。
关键词：升船机 大螺杆螺母柱 安全机构 轴向间隙 CCD行程检测
1.概述：
升船机是三峡水利枢纽的永久通航设施之一，主要为船舶提供快速过坝通道，提高通航质量。经多方论证比较，其型式确定为一级全平衡式垂直升船机，采用齿轮齿条爬升、长螺母-短螺杆式安全机构。
安全机构由螺母柱及旋转锁锭柱组成。螺母柱是一根空心,细长的带内螺纹的柱状结构。覆盖升船机运行全程范围，螺母柱内一根可绕其自身轴线旋转的旋转锁锭短螺杆柱。在升船机正常运行时，船厢驱动机构通过同步轴系统带动旋转锁锭柱旋转，沿螺母柱爬升的速度与船厢提升速度一致，此时轴向间隙为单边60mm。当出现事故．船厢必须紧急制动时，通过旋转锁锭短螺杆柱与螺母柱结构锁锭，根据锁锭工况不同，轴向间隙为上侧边0mm、下侧边120mm及上侧边120mm、下侧边0mm两种情况（见图一）。
在正常工况下，轴向间隙如在合理设计区间内，升船机可正常运行，超过时则根据升船机运行流程、要求做出判断及动作。因此测量轴向间隙是升船机正常运行的重要指标。
受安全机构螺纹副工况限制，采用接触测量检测受检面较困难，不能实时反映螺母柱及旋转锁锭柱间轴向间隙。
通过我们在多部垂直升船机中的非接触测量技术应用，我们采用CCD行程检测测量大螺杆螺母轴向间隙，达到准确、连续、实时测量轴向间隙，测量误差可达1mm。
2.CCD行程检测工作原理
CCD行程检测设备由测量主机、计量条码组和自适应辅助光源组成。其基本原理是当被检测对象在一定照度情况下通过光学系统就会成像在CCD像素上，用一合适的时钟脉冲对CCD进行驱动，在其输出端就可获得被检测对象的视频信号，我们设定编组条码与对应脉冲当量有准确的关系，通过检测判断即可解算出当前的实际位置值
自适应辅助光源依据周围环境的照度，控制辅助光源的电压，为系统提供合适的照度。条码板反射回来的光线，经光学系统后投射到CCD中，CCD在驱动脉冲的作用下，输出被检测对象的视频信号，经二值处理、采样保持、纠错判断后，送给计数器进行计数，由计算机读取计数器中的值，经数据处理、修正补偿后进行显示，同时可通过RS422串口输出。
3.CCD行程检测测量大螺杆螺母轴向间隙
螺母柱由25节节高4.95m和1节节高1.435m均匀短螺母构成，总高l25.185m，敷设在螺母柱边墙上。螺母节距450mm。
旋转锁锭柱由万向球铰链固定在船厢上，船厢驱动机构通过同步轴系统带动旋转锁锭柱旋转，沿螺母柱爬升，速度与船廂提升速度一致。
由于旋转锁锭柱对于船厢垂直方向位置固定，螺母柱与旋转锁锭柱啮合部分连续变化，因此采用螺母柱与旋转锁锭柱啮合部分直接作为计量条码组使用。系统安装后，对应于旋转锁锭柱位置确定，系统则测量对应旋转锁锭柱段的轴向间隙值。
测量基本原理是：将标准螺母柱与旋转锁锭柱啮合线（间隙60mm）作为测量基准，当螺母柱与旋转锁锭柱间隙变化时，即计量条码发生变化，系统运算后得到当前轴向间隙。
4.测量大螺杆螺母轴向间隙条形码设计
依据CCD的分辨率、安装位置、成像距离等，经过整体设计，系统可分辨的条码组间距为0.3？mm。考虑到条形码自身的宽度及两组条形码的间相互纠错功能，确定条形码组的间距为0.6mm，依据设计要求，检测距离为120mm，以二进制的方式编码，需要八位数据码，即二进制0000000～11111111对应0～153.6mm的绝对位置。
条形码由起始码、终止码和八位数据码组成，其中八位数据码以二进制方式无间隔排列，起始码、终止码、八位数据码宽度相等，起始码与数据码中间的间隔、终止码与数据码中间的间隔的宽度相等且为起始码的一半，当轴向间隙变化时，对应数据码宽度变化，系统采集后，运算输出当前间隙的绝对值。
5.系统误差分析
1）测量设备误差
引起测量设备自身误差的原因主要有：
照度造成的误差，CCD是图像传感器件，当光源与摄像头主轴不平行时，将产生衍射效应，使条码组发生相对位移，如果光源与摄像头无相对移动，则产生的固定误差可以通过计算消除。
成像系统误差，来源于光学系统畸变量，因是整个测量误差的主要来源，主要受成本等因素的影响，
电路采样速度引起的测量误差，来源于系统中CCD的扫描周期。
2）外部因素误差
影响的主要外部因素有：
物距变化引起的测量误差，来源于承船箱在运动过程中产生的偏移，以及螺母柱安装的垂直度误差等。
螺母柱与旋转锁锭柱作为条码的误差，来源于螺母柱与旋转锁锭柱加工精度，以及间隙变化时照度不合适造成编码错误等。
3）误差补偿与修正
光源及照度的匹配，依据设备的全天候工作特点，通过实验确定光源最佳位置及照度，解决照明及编码匹配问题。
在视频信号的提取和信号采集与处理方面，通过对视频信号的波形分析，采用二值处理的方式对视频信号提取，利用单片机系统进行采集和处理数据，从而实现了大长度范围内的精确测量。
采用码道――像元对应法及增加标志码修正法，解决了测量装置随承船厢晃动对测量精度的影响问题。并通过理论分析和试验测试验证，得到修正公式并进行修正。
6.结束语
螺母柱及旋转锁锭柱轴向间隙作为安全机构运行的重要指标，准确测量轴向间隙，关系到升船机的正常运行，同时验证升船机实际运行条件下的合理间隙采用值及预留值。
本设备利用安全机构螺纹副作为测量基础，采用成熟的条形码技术实现全程绝对编码，依据CCD成像和自动扫描原理，结合单片机技术，实现螺母柱及旋转锁锭柱轴向间隙高精度在线测量。本设备测量精度高、稳定性好、数据准确可靠、抗干扰能力强、体积小，安装方便。