一種電纜接頭表面不平度測(cè)試裝置和測(cè)試方法

楊遷，張維波

（深圳市沃爾核材股份有限公司，廣東深圳 518118）

0 引言

電纜接頭類似一個(gè)圓柱體，而圓柱體的不平度檢測(cè)是個(gè)古老而常新的問題，不同圓柱體的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ黄蕉染鹊囊笥泻艽蟮牟煌?，其檢測(cè)方法和檢測(cè)器具的結(jié)構(gòu)、原理都存在很大差異，從價(jià)值工程判斷都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，所以人們?cè)诓粩嗟匕l(fā)明各種性價(jià)比高的圓柱體不平度的檢測(cè)裝置[1-3]，如重力法、直尺法和光學(xué)法。

重力法比較原始，利用液體自動(dòng)保持水平的現(xiàn)象，或者利用重物自動(dòng)保持豎直的現(xiàn)象來測(cè)量不平度。其常用水平儀進(jìn)行測(cè)量，還可以利用液面與被測(cè)面進(jìn)行比較來測(cè)量不平度誤差。這種方式是通過目測(cè)來觀察的，很難有量化數(shù)據(jù)顯示，所測(cè)試結(jié)果無法滿足現(xiàn)代工程技術(shù)的精度要求。

而直尺法則比較常用，利用直尺或者平尺使用光隙法和指示表法進(jìn)行度量，已衍生為各種性價(jià)比的不平度測(cè)量?jī)x，不同結(jié)構(gòu)的直尺法不平度測(cè)量?jī)x，可以適用的精度范圍較寬。比如將石英平尺的測(cè)量面定義為基準(zhǔn)面，然后與被測(cè)不平面進(jìn)行比較，通過使用傳感器和對(duì)應(yīng)的電子系統(tǒng)進(jìn)行處理并記錄被測(cè)截面的外部輪廓形狀，適用于精度要求較高的不平度測(cè)量。

光學(xué)法[4]直線度測(cè)量?jī)x的制造成本較高，比如利用望遠(yuǎn)鏡和準(zhǔn)直光管組成的光學(xué)準(zhǔn)直望遠(yuǎn)系統(tǒng)，一般應(yīng)用于尖端制造領(lǐng)域而難于普及[5]。

本文中電纜檢測(cè)過程所采用的屬于上述方法中的直尺法。

1 設(shè)計(jì)目的

如圖1所示，在電纜的連接安裝過程中[6-8]，往往在施工現(xiàn)場(chǎng)需要預(yù)先對(duì)電纜的端頭進(jìn)行人工打磨處理，以確保電纜端頭與電纜附件“無縫”對(duì)接的安裝精度和可靠性。以往是靠技術(shù)工人眼觀手摸的經(jīng)驗(yàn)來判斷打磨表面的不平度。但是，不僅不同人的打磨效果和主觀標(biāo)準(zhǔn)不一樣，而且新老施工人員的主觀性和隨意性差距更大，缺乏一種標(biāo)準(zhǔn)化、定量化、規(guī)范性測(cè)試與評(píng)價(jià)的技術(shù)手段，判斷電纜安裝過程是否合格也是經(jīng)常產(chǎn)生爭(zhēng)議，甚至留下隱患。

圖1 表面不平度測(cè)試裝置所用支撐機(jī)構(gòu)外觀圖

因此，有必要設(shè)計(jì)一種對(duì)電纜接頭打磨處理的表面不平度進(jìn)行簡(jiǎn)單、可靠測(cè)試的裝置和測(cè)試方法。

本文使用“表面不平度”術(shù)語，定義為“在物體表面上，指定距離在20 μm以上的任意兩點(diǎn)的標(biāo)高之差與該兩點(diǎn)水平距離之比的標(biāo)準(zhǔn)方差”，不是粗糙度概念的尺度放大。

2 測(cè)試裝置和測(cè)試方法

本文目的在于提供一種電纜接頭表面不平度測(cè)試裝置和測(cè)試方法，以標(biāo)準(zhǔn)化定量測(cè)試和評(píng)價(jià)的技術(shù)手段，提高電纜連接安裝的精度和可靠性[9]。

為達(dá)上述目的，本文提供一種電纜接頭表面不平度測(cè)試裝置，包括：支撐機(jī)構(gòu)和測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)；其中支撐機(jī)構(gòu)將被測(cè)物體和測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)支撐固定，測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)數(shù)顯滑塊的兩端與一組或兩組支撐機(jī)構(gòu)聯(lián)接固定為一個(gè)整體。

為達(dá)上述目的，本文還提供一種電纜接頭表面不平度測(cè)試方法，包括：用一個(gè)幾何學(xué)平面穿過在被測(cè)物體上指定的笛卡爾軸線（X軸），將該幾何學(xué)平面與被測(cè)物體表面相交的曲線作為被測(cè)曲線，并在被測(cè)曲線上選取樣本測(cè)試點(diǎn)；用測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)依指定步距Δx且平行于該幾何學(xué)平面沿著X軸方向連續(xù)或逐步滑移，每滑移一次步距Δx就測(cè)量一次從測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)默認(rèn)基線到被測(cè)曲線上樣本測(cè)試點(diǎn)的距離，或測(cè)量被測(cè)物體上樣本測(cè)試點(diǎn)的直徑，再直接或間接變換成從X軸標(biāo)到被測(cè)曲線上樣本測(cè)試點(diǎn)的距離（Y軸標(biāo)）；測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)共滑移m次步距Δx，相應(yīng)地就得到共有m+1點(diǎn)從Xi軸標(biāo)到樣本測(cè)試點(diǎn)的Yi軸標(biāo);再將幾何學(xué)平面繞被測(cè)物體的X軸旋轉(zhuǎn)n次α角度或平移n次a距離，則在被測(cè)物體表面上的樣本測(cè)試點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格交點(diǎn)上就得到共有(m+1)(n+1)個(gè)從Xi,j軸標(biāo)到樣本測(cè)試點(diǎn)的Yi,j軸標(biāo)（如表1）；再計(jì)算出(m×n)對(duì)相鄰步距樣本測(cè)試點(diǎn)的2個(gè)Y軸標(biāo)之差Δyi,j與步距Δx或距離a之比作為該樣本測(cè)試點(diǎn)的斜率Ri,j，以(m×n)個(gè)斜率Ri,j的標(biāo)準(zhǔn)方差表征為所測(cè)表面上樣本測(cè)試點(diǎn)的表面不平度Ws；根據(jù)工程設(shè)計(jì)對(duì)表面不平度Ws的具體要求選擇步距Δx、選擇旋轉(zhuǎn)角度α或平移距離a的大小。

表1 網(wǎng)格交點(diǎn)從Xi,j軸標(biāo)到樣本測(cè)試點(diǎn)的Yi,j軸標(biāo)

進(jìn)一步地，所述步距Δx的取值范圍，由工程設(shè)計(jì)精度確定或優(yōu)選為0.02～2.00 mm。

進(jìn)一步地，所述測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)默認(rèn)基線及直接或間接變換的數(shù)學(xué)表達(dá)式，由測(cè)距機(jī)構(gòu)或測(cè)徑機(jī)構(gòu)產(chǎn)品使用說明書或規(guī)范性文件確定。

進(jìn)一步地，所述旋轉(zhuǎn)角度α或平移距離a的取值范圍，由工程設(shè)計(jì)精度確定，或旋轉(zhuǎn)角度α優(yōu)選為0.9°～90.0°，或者平移距離a優(yōu)選為0.3～30.0 mm。

進(jìn)一步地，所述斜率Ri,j的計(jì)算方法按式（1）確定：

式中：系數(shù)1.65為單邊統(tǒng)計(jì)概率置信度95%下的置信區(qū)間寬度；R為斜率Ri,j絕對(duì)值的平均值，R的計(jì)算方法按式（3）確定：

進(jìn)一步地，所述表面不平度Ws是否合格,由工程設(shè)計(jì)允許最大值ULV確定。

圖2～圖4為本文表面不平度測(cè)試方法示意圖。

圖2 從X軸標(biāo)到被測(cè)曲線全部樣本測(cè)試點(diǎn)的距離

圖3 相鄰兩個(gè)樣本測(cè)試點(diǎn)的Y軸標(biāo)之差舉例

圖4 其中一條被測(cè)曲線上相鄰兩個(gè)樣本測(cè)試點(diǎn)的表面不平度舉例

3 具體結(jié)構(gòu)及其具體實(shí)施方式

本文所有圖中，相同功能和結(jié)構(gòu)的零件使用同一標(biāo)號(hào)，為了簡(jiǎn)化圖樣，省略了對(duì)稱位置的零件標(biāo)號(hào)。為了詳細(xì)說明該測(cè)試裝置及測(cè)試方法的實(shí)現(xiàn)目的、構(gòu)造特征、技術(shù)內(nèi)容等，下面結(jié)合測(cè)試裝置的附圖進(jìn)行說明。

3.1 表面不平度測(cè)試裝置結(jié)構(gòu)說明

如圖5～圖7所示，該電纜接頭表面不平度測(cè)試裝置包括：支撐機(jī)構(gòu)100和激光測(cè)距機(jī)構(gòu)200；其中支撐機(jī)構(gòu)100將被測(cè)物體400和激光測(cè)距機(jī)構(gòu)200支撐固定，激光測(cè)距機(jī)構(gòu)200的數(shù)顯滑塊202兩端與兩組支撐機(jī)構(gòu)100的支撐框104聯(lián)接固定為一個(gè)整體，激光測(cè)距機(jī)構(gòu)200優(yōu)選市售的激光測(cè)距儀且包括數(shù)顯滑塊A 204和標(biāo)尺A 205的標(biāo)準(zhǔn)組件。

圖5 表面不平度測(cè)試裝置示意圖

如圖6和圖7所示，揭示了本文提供的一種支撐機(jī)構(gòu)100，包括鎖緊螺桿101、夾板102、孔用卡簧103、支撐框104、軸端卡簧105和軸承106；鎖緊螺桿101的結(jié)構(gòu)是一根絲桿，絲桿的一端帶手柄、另一端與夾板102聯(lián)接，鎖緊螺桿101通過螺紋孔與支撐框104框體104.1聯(lián)接；夾板102的結(jié)構(gòu)是一個(gè)塊體，塊體的一面帶V形柱面、另一面包含孔用卡簧103、軸端卡簧105和軸承106；所述孔用卡簧103、軸端卡簧105和軸承106優(yōu)選市售的標(biāo)準(zhǔn)件；支撐框104的結(jié)構(gòu)是一個(gè)“凹”形框體104.1，框體104.1的外側(cè)帶一根與數(shù)顯滑塊203或數(shù)顯滑塊303聯(lián)接的手指104.3，手指104.3上開有與標(biāo)尺205或標(biāo)尺305聯(lián)接的通孔104.4。

圖6 支撐機(jī)構(gòu)剖面圖

圖7 支撐機(jī)構(gòu)示意圖

3.2 表面不平度測(cè)試方法說明

如圖2～圖5所示，揭示了該電纜接頭表面不平度測(cè)試方法的測(cè)試裝置，用一個(gè)幾何學(xué)平面穿過在被測(cè)物體400上指定的笛卡爾軸線（X軸），將該幾何學(xué)平面與被測(cè)物體400表面相交的曲線作為被測(cè)曲線，并在被測(cè)曲線上選取樣本測(cè)試點(diǎn)；用激光測(cè)距儀并依指定步距Δx且平行于該幾何學(xué)平面沿著X軸方向逐步滑移，每滑移一次步距Δx就測(cè)量一次從測(cè)距機(jī)構(gòu)默認(rèn)基線到被測(cè)曲線上樣本測(cè)試點(diǎn)的距離，再按照由激光測(cè)距儀使用說明書確定的數(shù)學(xué)關(guān)系，變換成從X軸標(biāo)到被測(cè)曲線上樣本測(cè)試點(diǎn)的距離（Y軸標(biāo)）；激光測(cè)距儀共滑移m次步距Δx，相應(yīng)地就得到共有m+1點(diǎn)從Xi軸標(biāo)到樣本測(cè)試點(diǎn)的Yi軸標(biāo); 再將幾何學(xué)平面繞被測(cè)物體的X軸旋轉(zhuǎn)n次α角度，則在被測(cè)物體表面上的樣本測(cè)試點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)格交點(diǎn)上就得到共有(m+1)×(n+1)點(diǎn)從Xi,j軸標(biāo)到樣本測(cè)試點(diǎn)的Yi,j軸標(biāo)（如表1）；再計(jì)算出(m×n)個(gè)相鄰步距樣本測(cè)試點(diǎn)的兩個(gè)Y軸標(biāo)之差Δyi,j與步距Δx之比作為該樣本測(cè)試點(diǎn)的斜率Ri,j，以(m×n)個(gè)斜率Ri,j的標(biāo)準(zhǔn)方差表征為所測(cè)表面上樣本測(cè)試點(diǎn)的表面不平度Ws；根據(jù)工程設(shè)計(jì)對(duì)表面不平度Ws的具體要求選擇步距Δx、選擇旋轉(zhuǎn)角度α的大小。

其中，步距Δx的取值由工程設(shè)計(jì)精度確定為0.03 mm；旋轉(zhuǎn)角度α的取值由工程設(shè)計(jì)精度確定為60°；斜率Ri,j的計(jì)算方法按式（1）確定；表面不平度Ws的計(jì)算方法按式（2）確定；表面不平度Ws是否合格,由工程設(shè)計(jì)允許最大值ULV確定。

該電纜接頭表面不平度測(cè)試裝置的工作過程如下：

將支撐機(jī)構(gòu)100上V形槽104.2、夾板102夾持在電纜接頭400上，將激光測(cè)距儀201與位移傳感器A 202聯(lián)接固定在一起，位移傳感器A 202套在標(biāo)尺A 205上，標(biāo)尺A 205通過固定螺釘A 206和支撐孔104.4固定在支撐臂104.3上，保持標(biāo)尺A 205的長(zhǎng)度方向與電纜接頭400的軸心線（x軸）平行。使用時(shí)，推動(dòng)位移傳感器A 202沿x軸滑行一次，經(jīng)過電腦系統(tǒng)的記錄和數(shù)學(xué)變換處理，就可得到在設(shè)定步距Δx的x軸上電纜接頭表面各點(diǎn)的一對(duì)標(biāo)高數(shù)據(jù)（X1,0，Y1,0），推動(dòng)位移傳感器A 202沿x軸滑行m次就可得到在設(shè)定步距Δx的x軸上電纜接頭表面各點(diǎn)，包括（X0,0，Y0,0），共有m+1對(duì)標(biāo)高數(shù)據(jù)（Xm+1,0，Ym+1,0）;然后將電纜400與支撐機(jī)構(gòu)100相對(duì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度α一次并同樣測(cè)量一次就得到一組新的標(biāo)高數(shù)據(jù)（Xm+1,1，Ym+1,1）,對(duì)旋轉(zhuǎn)n個(gè)角度α直到電纜接頭表面的打磨關(guān)鍵區(qū)Gcs全部測(cè)量完畢,包括（Xm+1,0，Ym+1,0）等，就得到n+1組標(biāo)高數(shù)據(jù)（Xm+1,n+1，Ym+1,n+1）;經(jīng)過內(nèi)置程序的計(jì)算最終得到m×n個(gè)表面不平度Ws數(shù)據(jù)，并自動(dòng)按照工程設(shè)計(jì)要求設(shè)定的表面不平度Ws的最大允許值ULV判定該電纜接頭打磨關(guān)鍵區(qū)Gcs是否合格。

4 結(jié)語

本文介紹的電纜接頭表面不平度測(cè)試裝置，其有益技術(shù)效果在于：1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、輕便小巧，有利于在施工現(xiàn)場(chǎng)使應(yīng)用；2）可實(shí)現(xiàn)電纜接頭打磨關(guān)鍵區(qū)表面不平度的標(biāo)準(zhǔn)化、定量化、規(guī)范性測(cè)試與評(píng)價(jià)技術(shù)手段；3）測(cè)試裝置具有通用性，既用于電纜接頭打磨區(qū)也可用于其它物體表面不平度的測(cè)試。

本文提出的全新概念的一種表面不平度測(cè)試方法，其有益技術(shù)效果在于：1）以標(biāo)準(zhǔn)化定量測(cè)試和評(píng)價(jià)的技術(shù)手段，提高電纜連接安裝的精度和可靠性；2）可作為物體表面不平度標(biāo)準(zhǔn)化、定量化、規(guī)范性測(cè)試與評(píng)價(jià)的技術(shù)手段，具有通用性。