一種航空電連接器接觸偶機(jī)械性能檢測裝置設(shè)計(jì)

劉長萍， 姚旭成， 方武震， 趙永鵬， 宋茹彬

（1.上海航翼高新技術(shù)發(fā)展研究院，上海200082；2.石家莊海山實(shí)業(yè)發(fā)展總公司，河北 石家莊050208）

0 引 言

電纜連接器是連接電氣線路的機(jī)電元件，擔(dān)負(fù)著飛機(jī)各系統(tǒng)的電能傳輸、信號(hào)控制及信息傳遞任務(wù)，在飛機(jī)上廣泛使用。接觸偶是電纜連接器完成電連接功能的核心組件，一般由陽性接觸件（即插針）和陰性接觸件（即插孔）組成接觸偶，通過陰、陽接觸件的插合完成電連接。接觸偶的插拔力、接觸保持力必須滿足力值要求，才能保證接觸偶的機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，才能保證飛機(jī)電氣線路具有良好的導(dǎo)電性能［1］。

電纜連接器接觸偶故障時(shí)插拔力和接觸保持力的力值發(fā)生變化，容易造成電纜連接器接觸偶的機(jī)械性能下降，引發(fā)線路接觸不良隱性故障［2］。

目前飛機(jī)修理廠對電纜連接器接觸偶的檢查方式主要有兩種：一種是采用目視和人手感覺，該方法從外觀好壞的人為直觀感受判斷接觸偶是否合格；另一種是采用自制的簡易工具或保險(xiǎn)絲插入電纜連接器插孔，這樣容易產(chǎn)生多余物或損壞接觸偶鍍層，造成氧化、銹蝕等次生問題。當(dāng)前采用的兩種檢測方法嚴(yán)重依賴人工，容易使人員疲勞，出現(xiàn)漏檢問題；同時(shí)，這兩種人工檢測方法無法給出接觸偶插拔力和接觸保持力的力值，也就無法全面地判斷電纜連接器上所有接觸偶機(jī)械性能的好壞。因此，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)檢測電纜連接器機(jī)械性能的裝置，用來取代傳統(tǒng)人工檢測，將有利于提高電纜連接器檢測的準(zhǔn)確性，促進(jìn)裝備高質(zhì)量可靠運(yùn)行。

1 故障類型

電纜連接器接觸偶常見外觀故障見圖1。

由圖1可知：飛機(jī)上電纜連接器種類繁多，隨著使用年限及插拔次數(shù)的增加，電纜連接器的接觸偶容易發(fā)生彎針、縮針／縮孔及孔徑變化等故障。

圖1 電纜連接器接觸偶常見外觀故障

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

為了解決飛機(jī)電纜連接器機(jī)械性能檢測的準(zhǔn)確性和高效性，需要設(shè)計(jì)開發(fā)基于視覺系統(tǒng)檢測的裝置，根據(jù)測量要求和對飛機(jī)電纜連接器接觸偶檢測技術(shù)的研究，確定了基本的測量方案。電纜連接器接觸偶機(jī)械性能檢測裝置設(shè)計(jì)應(yīng)具備外形便攜、操作簡單、使用靈活等特點(diǎn)。根據(jù)測量需求進(jìn)行電纜連接器接觸偶測試的機(jī)械載荷施加及測量裝置的結(jié)構(gòu)，主要包含硬件和軟件設(shè)計(jì)。針對電纜連接器的不同類型、連接方式和飛機(jī)上安裝位置等確定電纜連接器、接觸偶的測試銷針的夾持方式。

為了滿足現(xiàn)場修理需要，設(shè)計(jì)了一套視覺檢測裝置用于識(shí)別電纜連接器接觸偶常見故障，檢測裝置通過直接檢測電纜連接器接觸偶插入力和接觸力的力值來判斷接觸偶是否合格。該裝置主要由夾持工裝、測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)、工控機(jī)及力值顯示控制機(jī)構(gòu)部分等組成，裝置總體結(jié)構(gòu)框圖見圖2。加持工裝可用于固定多種型號(hào)的被測電纜連接器；測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)用于接收控制指令進(jìn)行位置移動(dòng)以及將測量數(shù)據(jù)傳輸給工控機(jī)；工控機(jī)用于給出控制指令，接收測量數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以及為測量執(zhí)行機(jī)構(gòu)供電；顯示部分用于顯示測量結(jié)果并接收操作人員輸入指令。

圖2 檢測裝置總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

（1）視覺測量機(jī)構(gòu)

視覺測量機(jī)構(gòu)采用基于三基色反射光的顏色識(shí)別系統(tǒng)，可使用市場上主流廠家如邁思肯、基恩仕、歐姆龍等公司提供的引導(dǎo)式視覺系統(tǒng)［3］。被測電纜連接器已經(jīng)固定到加持工裝上，合適的標(biāo)準(zhǔn)針／孔已經(jīng)安裝到力值測量機(jī)構(gòu)上，裝置啟動(dòng)后控制器提供移動(dòng)指令，三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)將視覺測量機(jī)構(gòu)移動(dòng)到合適位置，對被測電纜連接器進(jìn)行拍照，圖像數(shù)據(jù)上傳到工控機(jī)進(jìn)行處理，得到被測電纜連接器上插針或插孔的相對位置。

（2）力值測量機(jī)構(gòu)

相機(jī)啟動(dòng)獲得連接器針孔照片后，進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的預(yù)處理，在做出圖像適當(dāng)描述后，開始控制過程，在此期間執(zhí)行機(jī)構(gòu)與工作空間的聯(lián)系中斷，之后執(zhí)行機(jī)構(gòu)根據(jù)已處理的坐標(biāo)信息進(jìn)行端子插拔力、保持力的測試。該方法先進(jìn)行連接器接觸偶的定位，計(jì)算確定視域中連接器接觸偶在圖像中的坐標(biāo)位置，然后定位視域平面的坐標(biāo)系統(tǒng)與x軸、y軸、z軸三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)（以下簡稱執(zhí)行機(jī)構(gòu)）坐標(biāo)系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系，這樣一旦在圖像中定位了接觸偶，則執(zhí)行機(jī)構(gòu)也就知道了待測連接器的各個(gè)接觸偶在自己坐標(biāo)系中的位置，視覺系統(tǒng)通過對連接器夾具平臺(tái)上的連接器接觸偶的自動(dòng)識(shí)別和定位，使執(zhí)行機(jī)構(gòu)準(zhǔn)確進(jìn)行插拔力和保持力的測試。

（3）三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)

三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)由x軸、y軸、z軸三軸移動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，其中x軸用于左右方向移動(dòng)，y軸用于上下方向移動(dòng)，z軸用于前后方向移動(dòng)。由兩臺(tái)永磁同步直線伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的x?y軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成，可同時(shí)對兩臺(tái)直線伺服電機(jī)進(jìn)行控制通過讀取的視覺識(shí)別系統(tǒng)的位置進(jìn)行逐個(gè)復(fù)位。其中伺服電機(jī)作為執(zhí)行元件用來驅(qū)動(dòng)滾珠絲桿，滾珠絲桿的螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在x軸、y軸方向的直線運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器、導(dǎo)軌、滾珠絲桿等為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，根據(jù)負(fù)載大小選取合適的型號(hào)。采用微機(jī)控制伺服驅(qū)動(dòng)器來驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。z軸平臺(tái)包含測力和位移檢測，在設(shè)定的位移行程之內(nèi)，記錄接觸偶插入力、分離力以及保持力力值及曲線等。x軸、y軸、z軸三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

圖3 x軸、y軸、z軸三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 軟件流程

飛機(jī)電纜連接器接觸偶機(jī)械性能檢測裝置由先進(jìn)的視覺識(shí)別系統(tǒng)、x軸、y軸、z軸三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)、精密直線滑軌、高精密拉壓力測試執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成，具有良好的速度控制特性，高精確位置控制功能，實(shí)現(xiàn)恒力矩、低噪聲、高效率和高精度力值自動(dòng)檢測。

視覺識(shí)別系統(tǒng)采用高精密相機(jī)，對連接器端面及Pin腳位置進(jìn)行拍照分析，實(shí)現(xiàn)連接器接觸偶與x軸、y軸、z軸三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的高精度坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。電纜連接器接觸偶機(jī)械性能檢測裝置是基于Windows操作系統(tǒng)的測試軟件，配備數(shù)據(jù)采集卡，與視覺系統(tǒng)、x軸、y軸、z軸三軸執(zhí)行機(jī)構(gòu)的微機(jī)控制系統(tǒng)通信，進(jìn)行圖像處理，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，將連接器Pin／Socket的位置與力值進(jìn)行比較分析后，形成檢測報(bào)告，使得顯示結(jié)果更直觀，測試報(bào)告可采用數(shù)據(jù)表格和曲線圖兩種方式，便于對測試結(jié)果進(jìn)行分析和追溯。以保持力測試為例的軟件流程簡圖見圖4。

圖4 保持力測試流程圖

3 測試分析

在測試的基礎(chǔ)上，通過對電纜連接器機(jī)械性能測試數(shù)據(jù)記錄、分析和總結(jié)，既包括對電纜連接器機(jī)械性能是否符合測試要求和測試結(jié)論進(jìn)行判定，也可以在測量過程中對發(fā)現(xiàn)的問題、缺陷、隱患進(jìn)行分析，方便發(fā)現(xiàn)電纜連接器早期存在的隱性故障，從根本上防止重復(fù)檢測浪費(fèi)人力、物力，提高檢測效率的同時(shí)確保測試的可靠性。系統(tǒng)的主要分析功能包括：

（1）根據(jù)檢測電纜連接器類型及測試結(jié)果，系統(tǒng)對電纜連接器自動(dòng)生成機(jī)械性能檢測力值表，檢測人員可以保存、編輯、刪除、調(diào)用。

（2）系統(tǒng)根據(jù)調(diào)用的試驗(yàn)條件、試驗(yàn)要求等內(nèi)容，通過伺服電機(jī)傳動(dòng)，自動(dòng)進(jìn)行高精度測定，并得到準(zhǔn)確的曲線試驗(yàn)圖，同時(shí)記錄檢測過程的坐標(biāo)與電纜連接器接觸偶的具體位置。

（3）系統(tǒng)具備強(qiáng)大的報(bào)表管理功能，用表格的形式列出每一項(xiàng)測試的檢測值及其測試內(nèi)容，并提供檢測報(bào)告及故障報(bào)表等。

（4）系統(tǒng)保存每次測量典型電纜連接器的測試結(jié)果，便于對比電纜連接器故障發(fā)展趨勢。

（5）歷史測試報(bào)表可以有顯示匯總表、顯示測試正常數(shù)據(jù)、測試故障數(shù)據(jù)等多種查詢方式，如表1為測試報(bào)表示例。

表1 測試報(bào)表

4 結(jié)束語

本工作設(shè)計(jì)的電纜連接器機(jī)械性能檢測裝置，包括硬件系統(tǒng)的選用與設(shè)計(jì)、軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，經(jīng)過大量的試驗(yàn)與論證，本系統(tǒng)可通過圖像處理、分析、計(jì)算，自動(dòng)完成多種型號(hào)的電纜連接器機(jī)械性能檢測并形成檢測報(bào)表。為檢測人員提供了良好的人機(jī)界面。

通過對總體及軟硬件設(shè)計(jì)分析后，確定相機(jī)及鏡頭的型號(hào)及規(guī)格，根據(jù)被測電纜連接器特性和安裝環(huán)境確定環(huán)形光源的照明方案及尺寸和安裝位置，根據(jù)電纜連接器機(jī)械性能檢測裝置使用環(huán)境等情況進(jìn)行裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，最后根據(jù)測量要求完善軟件功能，后續(xù)將開展樣機(jī)的加工制造工作。本工作設(shè)計(jì)的視覺系統(tǒng)不局限于應(yīng)用在保持力檢測裝置中，在自動(dòng)化檢測領(lǐng)域會(huì)有更為廣闊的應(yīng)用空間。