滑环刷丝接触压力测试系统设计

滑环刷丝接触压力测试系统设计

王小龙，尚跃林，高伟亚

（上海威克鲍尔通信科技有限公司）

摘要导电滑环是信号传输的关键部件，其工作可靠性与滑环和刷丝间的接触压力密切相关。本文针对滑环刷丝接触压力测试难的问题，基于悬臂梁理论设计了一套自动化测试系统，通过CCD相机与控制系统的实时交互实现动态测量，并以φ0.25的刷丝为例进行系统设计合理性验证。对比结果显示接触压力测试值与理论值偏差不超过9%，测试精度及一致性均可满足实际需求，使用该测试系统得到的接触压力测试结果对导电滑环的设计有着重要意义。

关键词导电滑环 接触压力 自动化 悬臂梁理论

0引言

导电滑环主要用于两个相对旋转部件之间的信号传输或电流传递，具有传输精度高、工作稳定性好等特点，在航空航天、国防军事、自动化等领域有着广泛的应用。图1为某型分离式导电滑环，由滑环体、刷丝以及刷丝板等组成，滑环体上有多个环道，刷丝通过粘接等方式固定在刷丝板上，呈“∏”形与相应环道对称接触。在滑环体转动时，刷丝以一定弹力压在相应的环道上实现动态接触，保证信号传输的可靠性，这个使刷丝和滑环体紧密接触的力即为接触压力。接触压力的大小与信号传输质量、导电滑环使用寿命等关系密切，若接触压力过小，那么接触电阻将增大，局部温度急剧升高，刷丝和滑环体可能会产生熔焊现象，有时甚至会断触，严重影响控制信号的传输质量；若接触压力过大，则接触电阻减小，信号或电流等传输质量得到保证，但接触部分的磨损也会随着摩擦力矩的增大而加剧，影响导电滑环的使用寿命。

图1分离式导电滑环

针对提高导电滑环的信号传输质量以及使用寿命等问题，众多专家学者从接触电阻测量方法、接触压力理论推算、工艺优化等方面进行了深入研究。A I Izotov通过在滑环表面涂上润滑性纳米涂层的方式，减少滑动接触过程中不规则电流的分布、减少磨损，从而降低了局部温升，有助于延长导电滑环的使用寿命。中国船舶工业集团的周小全等对接触电阻、绝缘电阻的测量方法进行了介绍，并对实测数据进行了分析。刘春节等则在悬臂梁理论的基础上提出了接触压力的测量方案，并成功应用于某型柱式滑环。孙斌将刷丝与滑环体分别抽象为半球面和圆弧凹面，结合赫兹接触应力的相关公式，推导出刷丝与滑环体接触点的解析算式，并通过有限元仿真验证了算式的合理性。宗晓明则进一步搭建了测试装置，实现了接触压力的测量。

通过研究刷丝或滑环体的材料特性、表面处理技术等来应对接触磨损问题的方法已被证明是有效的，而通过测量接触压力控制触点位置及刷丝折弯角度是另一可行的途径，但目前相关的测量方案或局限于理论及仿真，或测试触点与实际触点位置偏差较大，导致测试结果的可信度无法保证。随着航空航天技术等的高速发展，导电滑环作为关键部件，重要性日益突出，因此探索滑环刷丝接触压力的测试方法，提高导电滑环的传输可靠性及寿命是十分必要的。

本文针对滑环刷丝接触压力测试难的问题，设计了一套测试系统，结合视觉检测技术完成对滑环刷丝接触压力的精确测量，将测试结果与基于悬臂梁理论推算的理论结果进行对比分析，验证测试系统的合理性及测量结果的可信度，为导电滑环产品的设计提供参考。

1接触压力测试原理

刷丝材料一般为金基合金丝，直径一般不超过1mm，弹性变形量较小，因此采用经典的悬臂梁模型对其进行简化，如图2所示。在小变形条件下，等截面直梁的挠曲线方程可写为如下形式：

                     （1）

图2悬臂梁小变形示意图

其中，—— 悬臂梁端部所受载荷；

—— 悬臂梁长度；

—— 悬臂梁上任一点到固定端的距离；

—— 截面惯性矩；

—— 弹性模量。

若悬臂梁上载荷的加载位置为图3所示的N点，载荷大小为，则N点产生的位移为

                          (2)

图3  N点施加载荷时的变形示意图

其中，—— 在N点施加的载荷；

—— N点到固定端的距离。

式（2）即为滑环刷丝接触压力的理论计算公式，图3中的N点表示刷丝与滑环体的触点，A为刷丝固定端的根部点，B为刷丝末端，表示刷丝长度，表示触点到刷丝根部点的距离，即为接触压力。

2测试系统结构

滑环刷丝接触压力测试系统由定位夹紧机构、加载机构、CCD检测机构以及电控单元组成。各机构的主要驱动为伺服电机，由PLC程序控制其移动位置，实现滑环刷丝接触压力测试的自动化。

2.1 定位夹紧机构

如图4所示，定位夹紧机构用于装夹刷丝，主要由支架、刷丝标准板、夹紧板、限位块以及手动组件组成。其中，手动组件为正反丝杠模组，通过旋拧手轮使左右两块夹紧板相向或相背运动，达到夹紧、松开刷丝标准板的目的；限位块为弹性机构，通过弹力将刷丝标准板压在夹紧板的凸台面上，配合夹紧板完成对刷丝标准板的定位夹紧；刷丝标准板也由左右两部分组成，相对的面上分别加工R0.05~R1（mm）的半圆槽，合在一起时形成φ0.1~φ2（mm）大小不等的圆孔，根据测试需要确定圆孔的规格和位置，两部分之间通过螺钉

连接，通过销钉定位，实现测试用刷丝的定位夹紧与卸料。

采用刷丝标准板对单根刷丝进行定位夹紧是接触压力测试问题的简单化。在导电滑环产品中，刷丝板上有左右两排刷丝，每排由多根刷丝折弯相同角度排列而成，且刷丝之间的距离最小仅为1mm，因此在成品状态下实现接触压力的自动测量是极其困难的，于是将刷丝从产品中分离出来逐一进行测试。测试结果主要用于指导设计，因此不存在破坏产品、影响生产效率等问题。

图4定位夹紧机构

2.2 加载机构

加载机构用于执行PLC发出的指令，使测试触头移动到指定位置对刷丝进行加载，如图5，加载机构主要由坐标模组、伺服电机、R轴、微型压力传感器、测试触头等组成。坐标模组由X轴模组、Y轴模组、Z轴模组组成，模组由伺服电机驱动，可带动测试触头在120×120×120（mm）的空间范围内移动；R轴同样由伺服电机驱动，可实现测试触头的360°旋转；如图6，测试触头头部采用圆弧形设计，确保加载过程中刷丝不受其他方向力的影响，且便于在保证触点位置不变的情况下旋转触头，测试触头通过淬火提高自身刚度，并采用轻量化设计，在不出现结构干涉的情况下尽量减小自身重力对测试结果的影响；微型压力传感器在0~1N范围内精度达到0.005N，测直径较小的刷丝接触压力时也可以准确显示力值。

图5加载机构

图6测试触头头部设计

2.3 CCD检测机构

CCD检测机构由两个CCD相机及对应的光源、相机模组、手动位移台等组成。需用CCD拍照测量的参数包括刷丝与测试触头的高度差、刷丝折弯角度以及触点到刷丝根部点的距离，因此用相机II测量刷丝与测试触头的高度差，用相机I测量刷丝折弯角度和触点到刷丝根部点的距离，相机模组和手动位移台用于调节焦点位置。刷丝装夹时已定位，所以手动位移台只需在第一次测试时调节，此后不再变动位置。

图6 CCD检测机构

3拍照测量原理及实现

3.1 测量原理

用于检测刷丝与测试触头的高度差的是相机II，设计算法时须先对坐标系角度进行调整，为便于后续换算，一般将其调整为0，坐标系角度表示相机像素坐标系与加载机构的坐标系之间的夹角，像素坐标系和加载机构坐标系分别对应图像基准和模组基准。启动测试系统后，相机II先拍照确定测试触头和刷丝的位置，然后计算高度差，即Z轴模组应移动的距离为

            （3）

式（3）中，为图像转换系数，表示图像上单个像素值表征的实际空间大小，为测试触头在图像基准上的高度，为测试触头在模组基准上的高度，和共同定义了基准间的相对转换关系，即测试触头在像素坐标系中的高度与在加载机构坐标系中的高度互相对应，则表示测试触头在图像基准上的新高度，该高度值与刷丝高度相同。

测试触头的高度调整完毕之后，相机I自动调整高度，成像清晰后对测试触头及刷丝进行拍照，设触点在图像基准上的理论位置为，则在模组基准上的计算位置应为，计算公式如下：

                 （4）

式（4）中，为图像转换系数，表示图像上单个像素值表征的实际空间大小，表示触点在图像基准上的X坐标，表示触点在图像基准上的Y坐标，和共同确定了测试触头在像素坐标系上的位置，表示触点在模组基准上的X坐标，表示触点在模组基准上的Y坐标，和共同确定了测试触头在加载机构坐标系上的位置。

测试过程中，采用直线拟合的方式确定触头及刷丝的位置，通过算法提取触点，须使触点到达模组基准的计算位置，并且触点到刷丝根部点的距离、刷丝折弯角度达到设定值，触头垂直于刷丝，方可读取有效的接触压力值，触头与刷丝之间未达到90°时力传感器测的是接触压力的分力，会导致测试结果小于真实值。每一次调整测试触头位置后，算法会判断是否满足上述条件，不满足则继续迭代，满足时即可输出有效的接触压力值，若在设置的迭代次数之内未返回有效值，则此次测量失败。

3.2 软件界面及参数设置

为便于处理数据、观察测量状态，采用上位机软件进行相关信息显示，软件界面如图7所示：

图7软件界面

滑环刷丝接触压力测试系统的软件界面由检测图像处理区、实时图像显示、连接状态显示、参数设置区、消息提示区以及测试结果区组成。其中，检测图像处理区显示通过算法提取的触点与刷丝根部点，并与计算得到的应到达位置进行对比显示；实时图像显示可使操作人员实时观察触头位置及刷丝折弯状态；连接状态可反映软件与控制单元的连接情况；参数设置区用于输入测试相关尺寸及偏差；消息提示区可显示每次调整后触点的位置；测试结果区域为历史测量结果的记录，并在上方给出当前产品的测量结果。

参数设置的内容包括触点到刷丝根部点的距离、刷丝折弯角度、触头与刷丝所成角度以及对应的偏差范围。触头与刷丝所成角度设置为90°，根据需要，上述参数中距离偏差一般可设为±0.05mm，角度偏差一般可设为±0.1°，当参数在此偏差范围内时，接触压力的测试精度及一致性可满足要求，将偏差范围继续缩小后，测试精度和结果一致性可能

会进一步提高，但随着迭代次数的增多，耗费的测试时间更长，且受限于CCD相机的像素，有可能无法返回有效数值。

3.3 测试流程

在进行测试之前，需先确认连接状态，确认正常连接后对硬件进行初始化，输入设定参数及偏差范围即可开始测试。相机II对测试触头和刷丝进行拍照，根据基于式（3）的算法控制测试触头移动进行高度对齐，相机I从另一角度对测试触头和刷丝进行拍照测量，并与PLC实时交互，不断调整触头位置，直至各参数达到设定范围时读取微型压力传感器的示数，完成接触压力的测量。为减小偶然性误差的影响，需要在同一输入条件下进行多次测试，最后对所得数据进行剔除异常值后取平均的处理。

4结果对比分析

为了验证该测试系统的合理性，本文对规格为φ0.25的刷丝进行了测试，并将测试结果与理论计算值进行对比分析，如表1所示。接触压力的理论计算公式是在式（2）的基础上变换得到的：

                      （5）

由于刷丝变形可近似看作微变形，因此N点产生的位移可按式（6）计算，式中，表示刷丝折弯角度，即压力读取状态与初始状态下刷丝拟合直线之间的夹角。

                    （6）

刷丝为圆柱形，因此其截面惯性矩为

                      （7）

表1φ0.25刷丝接触压力测试值与理论值

由表1可知，对于φ0.25的刷丝，接触压力的测试值与理论计算值最大偏差不超过9%，由于理论计算时弹性模量的取值以及触点的移动距离都与真实值存在差异，且测试时限定了偏差范围，因此可判断滑环刷丝接触压力测试系统的测试方法是合理的，测得的接触压力具有一定的可信度。

5 结语

本文基于悬臂梁理论设计了一套滑环刷丝接触压力测试系统，在结构上分为定位夹紧机构、加载机构和CCD检测机构，工作时通过CCD相机检测刷丝及测试触头的位置，并与PLC实时交互以控制机构运动，反复迭代后使触点达到理论位置并读取相应的压力值，经数据处理后输出最终的接触压力值。通过与同样基于悬臂梁理论的接触压力算式的计算结果进行对比，可知测试结果与理论值的偏差较小，在一定情况下可为滑环刷丝的设计提供参考，对导电滑环产品的研发具有积极意义。

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