一种电缆接头表面不平度测试装置和测试方法

2021-08-19杨迁张维波

机械工程师 2021年8期

杨迁，张维波

（深圳市沃尔核材股份有限公司，广东深圳 518118）

0 引言

电缆接头类似一个圆柱体，而圆柱体的不平度检测是个古老而常新的问题，不同圆柱体的应用领域对不平度精度的要求有很大的不同，其检测方法和检测器具的结构、原理都存在很大差异，从价值工程判断都有各自的优缺点，所以人们在不断地发明各种性价比高的圆柱体不平度的检测装置[1-3]，如重力法、直尺法和光学法。

重力法比较原始，利用液体自动保持水平的现象，或者利用重物自动保持竖直的现象来测量不平度。其常用水平仪进行测量，还可以利用液面与被测面进行比较来测量不平度误差。这种方式是通过目测来观察的，很难有量化数据显示，所测试结果无法满足现代工程技术的精度要求。

而直尺法则比较常用，利用直尺或者平尺使用光隙法和指示表法进行度量，已衍生为各种性价比的不平度测量仪，不同结构的直尺法不平度测量仪，可以适用的精度范围较宽。比如将石英平尺的测量面定义为基准面，然后与被测不平面进行比较，通过使用传感器和对应的电子系统进行处理并记录被测截面的外部轮廓形状，适用于精度要求较高的不平度测量。

光学法[4]直线度测量仪的制造成本较高，比如利用望远镜和准直光管组成的光学准直望远系统，一般应用于尖端制造领域而难于普及[5]。

本文中电缆检测过程所采用的属于上述方法中的直尺法。

1 设计目的

如图1所示，在电缆的连接安装过程中[6-8]，往往在施工现场需要预先对电缆的端头进行人工打磨处理，以确保电缆端头与电缆附件“无缝”对接的安装精度和可靠性。以往是靠技术工人眼观手摸的经验来判断打磨表面的不平度。但是，不仅不同人的打磨效果和主观标准不一样，而且新老施工人员的主观性和随意性差距更大，缺乏一种标准化、定量化、规范性测试与评价的技术手段，判断电缆安装过程是否合格也是经常产生争议，甚至留下隐患。

图1 表面不平度测试装置所用支撑机构外观图

因此，有必要设计一种对电缆接头打磨处理的表面不平度进行简单、可靠测试的装置和测试方法。

本文使用“表面不平度”术语，定义为“在物体表面上，指定距离在20 μm以上的任意两点的标高之差与该两点水平距离之比的标准方差”，不是粗糙度概念的尺度放大。

2 测试装置和测试方法

本文目的在于提供一种电缆接头表面不平度测试装置和测试方法，以标准化定量测试和评价的技术手段，提高电缆连接安装的精度和可靠性[9]。

为达上述目的，本文提供一种电缆接头表面不平度测试装置，包括：支撑机构和测距机构或测径机构；其中支撑机构将被测物体和测距机构或测径机构支撑固定，测距机构或测径机构数显滑块的两端与一组或两组支撑机构联接固定为一个整体。

为达上述目的，本文还提供一种电缆接头表面不平度测试方法，包括：用一个几何学平面穿过在被测物体上指定的笛卡尔轴线（X轴），将该几何学平面与被测物体表面相交的曲线作为被测曲线，并在被测曲线上选取样本测试点；用测距机构或测径机构依指定步距Δx且平行于该几何学平面沿着X轴方向连续或逐步滑移，每滑移一次步距Δx就测量一次从测距机构或测径机构默认基线到被测曲线上样本测试点的距离，或测量被测物体上样本测试点的直径，再直接或间接变换成从X轴标到被测曲线上样本测试点的距离（Y轴标）；测距机构或测径机构共滑移m次步距Δx，相应地就得到共有m+1点从Xi轴标到样本测试点的Yi轴标;再将几何学平面绕被测物体的X轴旋转n次α角度或平移n次a距离，则在被测物体表面上的样本测试点构成的网格交点上就得到共有(m+1)(n+1)个从Xi,j轴标到样本测试点的Yi,j轴标（如表1）；再计算出(m×n)对相邻步距样本测试点的2个Y轴标之差Δyi,j与步距Δx或距离a之比作为该样本测试点的斜率Ri,j，以(m×n)个斜率Ri,j的标准方差表征为所测表面上样本测试点的表面不平度Ws；根据工程设计对表面不平度Ws的具体要求选择步距Δx、选择旋转角度α或平移距离a的大小。

表1 网格交点从Xi,j轴标到样本测试点的Yi,j轴标

进一步地，所述步距Δx的取值范围，由工程设计精度确定或优选为0.02～2.00 mm。

进一步地，所述测距机构或测径机构默认基线及直接或间接变换的数学表达式，由测距机构或测径机构产品使用说明书或规范性文件确定。

进一步地，所述旋转角度α或平移距离a的取值范围，由工程设计精度确定，或旋转角度α优选为0.9°～90.0°，或者平移距离a优选为0.3～30.0 mm。

进一步地，所述斜率Ri,j的计算方法按式（1）确定：

式中：系数1.65为单边统计概率置信度95%下的置信区间宽度；R为斜率Ri,j绝对值的平均值，R的计算方法按式（3）确定：

进一步地，所述表面不平度Ws是否合格,由工程设计允许最大值ULV确定。

图2～图4为本文表面不平度测试方法示意图。

图2 从X轴标到被测曲线全部样本测试点的距离

图3 相邻两个样本测试点的Y轴标之差举例

图4 其中一条被测曲线上相邻两个样本测试点的表面不平度举例

3 具体结构及其具体实施方式

本文所有图中，相同功能和结构的零件使用同一标号，为了简化图样，省略了对称位置的零件标号。为了详细说明该测试装置及测试方法的实现目的、构造特征、技术内容等，下面结合测试装置的附图进行说明。

3.1 表面不平度测试装置结构说明

如图5～图7所示，该电缆接头表面不平度测试装置包括：支撑机构100和激光测距机构200；其中支撑机构100将被测物体400和激光测距机构200支撑固定，激光测距机构200的数显滑块202两端与两组支撑机构100的支撑框104联接固定为一个整体，激光测距机构200优选市售的激光测距仪且包括数显滑块A 204和标尺A 205的标准组件。

图5 表面不平度测试装置示意图

如图6和图7所示，揭示了本文提供的一种支撑机构100，包括锁紧螺杆101、夹板102、孔用卡簧103、支撑框104、轴端卡簧105和轴承106；锁紧螺杆101的结构是一根丝杆，丝杆的一端带手柄、另一端与夹板102联接，锁紧螺杆101通过螺纹孔与支撑框104框体104.1联接；夹板102的结构是一个块体，块体的一面带V形柱面、另一面包含孔用卡簧103、轴端卡簧105和轴承106；所述孔用卡簧103、轴端卡簧105和轴承106优选市售的标准件；支撑框104的结构是一个“凹”形框体104.1，框体104.1的外侧带一根与数显滑块203或数显滑块303联接的手指104.3，手指104.3上开有与标尺205或标尺305联接的通孔104.4。

图6 支撑机构剖面图

图7 支撑机构示意图

3.2 表面不平度测试方法说明

如图2～图5所示，揭示了该电缆接头表面不平度测试方法的测试装置，用一个几何学平面穿过在被测物体400上指定的笛卡尔轴线（X轴），将该几何学平面与被测物体400表面相交的曲线作为被测曲线，并在被测曲线上选取样本测试点；用激光测距仪并依指定步距Δx且平行于该几何学平面沿着X轴方向逐步滑移，每滑移一次步距Δx就测量一次从测距机构默认基线到被测曲线上样本测试点的距离，再按照由激光测距仪使用说明书确定的数学关系，变换成从X轴标到被测曲线上样本测试点的距离（Y轴标）；激光测距仪共滑移m次步距Δx，相应地就得到共有m+1点从Xi轴标到样本测试点的Yi轴标; 再将几何学平面绕被测物体的X轴旋转n次α角度，则在被测物体表面上的样本测试点构成的网格交点上就得到共有(m+1)×(n+1)点从Xi,j轴标到样本测试点的Yi,j轴标（如表1）；再计算出(m×n)个相邻步距样本测试点的两个Y轴标之差Δyi,j与步距Δx之比作为该样本测试点的斜率Ri,j，以(m×n)个斜率Ri,j的标准方差表征为所测表面上样本测试点的表面不平度Ws；根据工程设计对表面不平度Ws的具体要求选择步距Δx、选择旋转角度α的大小。

其中，步距Δx的取值由工程设计精度确定为0.03 mm；旋转角度α的取值由工程设计精度确定为60°；斜率Ri,j的计算方法按式（1）确定；表面不平度Ws的计算方法按式（2）确定；表面不平度Ws是否合格,由工程设计允许最大值ULV确定。

该电缆接头表面不平度测试装置的工作过程如下：

将支撑机构100上V形槽104.2、夹板102夹持在电缆接头400上，将激光测距仪201与位移传感器A 202联接固定在一起，位移传感器A 202套在标尺A 205上，标尺A 205通过固定螺钉A 206和支撑孔104.4固定在支撑臂104.3上，保持标尺A 205的长度方向与电缆接头400的轴心线（x轴）平行。使用时，推动位移传感器A 202沿x轴滑行一次，经过电脑系统的记录和数学变换处理，就可得到在设定步距Δx的x轴上电缆接头表面各点的一对标高数据（X1,0，Y1,0），推动位移传感器A 202沿x轴滑行m次就可得到在设定步距Δx的x轴上电缆接头表面各点，包括（X0,0，Y0,0），共有m+1对标高数据（Xm+1,0，Ym+1,0）;然后将电缆400与支撑机构100相对旋转一个角度α一次并同样测量一次就得到一组新的标高数据（Xm+1,1，Ym+1,1）,对旋转n个角度α直到电缆接头表面的打磨关键区Gcs全部测量完毕,包括（Xm+1,0，Ym+1,0）等，就得到n+1组标高数据（Xm+1,n+1，Ym+1,n+1）;经过内置程序的计算最终得到m×n个表面不平度Ws数据，并自动按照工程设计要求设定的表面不平度Ws的最大允许值ULV判定该电缆接头打磨关键区Gcs是否合格。