林興顏，李道權(quán)，劉曉紅，王新鵬，吳海紅

（1.中船九江精達(dá)科技股份有限公司，九江 330300；2.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院，九江 330300；3.長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

導(dǎo)電環(huán)為應(yīng)用于衛(wèi)星太陽(yáng)能電池板驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件，用于傳遞衛(wèi)星與電池板間的電功率和控制信號(hào)，其工作性能影響衛(wèi)星整體能源安全與在軌的壽命[1-2]。如今導(dǎo)電滑環(huán)的應(yīng)用變得更加廣泛，國(guó)內(nèi)外加大了對(duì)于導(dǎo)電滑環(huán)的研究工作，對(duì)于刷絲而言，國(guó)外研究重點(diǎn)在于控制刷絲接觸偏差[3]、穩(wěn)定刷絲接觸電弧[4]、減少電刷磨損[5]等，國(guó)內(nèi)研究重點(diǎn)在于刷絲壓力檢測(cè)[6-7]、刷絲裝配工藝優(yōu)化[8]、刷絲熱處理[9-10]等，雖然研究方向不同，但是本質(zhì)上都旨在提高刷絲的接觸質(zhì)量和使用壽命。目前傳統(tǒng)刷絲測(cè)量方法多為手工測(cè)量，該方法存在較大的誤差，僅可作為一個(gè)設(shè)計(jì)參考值，因此急需一種最佳的壓力測(cè)量方法來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)品研制保障過(guò)程中刷絲壓力可靠檢測(cè)的需要。

1 刷絲壓力檢測(cè)原理

目前在導(dǎo)電滑環(huán)制造和應(yīng)用的行業(yè)內(nèi)，主要采用“π”形刷架進(jìn)行傳輸，以“π”形刷和V形槽為經(jīng)典案例，如圖1所示，每個(gè)觸點(diǎn)的刷絲的壓力，主要靠彈性刷絲預(yù)變形、懸臂的刷絲產(chǎn)生壓力，在動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，“π”形刷和V形槽實(shí)現(xiàn)電功率和控制信號(hào)的傳輸，刷絲壓力一般在1～50 g范圍內(nèi)，測(cè)量精度需要控制在±1 g，因此對(duì)測(cè)試工具和方法提出了較高的要求。

圖1 導(dǎo)電環(huán)電接觸結(jié)構(gòu)圖

為了確保真實(shí)的模擬接觸狀態(tài)，提出一種仿形件形式模擬刷絲與滑環(huán)的實(shí)際接觸狀態(tài)的方法，如圖2所示。

圖2 導(dǎo)電滑環(huán)環(huán)片仿形件示意圖

采用一種仿形環(huán)片（與環(huán)片邊緣所在圓弧直徑相同）具體尺寸如圖3所示，底部設(shè)有壓力傳感，環(huán)片仿形件與刷絲接觸面設(shè)有V型槽，尺寸與環(huán)片實(shí)際尺寸相同，從而能夠保證模擬環(huán)片與刷絲的實(shí)際接觸狀態(tài)。

圖3 導(dǎo)電滑環(huán)環(huán)片仿形件結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示，仿形觸頭的圓心位置與旋轉(zhuǎn)臺(tái)的中心重合，尺寸R的大小等于實(shí)際電刷滑環(huán)半徑尺寸，電刷板內(nèi)側(cè)面到旋轉(zhuǎn)中心的距離為H，與電刷實(shí)際安裝位置到滑環(huán)中心尺寸相同，通過(guò)微調(diào)壓力傳感器的角度，確定刷絲的實(shí)際接觸壓力。為保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確，將仿形觸頭及傳感器繞中心進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，變換不同的接觸位置，當(dāng)獲得最大值時(shí)，即刷絲與滑環(huán)接觸點(diǎn)受力方向與壓力傳感器受力方向一致時(shí)，測(cè)得的數(shù)值即為F，最終獲得實(shí)際接觸的壓力值。

圖4 旋轉(zhuǎn)測(cè)壓示意圖

如圖5所示，傳感器獲得豎直向下的力，從圖中可以看出F=Fy/cosα，即α角越小，傳感器測(cè)得力Fy的范圍越接近于實(shí)際接觸的力F，因此在保證不影響接觸效果的前提下，觸頭的尺寸越小，精度越高。因此為減小仿形環(huán)片自重對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，采用密度較小的光敏樹(shù)脂作為仿形環(huán)片的材質(zhì)。

圖5 觸頭精度控制

選用AT8301型S型拉壓力傳感器，該傳感器為微型傳感器，具有體積小、重量輕，具有很好的抗偏載能力的特點(diǎn)，測(cè)量精度為0.000 1 N。本文研究的刷絲接觸壓力精度為1 g（0.01 N），壓力傳感器如圖6所示。

圖6 S型傳感器

2 刷絲壓力檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證測(cè)試的準(zhǔn)確性，搭建了測(cè)試系統(tǒng)，如圖7所示。首先將旋轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)節(jié)至與電刷板水平位置，計(jì)算此時(shí)的像素當(dāng)量，然后通過(guò)霍夫圓檢測(cè)獲得旋轉(zhuǎn)臺(tái)的圓心坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)臺(tái)圓心到電刷板兩側(cè)角點(diǎn)距離，當(dāng)兩側(cè)距離相同時(shí)可以斷定此時(shí)旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心位于電刷板中心位置。如圖7（a）所示，此時(shí)檢測(cè)出的旋轉(zhuǎn)臺(tái)圓心到兩側(cè)電刷板定位塊角點(diǎn)的距離同為52.95 mm，即環(huán)片中心位于電刷板中軸線上。對(duì)旋轉(zhuǎn)臺(tái)的圓心與電刷板的距離進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)圓心坐標(biāo)向電刷板兩側(cè)角點(diǎn)所在直線做垂線，獲取圓心到電刷板定位塊的距離。如圖7（b）所示，此時(shí)圓心像素坐標(biāo)為（612 Pixel，654 Pixel），環(huán)片旋轉(zhuǎn)中心距離為40.5 mm。

圖7 旋轉(zhuǎn)臺(tái)圓心標(biāo)定

2.1 不同環(huán)片尺寸對(duì)接觸壓力影響

為探究導(dǎo)電滑環(huán)環(huán)片尺寸對(duì)刷絲接觸壓力的影響，依照不同的環(huán)片尺寸，建立環(huán)片仿形件，利用3D打印分別制作62 mm、64 mm、66 mm、68 mm、70 mm、72 mm的環(huán)片仿形件，如圖8所示。仿形件與實(shí)際的環(huán)片形狀相符，通過(guò)截取其中與電刷絲接觸的部分，對(duì)不同尺寸環(huán)片進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)。

圖8 不同尺寸環(huán)片仿形觸頭

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中，一個(gè)概率樣本的置信區(qū)間（Confidence interval，CI），是對(duì)產(chǎn)生這個(gè)樣本的總體的參數(shù)分布中的某一個(gè)未知參數(shù)值，以區(qū)間形式給出的估計(jì)。相對(duì)于點(diǎn)估計(jì)用一個(gè)樣本統(tǒng)計(jì)量來(lái)估計(jì)參數(shù)值，置信區(qū)間還蘊(yùn)含了估計(jì)的精確度的信息。

式中，μ為各組樣本刷絲壓力平均值；σ為標(biāo)準(zhǔn)差；n為實(shí)驗(yàn)次數(shù)。

通過(guò)更換不同尺寸的環(huán)片，對(duì)刷絲與環(huán)片的接觸壓力值進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。如表1所示，對(duì)不同尺寸的環(huán)片分別進(jìn)行了7組的接觸壓力值檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)誤差小于0.1，置信區(qū)間長(zhǎng)度在0.3 g以?xún)?nèi)，通過(guò)該方法測(cè)得的壓力值精度較高。可以看出隨著環(huán)片直徑的增加，環(huán)片與刷絲的接觸壓力值逐漸增大。

表1 不同尺寸環(huán)片對(duì)接觸壓力值的影響

從圖9、圖10可以看出，隨著環(huán)片直徑的增大，導(dǎo)電滑環(huán)刷絲的壓力也呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)。當(dāng)環(huán)片直徑超過(guò)70 mm時(shí)，刷絲壓力發(fā)生劇增，當(dāng)環(huán)片直徑為72 mm時(shí)，刷絲與環(huán)片的接觸壓力值增大了10 g，相對(duì)于70 g時(shí)，壓力增加33.9%。因此，對(duì)于該類(lèi)型滑環(huán)環(huán)片大小的設(shè)計(jì)時(shí)要注意當(dāng)環(huán)片尺寸大于70 mm時(shí)，刷絲與環(huán)片接觸的壓力值會(huì)產(chǎn)生較大的突變，造成刷絲壓力過(guò)大，刷絲磨損過(guò)快，導(dǎo)致導(dǎo)電滑環(huán)壽命減短甚至報(bào)廢。

圖9 不同環(huán)片尺寸刷絲接觸壓力均值圖

圖10 不同環(huán)片尺寸刷絲接觸壓力增量圖

2.2 電刷板安裝距離對(duì)接觸壓力影響

導(dǎo)電滑環(huán)電刷板與電刷架的安裝距離為41 mm，為探究電刷板不同安裝距離對(duì)刷絲與環(huán)片接觸壓力值的影響，對(duì)仿形環(huán)片的旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行距離的測(cè)量，即對(duì)旋轉(zhuǎn)臺(tái)臺(tái)面中心進(jìn)行標(biāo)定。圖11分別為旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心距離電刷板定位塊為40.5 mm、42 mm、43 mm時(shí)標(biāo)定的結(jié)果。

圖11 旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心標(biāo)定過(guò)程圖

在測(cè)量時(shí)，首先通過(guò)調(diào)節(jié)位移臺(tái)將旋轉(zhuǎn)臺(tái)中心標(biāo)定在距離電刷板43.5 mm的位置，然后調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)臺(tái)測(cè)得刷絲與仿形件接觸壓力的最大值，該值即為此安裝距離下刷絲與仿形環(huán)片接觸的壓力值。按照上述的流程，調(diào)節(jié)縱向的位移臺(tái)，對(duì)電刷板不同的安裝距離進(jìn)行壓力值的檢測(cè)，檢測(cè)的距離為38.5～43.5 mm，步長(zhǎng)為0.25 mm。表2為不同安裝距離下刷絲與環(huán)片接觸的壓力值，每個(gè)距離分別進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)。

表2 電刷板不同安裝距離對(duì)接觸壓力影響

從圖12可以看出隨著電刷板與環(huán)片中心距離的增大，接觸壓力值逐漸減小，由最初的45 g變?yōu)? g。從圖13看出每次安裝距離變化0.25 mm，接觸壓力會(huì)發(fā)生相對(duì)較大的變化，最大增量最少到了27.75%，最小增量達(dá)到了3.87%。除39.5和39.75組部分?jǐn)?shù)據(jù)異常外，其余各組95%置信區(qū)間長(zhǎng)度都在1 g以?xún)?nèi)，滿(mǎn)足預(yù)期目標(biāo)誤差范圍。因此，安裝距離對(duì)刷絲接觸壓力值的影響很大。所以在對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)設(shè)計(jì)時(shí)，首先需要確定電刷板安裝距離對(duì)刷絲接觸壓力的影響。

圖12 電刷板不同安裝距離刷絲接觸壓力平均值

圖13 電刷板不同安裝距離刷絲壓力增量圖

2.3 不同刷絲角度對(duì)接觸壓力影響

為探究刷絲不同角度下對(duì)環(huán)片壓力的影響，選擇角度由11°～20°的刷絲展開(kāi)接觸壓力值實(shí)驗(yàn)，分別對(duì)每個(gè)角度進(jìn)行7次重復(fù)檢測(cè)。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 不同刷絲角度對(duì)接觸壓力影響

從圖14、圖15中可以看出隨著刷絲角度的增大，刷絲與環(huán)片的接觸壓力值呈逐漸減小的趨勢(shì)，從該表中可以看出當(dāng)成型角度從11°增加到20°時(shí)，壓力值的變化范圍從57 g變?yōu)?3 g。當(dāng)刷絲角度為18°時(shí)，刷絲壓力變化最大，相對(duì)于17°減少了15.99%，因此在考慮刷絲角度成型時(shí)，應(yīng)避免在這一角度值附近區(qū)域設(shè)計(jì)。在實(shí)際生產(chǎn)中，需要對(duì)刷絲的角度進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和成型處理，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明了對(duì)刷絲角度成型進(jìn)行研究具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

圖14 不同角度刷絲接觸壓力均值圖

圖15 不同角度刷絲接觸壓力增量圖

3 測(cè)試系統(tǒng)誤差分析

由于刷絲的接觸壓力理論上最大可達(dá)到50 g（0.5 N）左右的最大值，所以選用量程為1 N的傳感器，選用AT8301-1N S型傳感器，非線性度0.05%F.S.，滯 后性 0.05%F.S.，重 復(fù)性 0.05%F.S.，測(cè)量精度為0.000 1 N，本研究的刷絲壓力精度為1 g（0.01 N），滿(mǎn)足本實(shí)驗(yàn)的要求。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選用歐路達(dá)AD2016C，采集顯示精度1/15 000，顯示分辨率1/50 000，非線性度0.05%F.S.，可以很好地滿(mǎn)足本研究的刷絲接觸壓力檢測(cè)精度0.01 N。

本研究的測(cè)試系統(tǒng)在運(yùn)行的過(guò)程中產(chǎn)生隨機(jī)誤差，因此在相同的條件下，測(cè)量同一量的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)大小不一致，同時(shí)這種誤差沒(méi)有變化規(guī)律，因此在本研究實(shí)驗(yàn)中設(shè)置單因素多水平多樣本容量方法進(jìn)行誤差控制，根據(jù)測(cè)量力的變化，逐步消除誤差。其次對(duì)機(jī)械系統(tǒng)粗大誤差控制，如在不同刷絲角度對(duì)接觸壓力的影響中，測(cè)量人員讀數(shù)錯(cuò)誤或者電壓突變也會(huì)產(chǎn)生很大的誤差。解決這類(lèi)問(wèn)題，首先保持一個(gè)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，在數(shù)據(jù)采集時(shí)采用記錄誤差、計(jì)算誤差等粗大誤差控制機(jī)制，在數(shù)據(jù)處理時(shí)剔除異常值，避免不良數(shù)據(jù)的產(chǎn)生。此外，仿形件的設(shè)計(jì)制造也會(huì)產(chǎn)生誤差，因此在設(shè)計(jì)時(shí)按實(shí)際滑環(huán)工件1∶1設(shè)計(jì)仿形件模型，在生產(chǎn)制造中采用密度較小的光敏樹(shù)脂作為仿形環(huán)片的材質(zhì)，以減小仿形環(huán)片自重對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，對(duì)3D打印的仿形件尺寸測(cè)量，誤差在±0.1 mm，在本研究的誤差范圍內(nèi)，滿(mǎn)足測(cè)量精度技術(shù)指標(biāo)。

4 結(jié)論

基于視覺(jué)方法提出一種仿形環(huán)片測(cè)量刷絲接觸壓力的方法。首先對(duì)導(dǎo)電滑環(huán)刷絲壓力檢測(cè)原理詳細(xì)說(shuō)明，然后通過(guò)視覺(jué)測(cè)量對(duì)仿形環(huán)片旋轉(zhuǎn)中心進(jìn)行了距離與位置的標(biāo)定，得出刷絲的接觸壓力值。最后針對(duì)不同環(huán)片尺寸、不同安裝距離、不同刷絲角度對(duì)接觸壓力的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出如下結(jié)論：

依據(jù)此視覺(jué)方法和測(cè)試設(shè)備，能準(zhǔn)確地測(cè)試出刷絲的壓力，標(biāo)準(zhǔn)誤差在1%以?xún)?nèi)，95%置信區(qū)間長(zhǎng)度在1 g以?xún)?nèi)，可以較精確地反映刷絲壓力值，能滿(mǎn)足工程應(yīng)用。在導(dǎo)電環(huán)結(jié)構(gòu)布局一定的基礎(chǔ)上，環(huán)片直徑、刷絲安裝位置和刷絲角度的三個(gè)因素中，電刷板與環(huán)片的安裝距離和刷絲角度對(duì)于接觸壓力作用明顯，因此，從導(dǎo)電滑環(huán)的設(shè)計(jì)到加工需要嚴(yán)格控制刷絲的角度和刷絲安裝位置，有利于提高刷絲與環(huán)體的接觸性能，進(jìn)一步提升了導(dǎo)電滑環(huán)信號(hào)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>