一種電纜接頭表面不平度測試裝置和測試方法

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

電纜接頭類似一個圓柱體，而圓柱體的不平度檢測是個古老而常新的問題，不同圓柱體的應用領域對不平度精度的要求有很大的不同，其檢測方法和檢測器具的結構、原理都存在很大差異，從價值工程判斷都有各自的優缺點，所以人們在不斷地發明各種性價比高的圓柱體不平度的檢測裝置[1-3]，如重力法、直尺法和光學法。

重力法比較原始，利用液體自動保持水平的現象，或者利用重物自動保持豎直的現象來測量不平度。其常用水平儀進行測量，還可以利用液面與被測面進行比較來測量不平度誤差。這種方式是通過目測來觀察的，很難有量化數據顯示，所測試結果無法滿足現代工程技術的精度要求。

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行度量，已衍生為各種性價比的不平度測量儀，不同結構的直尺法不平度測量儀，可以適用的精度范圍較寬。比如將石英平尺的測量面定義為基準面，然后與被測不平面進行比較，通過使用傳感器和對應的電子系統進行處理并記錄被測截面的外部輪廓形狀，適用于精度要求較高的不平度測量。

光學法[4]直線度測量儀的制造成本較高，比如利用望遠鏡和準直光管組成的光學準直望遠系統，一般應用于尖端制造領域而難于普及[5]。

本文中電纜檢測過程所采用的屬于上述方法中的直尺法。

1 設計目的

如圖1所示，在電纜的連接安裝過程中[6-8]，往往在施工現場需要預先對電纜的端頭進行人工打磨處理，以確保電纜端頭與電纜附件“無縫”對接的安裝精度和可靠性。以往是靠技術工人眼觀手摸的經驗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準不一樣，而且新老施工人員的主觀性和隨意性差距更大，缺乏一種標準化、定量化、規范性測試與評價的技術手段，判斷電纜安裝過程是否合格也是經常產生爭議，甚至留下隱患。

圖1 表面不平度測試裝置所用支撐機構外觀圖

因此，有必要設計一種對電纜接頭打磨處理的表面不平度進行簡單、可靠測試的裝置和測試方法。

本文使用“表面不平度”術語，定義為“在物體表面上，指定距離在20 μm以上的任意兩點的標高之差與該兩點水平距離之比的標準方差”，不是粗糙度概念的尺度放大。

2 測試裝置和測試方法

本文目的在于提供一種電纜接頭表面不平度測試裝置和測試方法，以標準化定量測試和評價的技術手段，提高電纜連接安裝的精度和可靠性[9]。

為達上述目的，本文提供一種電纜接頭表面不平度測試裝置，包括：支撐機構和測距機構或測徑機構；其中支撐機構將被測物體和測距機構或測徑機構支撐固定，測距機構或測徑機構數顯滑塊的兩端與一組或兩組支撐機構聯接固定為一個整體。

為達上述目的，本文還提供一種電纜接頭表面不平度測試方法，包括：用一個幾何學平面穿過在被測物體上指定的笛卡爾軸線（X軸），將該幾何學平面與被測物體表面相交的曲線作為被測曲線，并在被測曲線上選取樣本測試點；用測距機構或測徑機構依指定步距Δx且平行于該幾何學平面沿著X軸方向連續或逐步滑移，每滑移一次步距Δx就測量一次從測距機構或測徑機構默認基線到被測曲線上樣本測試點的距離，或測量被測物體上樣本測試點的直徑，再直接或間接變換成從X軸標到被測曲線上樣本測試點的距離（Y軸標）；測距機構或測徑機構共滑移m次步距Δx，相應地就得到共有m+1點從Xi軸標到樣本測試點的Yi軸標;再將幾何學平面繞被測物體的X軸旋轉n次α角度或平移n次a距離，則在被測物體表面上的樣本測試點構成的網格交點上就得到共有(m+1)(n+1)個從Xi,j軸標到樣本測試點的Yi,j軸標（如表1）；再計算出(m×n)對相鄰步距樣本測試點的2個Y軸標之差Δyi,j與步距Δx或距離a之比作為該樣本測試點的斜率Ri,j，以(m×n)個斜率Ri,j的標準方差表征為所測表面上樣本測試點的表面不平度Ws；根據工程設計對表面不平度Ws的具體要求選擇步距Δx、選擇旋轉角度α或平移距離a的大小。

表1 網格交點從Xi,j軸標到樣本測試點的Yi,j軸標

進一步地，所述步距Δx的取值范圍，由工程設計精度確定或優選為0.02～2.00 mm。

進一步地，所述測距機構或測徑機構默認基線及直接或間接變換的數學表達式，由測距機構或測徑機構產品使用說明書或規范性文件確定。

進一步地，所述旋轉角度α或平移距離a的取值范圍，由工程設計精度確定，或旋轉角度α優選為0.9°～90.0°，或者平移距離a優選為0.3～30.0 mm。

進一步地，所述斜率Ri,j的計算方法按式（1）確定：

式中：系數1.65為單邊統計概率置信度95%下的置信區間寬度；R為斜率Ri,j絕對值的平均值，R的計算方法按式（3）確定：

進一步地，所述表面不平度Ws是否合格,由工程設計允許最大值ULV確定。

圖2～圖4為本文表面不平度測試方法示意圖。

圖2 從X軸標到被測曲線全部樣本測試點的距離

圖3 相鄰兩個樣本測試點的Y軸標之差舉例

圖4 其中一條被測曲線上相鄰兩個樣本測試點的表面不平度舉例

3 具體結構及其具體實施方式

本文所有圖中，相同功能和結構的零件使用同一標號，為了簡化圖樣，省略了對稱位置的零件標號。為了詳細說明該測試裝置及測試方法的實現目的、構造特征、技術內容等，下面結合測試裝置的附圖進行說明。

3.1 表面不平度測試裝置結構說明

如圖5～圖7所示，該電纜接頭表面不平度測試裝置包括：支撐機構100和激光測距機構200；其中支撐機構100將被測物體400和激光測距機構200支撐固定，激光測距機構200的數顯滑塊202兩端與兩組支撐機構100的支撐框104聯接固定為一個整體，激光測距機構200優選市售的激光測距儀且包括數顯滑塊A 204和標尺A 205的標準組件。

圖5 表面不平度測試裝置示意圖

如圖6和圖7所示，揭示了本文提供的一種支撐機構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的結構是一根絲桿，絲桿的一端帶手柄、另一端與夾板102聯接，鎖緊螺桿101通過螺紋孔與支撐框104框體104.1聯接；夾板102的結構是一個塊體，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優選市售的標準件；支撐框104的結構是一個“凹”形框體104.1，框體104.1的外側帶一根與數顯滑塊203或數顯滑塊303聯接的手指104.3，手指104.3上開有與標尺205或標尺305聯接的通孔104.4。

圖6 支撐機構剖面圖

圖7 支撐機構示意圖

3.2 表面不平度測試方法說明

如圖2～圖5所示，揭示了該電纜接頭表面不平度測試方法的測試裝置，用一個幾何學平面穿過在被測物體400上指定的笛卡爾軸線（X軸），將該幾何學平面與被測物體400表面相交的曲線作為被測曲線，并在被測曲線上選取樣本測試點；用激光測距儀并依指定步距Δx且平行于該幾何學平面沿著X軸方向逐步滑移，每滑移一次步距Δx就測量一次從測距機構默認基線到被測曲線上樣本測試點的距離，再按照由激光測距儀使用說明書確定的數學關系，變換成從X軸標到被測曲線上樣本測試點的距離（Y軸標）；激光測距儀共滑移m次步距Δx，相應地就得到共有m+1點從Xi軸標到樣本測試點的Yi軸標; 再將幾何學平面繞被測物體的X軸旋轉n次α角度，則在被測物體表面上的樣本測試點構成的網格交點上就得到共有(m+1)×(n+1)點從Xi,j軸標到樣本測試點的Yi,j軸標（如表1）；再計算出(m×n)個相鄰步距樣本測試點的兩個Y軸標之差Δyi,j與步距Δx之比作為該樣本測試點的斜率Ri,j，以(m×n)個斜率Ri,j的標準方差表征為所測表面上樣本測試點的表面不平度Ws；根據工程設計對表面不平度Ws的具體要求選擇步距Δx、選擇旋轉角度α的大小。

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

該電纜接頭表面不平度測試裝置的工作過程如下：

將支撐機構100上V形槽104.2、夾板102夾持在電纜接頭400上，將激光測距儀201與位移傳感器A 202聯接固定在一起，位移傳感器A 202套在標尺A 205上，標尺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，保持標尺A 205的長度方向與電纜接頭400的軸心線（x軸）平行。使用時，推動位移傳感器A 202沿x軸滑行一次，經過電腦系統的記錄和數學變換處理，就可得到在設定步距Δx的x軸上電纜接頭表面各點的一對標高數據（X1,0，Y1,0），推動位移傳感器A 202沿x軸滑行m次就可得到在設定步距Δx的x軸上電纜接頭表面各點，包括（X0,0，Y0,0），共有m+1對標高數據（Xm+1,0，Ym+1,0）;然后將電纜400與支撐機構100相對旋轉一個角度α一次并同樣測量一次就得到一組新的標高數據（Xm+1,1，Ym+1,1）,對旋轉n個角度α直到電纜接頭表面的打磨關鍵區Gcs全部測量完畢,包括（Xm+1,0，Ym+1,0）等，就得到n+1組標高數據（Xm+1,n+1，Ym+1,n+1）;經過內置程序的計算最終得到m×n個表面不平度Ws數據，并自動按照工程設計要求設定的表面不平度Ws的最大允許值ULV判定該電纜接頭打磨關鍵區Gcs是否合格。

4 結語

本文介紹的電纜接頭表面不平度測試裝置，其有益技術效果在于：1）結構簡潔、輕便小巧，有利于在施工現場使應用；2）可實現電纜接頭打磨關鍵區表面不平度的標準化、定量化、規范性測試與評價技術手段；3）測試裝置具有通用性，既用于電纜接頭打磨區也可用于其它物體表面不平度的測試。

本文提出的全新概念的一種表面不平度測試方法，其有益技術效果在于：1）以標準化定量測試和評價的技術手段，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準化、定量化、規范性測試與評價的技術手段，具有通用性。