一種用于圓形電連接器的自動定心夾具

徐鑫 韓俊文 趙靜逸 梁軍生

摘要：為了實現電連接器保持力的快速檢測，使用合適的夾具對電連接器進行快速可靠的裝夾是十分關鍵的一步。航空企業普遍使用的圓形電連接器又叫航空插頭，符合美軍標的要求，這種標準的連接器殼體形狀隨型號的不同也不盡相同，但都具有圓柱面以及臺階面這些共同特征。設計了一種適用于圓形電連接器的自動定心夾具，使用其圓柱面和臺階面進行定位，通過3個均布在圓周方向的夾爪完成夾緊和松開動作，能夠實現對不同型號電連接器的自定心夾持。這種夾具利用蝸輪蝸桿傳動機構帶動旋轉件發生相對轉動，旋轉件的轉動帶動活動銷沿斜弧形槽滑動，從而帶動與之連接的夾爪沿引導槽作徑向移動夾緊。根據蝸輪蝸桿傳動系統的自鎖性對夾具的尺寸參數進行了確定，提高了夾持的可靠性。

關鍵詞：電連接器;自動定心;夾具

中圖分類號：TG75??????????????? 文獻標志碼：A???????? 文章編號：1009-9492（2021）12-0058-03

A Kind of Self-centering Fixture for Circular Electrical Connectors

Xu Xin1，Han Junwen1，Zhao Jingyi1，Liang Junsheng1，2※

（1. Key Laboratory for Micro/Nano Technology and System， Liaoning Province， Dalian University of Technology， Dalian， Liaoning 116024，China;2. Key Laboratory for Precision and Non-traditional Machining Technology of Ministry of Education， Dalian University of Technology，Dalian， Liaoning 116024， China）

Abstract： In order to achieve rapid detection of the retention force of the electrical connector， it is a very critical step to use a suitable clamp to clamp the electrical connector fast and reliably. The circular electrical connector commonly used by aviation companies is also called aviation plug， which meets the requirements of the US military standard. The shape of the shell of this standard connector varies with the model， but they all have the common characteristics of a cylindrical surface and a stepped surface. The self-centering fixture designed for circular electrical connectors used its cylindrical surface and stepped surface for positioning. Three clamping jaws evenly distributed in the circumferential direction complete the clamping and unclamping actions， which could realize different types of self-centering clamping of electrical connectors. The clamp utilized a worm and worm gear mechanism to drive the rotating part to rotate relative to each other， and the rotation of the rotating part drived the movable pin to slide along the oblique arc groove， thereby driving the clamping jaw connected with it to move and clamp in the radial direction along the guide groove. According to the self-locking property of the worm gearing， the size parameters of the clamp are determined， which improves the reliability of the clamping.

Key words： electrical connector; self-centering; fixture

0 引言

電連接器作為一種快速便捷的線纜連接器件，廣泛應用于航空、航天、電力、軌道交通等各個領域。電連接器按其形狀可以分為圓形電連接器和矩形電連接器，本文涉及的圓形電連接器又叫航空插頭，是航天工程中不可或缺的互聯器件，例如，一架大型運輸機電纜總長度可以達到250 km ，一次配套的電連接器多達4500多件[1]。電連接器內的接觸件是實現電連接功能的核心元件，其連接狀態對保障關鍵裝備的信號連通質量具有決定性作用[2-4]。為了避免接觸件退針、縮針而引發的故障，在電連接器的生產和使用環節會對每一個接觸件逐一進行保持力檢測。

目前，保持力檢測的工作主要由工人手持檢測工具來完成，該工具是美國 Daniels Manu? facturing???? Corporation （DMC）公司生產的HT250系列保持力測試儀，如圖1所示。由于電連接器用量十分龐大并且接觸件分布密集，檢測人員的工作量很大，容易發生漏檢和誤檢。對此，研究人員嘗試從多個角度解決保持力檢測效率低下的難題。蘇曉[5]設計了一種基于壓阻效應原理的電氣連接器檢測裝置，該檢測裝置利用單點式壓阻薄膜傳感器將物理運動信號轉換為電信號，并通過指示燈顯示縮針檢測結果;胡逸飛[6]設計的電連接器縮針檢測系統基于機器視覺的方式，通過對采集的電連接器圖像進行分析和處理，能夠識別并標記插針，從而實現系統的縮針檢測。在對電連接器進行保持力自動化檢測時，無論采用基于壓阻效應[5，7]的檢測方法還是基于機器視覺[6，8-10]的檢測方案，都必須先對電連接器進行可靠固定。但是電連接器種類繁多，型號不同的電連接器其殼體形狀和尺寸也不盡相同，如果對不同的電連接器設計不同的夾具，不僅增加設計工裝夾具的工作量，對實現電連接器的快速裝夾和保持力檢測也增加了困難。

為此，本文設計了一種針對圓形電連接器的自動定心夾具，能夠實現對不同型號電連接器的可靠裝夾，為電連接器保持力的高效檢測提供了基礎。

1 夾具設計

1.1 設計要求

本文的圓形電連接器又叫航空插頭，符合相應的美軍標體系標準[11]。這種標準的連接器按殼體形狀可以分為方形法蘭插座、電纜連接插座、防松螺母插座以及抗射頻干擾的插頭，如表1所示。注意到這些電連接器雖然殼體形狀大小不一，但都具有圓柱面和臺階面。因此，電連接器夾具的設計要求可以簡化為對階梯軸的定位與夾持。與階梯軸不同的是，生產和使用現場的電連接器通常都已經安裝好了接觸件，接觸件線纜可能非常長，采取和車床一樣的送料方式是不太理想的。對于帶有長線纜的電連接器，裝卡方式必須方便快捷。

1.2 V型塊夾持方案

根據上述設計要求，基于 V 型塊的定位原理設計了一種簡易定心夾具，如圖2所示。該夾具采用兩個左右相對放置的 V 型塊作為定位夾緊元件，通過 V 型塊的 V 形面進行定位，適用于夾持不同外徑的圓柱面。兩個 V 型塊分別與左右兩個滑板相連接，左右兩個滑板分別安裝在兩個對開螺母上，對開螺母分別安裝在雙頭絲杠的左右兩側，雙頭絲杠左右兩側的螺紋螺距相同、旋向相反，使得絲杠轉動時兩個對開螺母能夠同時向相反方向移動，從而帶動 V 型塊實施夾緊和松開動作。以上機構需要與軸承、軸承座、螺釘等零部件配合使用，以便將夾具安裝在固定座上。該夾具采用絲杠螺母機構將旋轉運動轉換為直線運動，傳動方式為絲杠轉動、螺母移動，需要限制螺母的轉動，故固定座需有導向裝置。

對電連接器進行夾緊時，用專用扳手卡緊雙頭絲杠右側的四方頭旋轉，通過絲杠螺母副帶動左右兩側的對開螺母相向運動，從而帶動左右滑板以及安裝在上面的 V 型塊相向運動，實施夾緊，松開只需反向轉動四方頭即可。

1.3 三爪定心夾持方案

在上述夾持方案中，考慮到 V 型塊左右放置，裝夾時可能因為電連接器夾不緊而造成定位不準確。根據這一考量，設計了與三爪卡盤類似的三爪定心夾具，如圖3所示。該夾具主要由圓環形外側固定件、旋轉件、圓環形內側固定件、夾持元件、活動銷、定位銷、塞打螺釘組成。夾持元件為在圓周方向均布的3個 U 形夾爪，夾持部分為不完全貫通的三角形凹槽，可以增大夾持面積和提高夾持的可靠性。圓環形內側固定件和圓環形外側固定件對稱布置在旋轉件的兩側，并通過定位銷和塞打螺栓進行定位連接。夾持元件嵌套在圓環狀外側固定件的引導槽和圓環狀內側固定件的引導槽中，并通過活動銷與旋轉件連接。

1.3.1 結構說明

該夾具需要與蝸桿、螺釘、軸承、軸承座等其他零部件配合使用，將其組裝在一起固定在外部設備上，圖4所示為三爪定心夾具的裝配圖。蝸桿與旋轉件邊緣的蝸輪齒組成傳動系統，通過蝸桿的轉動帶動旋轉件實現回轉功能，蝸輪蝸桿傳動為具有自鎖性質的傳動。軸承座包括軸承和底座，軸承安裝在蝸桿的兩端，底座的兩側對稱地設有安裝孔，軸承座與外部安裝設備通過螺紋連接為一體。手輪與蝸桿通過鍵相連接，通過轉動手輪，蝸桿帶動旋轉件實現回轉功能。

圓環形外側固定件為具有開口的圓環形結構，上部開口的作用為容納電連接器的線纜，圓環內側徑向延伸出3個均布的引導槽，在引導槽旁的相應位置設置有銷孔。圓環面上分布有2個通孔與圓環形內側固定件相連接。圓環形內側固定件為具有開口的圓環形結構，上部開口的作用為容納電連接器的線纜，圓環內側徑向延伸出3個均布的引導槽，引導槽的位置與圓環形外側固定件上引導槽的位置相對應，在引導槽旁的相應位置設置有銷孔，銷孔的位置與圓環形外側固定件上銷孔的位置相對應。圓環面上分布有2個用于與圓環形外側固定件相連接的螺紋孔，螺紋孔的位置與圓環形外側固定件上通孔的位置相對應，另外圓環面上還開設有與外部支撐機構連接的螺紋孔。

旋轉件為上端具有開口的圓環形結構，上部開口的作用為容納電連接器的線纜，旋轉件的底端為不完全齒蝸輪，其與蝸桿構成傳動系統。旋轉件圓環面上開有3個弧形槽和3個斜弧形槽，弧形槽與圓環形外側固定件上的銷孔等徑，使得定位銷可以在弧形槽中滑動，弧形槽的形狀呈與旋轉件的回轉軸同心的圓弧形。斜弧形槽與夾爪上的銷孔等徑，使得活動銷可以在弧形槽中滑動，斜弧形槽的形狀為相對旋轉件的回轉軸變徑的斜弧形。旋轉件圓環面上還開有兩個弧形槽，用以容納塞打螺釘。

夾爪為剛性結構，其形狀為 U 字形，其寬度與圓環形外側固定件上的引導槽等寬，夾持部分為不完全貫通的三角形凹槽，正面設置有貫穿的銷孔，通過活動銷與旋轉件相連接。定位銷與旋轉件上的弧形槽為間隙配合，與圓環形固定件上的銷孔為過盈配合，安裝定位銷時，首先將銷穿過旋轉件上的弧形槽，再與圓環形固定件上的銷孔相配合。活動銷與旋轉件上的斜弧形槽為間隙配合，與夾爪上的銷孔為過盈配合，安裝夾爪和活動銷時，首先將夾爪嵌套在圓環狀外側固定件的引導槽和圓環狀內側固定件的引導槽中，調整好夾爪的位置，再將活動銷穿過夾爪上的銷孔和旋轉件上的斜弧形槽完成配合。

夾緊動作時，搖動手輪使蝸桿轉動，蝸桿與旋轉件邊緣的蝸輪齒形相嚙合，蝸桿轉動帶動旋轉件轉動。由于旋轉件上弧形槽的形狀限制，旋轉件只能轉動一定的角度。在旋轉件轉動時，由于斜弧形槽的形狀為相對旋轉件的回轉軸變徑的斜弧形，連接夾爪與旋轉件的活動銷一方面相對旋轉件的回轉軸做圓周運動，另一方面做徑向運動。夾爪則受到引導槽的限制做徑向移動從而實施夾緊，反向搖動手輪即可實現松開功能。

1.3.2 尺寸參數確定

該夾具通過夾持元件的同步向心運動實現對電連接器的徑向定位與夾緊，軸向依靠電連接器的臺階面來進行定位，定位完成后利用蝸桿傳動的自鎖性保證了夾持的可靠性。下面對夾具的具體參數予以確定。

夾具的實際工況為要求自鎖的低速、輕載傳動，故選用單頭阿基米德圓柱蝸桿（ ZA 蝸桿）傳動，即蝸桿頭數 z1=1。考慮蝸桿傳動功率不大，故蝸桿和蝸輪都用45鋼。蝸輪齒數 z2主要根據傳動比來確定。應注意：為了避免用蝸輪滾刀切制蝸輪時產生根切與干涉，理論上應使z2min ≥17。但當z2<26時，嚙合區要顯著減小，將影響傳動的平穩性，而在 z2≥30時，則可始終保持有兩對以上的齒嚙合，所以通常規定z2>28。對于動力傳動，z2一般不大于80。這是由于當蝸輪直徑不變時，z2越大，模數就越小，將使輪齒的彎曲強度削弱;當模數不變時，蝸輪尺寸將要增大，使相嚙合的蝸桿支承間距加長，容易產生撓曲而影響正常的嚙合。z1、z2的薦用值如表2所示。

根據閉式蝸桿傳動的設計準則，應按齒面接觸疲勞強度確定 m2d1，再選擇蝸桿與蝸輪的尺寸參數。考慮到手輪驅動的輸入功率比較小，以及檢測裝置的便攜性，確定蝸輪直徑在100 mm以內。直徑一定的情況下，為了不過多削弱蝸輪輪齒的彎曲強度，選取模數 m=2 mm，齒數 z2=45。蝸桿分度圓直徑 d1=26 mm，蝸輪變位系數 x2=-0.25，中心距a=57.5 mm。

2 夾具使用效果

三爪夾緊機構實物如圖5所示。為保護電連接器表面的金屬鍍層，避免其在夾持過程中損壞，可在夾持元件的夾持面鋪設橡膠墊。

3 結束語

為滿足電連接器保持力快速檢測的需求，本文設計了一種適用于圓形電連接器的自動定心夾具。針對圓形電連接器都具有圓柱面、臺階面的特點，采用3個均布在夾具體上的夾爪的同步向心移動來實現夾緊和松開動作，對于不同型號的電連接器都能實現快速可靠的裝夾，解決了使用 V 型塊夾持可能造成的定位不準確問題，為電連接器的保持力自動化檢測提供了合適的夾具。該夾具利用蝸輪蝸桿傳動機構帶動旋轉件發生相對轉動，旋轉件的轉動帶動活動銷沿斜弧形槽滑動，從而帶動與之連接的夾爪沿引導槽做徑向移動完成夾緊。考慮到裝夾的穩定性，設計了具有自鎖性質的蝸輪蝸桿傳動系統，對夾具的尺寸參數進行了確定，使裝夾更為可靠。

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第一作者簡介：徐鑫（1995-），女，江蘇無錫人，碩士研究生，研究領域為機械設計制造、機械電子工程。

※通訊作者簡介：梁軍生（1973-），男，廣西桂林人，博士，研究員，博士生導師，研究領域為微納米制造與器件、微納機電系統。

（編輯：王智圣）