導電環彈性部件壓力檢測技術研究

林興顏，李道權，劉曉紅，王新鵬，吳海紅

（1.中船九江精達科技股份有限公司，九江 330300；2.九江職業技術學院，九江 330300；3.長春理工大學 機電工程學院，長春 130022）

導電環為應用于衛星太陽能電池板驅動機構的關鍵部件，用于傳遞衛星與電池板間的電功率和控制信號，其工作性能影響衛星整體能源安全與在軌的壽命[1-2]。如今導電滑環的應用變得更加廣泛，國內外加大了對于導電滑環的研究工作，對于刷絲而言，國外研究重點在于控制刷絲接觸偏差[3]、穩定刷絲接觸電弧[4]、減少電刷磨損[5]等，國內研究重點在于刷絲壓力檢測[6-7]、刷絲裝配工藝優化[8]、刷絲熱處理[9-10]等，雖然研究方向不同，但是本質上都旨在提高刷絲的接觸質量和使用壽命。目前傳統刷絲測量方法多為手工測量，該方法存在較大的誤差，僅可作為一個設計參考值，因此急需一種最佳的壓力測量方法來滿足產品研制保障過程中刷絲壓力可靠檢測的需要。

1 刷絲壓力檢測原理

目前在導電滑環制造和應用的行業內，主要采用“π”形刷架進行傳輸，以“π”形刷和V形槽為經典案例，如圖1所示，每個觸點的刷絲的壓力，主要靠彈性刷絲預變形、懸臂的刷絲產生壓力，在動態旋轉過程中，“π”形刷和V形槽實現電功率和控制信號的傳輸，刷絲壓力一般在1～50 g范圍內，測量精度需要控制在±1 g，因此對測試工具和方法提出了較高的要求。

圖1 導電環電接觸結構圖

為了確保真實的模擬接觸狀態，提出一種仿形件形式模擬刷絲與滑環的實際接觸狀態的方法，如圖2所示。

圖2 導電滑環環片仿形件示意圖

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

圖3 導電滑環環片仿形件結構圖

如圖4所示，仿形觸頭的圓心位置與旋轉臺的中心重合，尺寸R的大小等于實際電刷滑環半徑尺寸，電刷板內側面到旋轉中心的距離為H，與電刷實際安裝位置到滑環中心尺寸相同，通過微調壓力傳感器的角度，確定刷絲的實際接觸壓力。為保證測試結果準確，將仿形觸頭及傳感器繞中心進行旋轉，變換不同的接觸位置，當獲得最大值時，即刷絲與滑環接觸點受力方向與壓力傳感器受力方向一致時，測得的數值即為F，最終獲得實際接觸的壓力值。

圖4 旋轉測壓示意圖

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，傳感器測得力Fy的范圍越接近于實際接觸的力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。因此為減小仿形環片自重對測試結果的影響，采用密度較小的光敏樹脂作為仿形環片的材質。

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，測量精度為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 刷絲壓力檢測實驗

為驗證測試的準確性，搭建了測試系統，如圖7所示。首先將旋轉臺調節至與電刷板水平位置，計算此時的像素當量，然后通過霍夫圓檢測獲得旋轉臺的圓心坐標和旋轉臺圓心到電刷板兩側角點距離，當兩側距離相同時可以斷定此時旋轉臺中心位于電刷板中心位置。如圖7（a）所示，此時檢測出的旋轉臺圓心到兩側電刷板定位塊角點的距離同為52.95 mm，即環片中心位于電刷板中軸線上。對旋轉臺的圓心與電刷板的距離進行測量，通過圓心坐標向電刷板兩側角點所在直線做垂線，獲取圓心到電刷板定位塊的距離。如圖7（b）所示，此時圓心像素坐標為（612 Pixel，654 Pixel），環片旋轉中心距離為40.5 mm。

圖7 旋轉臺圓心標定

2.1 不同環片尺寸對接觸壓力影響

為探究導電滑環環片尺寸對刷絲接觸壓力的影響，依照不同的環片尺寸，建立環片仿形件，利用3D打印分別制作62 mm、64 mm、66 mm、68 mm、70 mm、72 mm的環片仿形件，如圖8所示。仿形件與實際的環片形狀相符，通過截取其中與電刷絲接觸的部分，對不同尺寸環片進行模擬實驗。

圖8 不同尺寸環片仿形觸頭

在統計學中，一個概率樣本的置信區間（Confidence interval，CI），是對產生這個樣本的總體的參數分布中的某一個未知參數值，以區間形式給出的估計。相對于點估計用一個樣本統計量來估計參數值，置信區間還蘊含了估計的精確度的信息。

式中，μ為各組樣本刷絲壓力平均值；σ為標準差；n為實驗次數。

通過更換不同尺寸的環片，對刷絲與環片的接觸壓力值進行了實驗研究。如表1所示，對不同尺寸的環片分別進行了7組的接觸壓力值檢測，標準誤差小于0.1，置信區間長度在0.3 g以內，通過該方法測得的壓力值精度較高。可以看出隨著環片直徑的增加，環片與刷絲的接觸壓力值逐漸增大。

表1 不同尺寸環片對接觸壓力值的影響

從圖9、圖10可以看出，隨著環片直徑的增大，導電滑環刷絲的壓力也呈現上升的趨勢。當環片直徑超過70 mm時，刷絲壓力發生劇增，當環片直徑為72 mm時，刷絲與環片的接觸壓力值增大了10 g，相對于70 g時，壓力增加33.9%。因此，對于該類型滑環環片大小的設計時要注意當環片尺寸大于70 mm時，刷絲與環片接觸的壓力值會產生較大的突變，造成刷絲壓力過大，刷絲磨損過快，導致導電滑環壽命減短甚至報廢。

圖9 不同環片尺寸刷絲接觸壓力均值圖

圖10 不同環片尺寸刷絲接觸壓力增量圖

2.2 電刷板安裝距離對接觸壓力影響

導電滑環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刷絲與環片接觸壓力值的影響，對仿形環片的旋轉中心進行距離的測量，即對旋轉臺臺面中心進行標定。圖11分別為旋轉臺中心距離電刷板定位塊為40.5 mm、42 mm、43 mm時標定的結果。

圖11 旋轉臺中心標定過程圖

在測量時，首先通過調節位移臺將旋轉臺中心標定在距離電刷板43.5 mm的位置，然后調節旋轉臺測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片接觸的壓力值。按照上述的流程，調節縱向的位移臺，對電刷板不同的安裝距離進行壓力值的檢測，檢測的距離為38.5～43.5 mm，步長為0.25 mm。表2為不同安裝距離下刷絲與環片接觸的壓力值，每個距離分別進行6次實驗。

表2 電刷板不同安裝距離對接觸壓力影響

從圖12可以看出隨著電刷板與環片中心距離的增大，接觸壓力值逐漸減小，由最初的45 g變為6 g。從圖13看出每次安裝距離變化0.25 mm，接觸壓力會發生相對較大的變化，最大增量最少到了27.75%，最小增量達到了3.87%。除39.5和39.75組部分數據異常外，其余各組95%置信區間長度都在1 g以內，滿足預期目標誤差范圍。因此，安裝距離對刷絲接觸壓力值的影響很大。所以在對導電滑環設計時，首先需要確定電刷板安裝距離對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 不同刷絲角度對接觸壓力影響

為探究刷絲不同角度下對環片壓力的影響，選擇角度由11°～20°的刷絲展開接觸壓力值實驗，分別對每個角度進行7次重復檢測。測量結果如表3所示。

表3 不同刷絲角度對接觸壓力影響

從圖14、圖15中可以看出隨著刷絲角度的增大，刷絲與環片的接觸壓力值呈逐漸減小的趨勢，從該表中可以看出當成型角度從11°增加到20°時，壓力值的變化范圍從57 g變為23 g。當刷絲角度為18°時，刷絲壓力變化最大，相對于17°減少了15.99%，因此在考慮刷絲角度成型時，應避免在這一角度值附近區域設計。在實際生產中，需要對刷絲的角度進行合理的設計和成型處理，通過該實驗進一步說明了對刷絲角度成型進行研究具有一定的現實意義。

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 測試系統誤差分析

由于刷絲的接觸壓力理論上最大可達到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 復性 0.05%F.S.，測量精度為0.000 1 N，本研究的刷絲壓力精度為1 g（0.01 N），滿足本實驗的要求。

數據采集系統選用歐路達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.，可以很好地滿足本研究的刷絲接觸壓力檢測精度0.01 N。

本研究的測試系統在運行的過程中產生隨機誤差，因此在相同的條件下，測量同一量的時候會導致數據大小不一致，同時這種誤差沒有變化規律，因此在本研究實驗中設置單因素多水平多樣本容量方法進行誤差控制，根據測量力的變化，逐步消除誤差。其次對機械系統粗大誤差控制，如在不同刷絲角度對接觸壓力的影響中，測量人員讀數錯誤或者電壓突變也會產生很大的誤差。解決這類問題，首先保持一個穩定的實驗環境，在數據采集時采用記錄誤差、計算誤差等粗大誤差控制機制，在數據處理時剔除異常值，避免不良數據的產生。此外，仿形件的設計制造也會產生誤差，因此在設計時按實際滑環工件1∶1設計仿形件模型，在生產制造中采用密度較小的光敏樹脂作為仿形環片的材質，以減小仿形環片自重對測試結果的影響，對3D打印的仿形件尺寸測量，誤差在±0.1 mm，在本研究的誤差范圍內，滿足測量精度技術指標。

4 結論

基于視覺方法提出一種仿形環片測量刷絲接觸壓力的方法。首先對導電滑環刷絲壓力檢測原理詳細說明，然后通過視覺測量對仿形環片旋轉中心進行了距離與位置的標定，得出刷絲的接觸壓力值。最后針對不同環片尺寸、不同安裝距離、不同刷絲角度對接觸壓力的影響進行了實驗研究，得出如下結論：

依據此視覺方法和測試設備，能準確地測試出刷絲的壓力，標準誤差在1%以內，95%置信區間長度在1 g以內，可以較精確地反映刷絲壓力值，能滿足工程應用。在導電環結構布局一定的基礎上，環片直徑、刷絲安裝位置和刷絲角度的三個因素中，電刷板與環片的安裝距離和刷絲角度對于接觸壓力作用明顯，因此，從導電滑環的設計到加工需要嚴格控制刷絲的角度和刷絲安裝位置，有利于提高刷絲與環體的接觸性能，進一步提升了導電滑環信號傳輸的可靠性。