一種用于圓形電連接器的自動(dòng)定心夾具

徐鑫 韓俊文 趙靜逸 梁軍生

摘要：為了實(shí)現(xiàn)電連接器保持力的快速檢測(cè)，使用合適的夾具對(duì)電連接器進(jìn)行快速可靠的裝夾是十分關(guān)鍵的一步。航空企業(yè)普遍使用的圓形電連接器又叫航空插頭，符合美軍標(biāo)的要求，這種標(biāo)準(zhǔn)的連接器殼體形狀隨型號(hào)的不同也不盡相同，但都具有圓柱面以及臺(tái)階面這些共同特征。設(shè)計(jì)了一種適用于圓形電連接器的自動(dòng)定心夾具，使用其圓柱面和臺(tái)階面進(jìn)行定位，通過3個(gè)均布在圓周方向的夾爪完成夾緊和松開動(dòng)作，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電連接器的自定心夾持。這種夾具利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)件發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活動(dòng)銷沿斜弧形槽滑動(dòng)，從而帶動(dòng)與之連接的夾爪沿引導(dǎo)槽作徑向移動(dòng)夾緊。根據(jù)蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)的自鎖性對(duì)夾具的尺寸參數(shù)進(jìn)行了確定，提高了夾持的可靠性。

關(guān)鍵詞：電連接器;自動(dòng)定心;夾具

中圖分類號(hào)：TG75??????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A???????? 文章編號(hào)：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(yīng)用于航空、航天、電力、軌道交通等各個(gè)領(lǐng)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(lián)器件，例如，一架大型運(yùn)輸機(jī)電纜總長(zhǎng)度可以達(dá)到250 km ，一次配套的電連接器多達(dá)4500多件[1]。電連接器內(nèi)的接觸件是實(shí)現(xiàn)電連接功能的核心元件，其連接狀態(tài)對(duì)保障關(guān)鍵裝備的信號(hào)連通質(zhì)量具有決定性作用[2-4]。為了避免接觸件退針、縮針而引發(fā)的故障，在電連接器的生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)會(huì)對(duì)每一個(gè)接觸件逐一進(jìn)行保持力檢測(cè)。

目前，保持力檢測(cè)的工作主要由工人手持檢測(cè)工具來(lái)完成，該工具是美國(guó) Daniels Manu? facturing???? Corporation （DMC）公司生產(chǎn)的HT250系列保持力測(cè)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(cè)人員的工作量很大，容易發(fā)生漏檢和誤檢。對(duì)此，研究人員嘗試從多個(gè)角度解決保持力檢測(cè)效率低下的難題。蘇曉[5]設(shè)計(jì)了一種基于壓阻效應(yīng)原理的電氣連接器檢測(cè)裝置，該檢測(cè)裝置利用單點(diǎn)式壓阻薄膜傳感器將物理運(yùn)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并通過指示燈顯示縮針檢測(cè)結(jié)果;胡逸飛[6]設(shè)計(jì)的電連接器縮針檢測(cè)系統(tǒng)基于機(jī)器視覺的方式，通過對(duì)采集的電連接器圖像進(jìn)行分析和處理，能夠識(shí)別并標(biāo)記插針，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的縮針檢測(cè)。在對(duì)電連接器進(jìn)行保持力自動(dòng)化檢測(cè)時(shí)，無(wú)論采用基于壓阻效應(yīng)[5，7]的檢測(cè)方法還是基于機(jī)器視覺[6，8-10]的檢測(cè)方案，都必須先對(duì)電連接器進(jìn)行可靠固定。但是電連接器種類繁多，型號(hào)不同的電連接器其殼體形狀和尺寸也不盡相同，如果對(duì)不同的電連接器設(shè)計(jì)不同的夾具，不僅增加設(shè)計(jì)工裝夾具的工作量，對(duì)實(shí)現(xiàn)電連接器的快速裝夾和保持力檢測(cè)也增加了困難。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種針對(duì)圓形電連接器的自動(dòng)定心夾具，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)不同型號(hào)電連接器的可靠裝夾，為電連接器保持力的高效檢測(cè)提供了基礎(chǔ)。

1 夾具設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

本文的圓形電連接器又叫航空插頭，符合相應(yīng)的美軍標(biāo)體系標(biāo)準(zhǔn)[11]。這種標(biāo)準(zhǔn)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(tái)階面。因此，電連接器夾具的設(shè)計(jì)要求可以簡(jiǎn)化為對(duì)階梯軸的定位與夾持。與階梯軸不同的是，生產(chǎn)和使用現(xiàn)場(chǎng)的電連接器通常都已經(jīng)安裝好了接觸件，接觸件線纜可能非常長(zhǎng)，采取和車床一樣的送料方式是不太理想的。對(duì)于帶有長(zhǎng)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(jù)上述設(shè)計(jì)要求，基于 V 型塊的定位原理設(shè)計(jì)了一種簡(jiǎn)易定心夾具，如圖2所示。該夾具采用兩個(gè)左右相對(duì)放置的 V 型塊作為定位夾緊元件，通過 V 型塊的 V 形面進(jìn)行定位，適用于夾持不同外徑的圓柱面。兩個(gè) V 型塊分別與左右兩個(gè)滑板相連接，左右兩個(gè)滑板分別安裝在兩個(gè)對(duì)開螺母上，對(duì)開螺母分別安裝在雙頭絲杠的左右兩側(cè)，雙頭絲杠左右兩側(cè)的螺紋螺距相同、旋向相反，使得絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)兩個(gè)對(duì)開螺母能夠同時(shí)向相反方向移動(dòng)，從而帶動(dòng) V 型塊實(shí)施夾緊和松開動(dòng)作。以上機(jī)構(gòu)需要與軸承、軸承座、螺釘?shù)攘悴考浜鲜褂?，以便將夾具安裝在固定座上。該夾具采用絲杠螺母機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，傳動(dòng)方式為絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)、螺母移動(dòng)，需要限制螺母的轉(zhuǎn)動(dòng)，故固定座需有導(dǎo)向裝置。

對(duì)電連接器進(jìn)行夾緊時(shí)，用專用扳手卡緊雙頭絲杠右側(cè)的四方頭旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母副帶動(dòng)左右兩側(cè)的對(duì)開螺母相向運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)左右滑板以及安裝在上面的 V 型塊相向運(yùn)動(dòng)，實(shí)施夾緊，松開只需反向轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)可能因?yàn)殡娺B接器夾不緊而造成定位不準(zhǔn)確。根據(jù)這一考量，設(shè)計(jì)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(huán)形外側(cè)固定件、旋轉(zhuǎn)件、圓環(huán)形內(nèi)側(cè)固定件、夾持元件、活動(dòng)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(gè) 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(huán)形內(nèi)側(cè)固定件和圓環(huán)形外側(cè)固定件對(duì)稱布置在旋轉(zhuǎn)件的兩側(cè)，并通過定位銷和塞打螺栓進(jìn)行定位連接。夾持元件嵌套在圓環(huán)狀外側(cè)固定件的引導(dǎo)槽和圓環(huán)狀內(nèi)側(cè)固定件的引導(dǎo)槽中，并通過活動(dòng)銷與旋轉(zhuǎn)件連接。

1.3.1 結(jié)構(gòu)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(shè)備上，圖4所示為三爪定心夾具的裝配圖。蝸桿與旋轉(zhuǎn)件邊緣的蝸輪齒組成傳動(dòng)系統(tǒng)，通過蝸桿的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)件實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能，蝸輪蝸桿傳動(dòng)為具有自鎖性質(zhì)的傳動(dòng)。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(cè)對(duì)稱地設(shè)有安裝孔，軸承座與外部安裝設(shè)備通過螺紋連接為一體。手輪與蝸桿通過鍵相連接，通過轉(zhuǎn)動(dòng)手輪，蝸桿帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)件實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)功能。

圓環(huán)形外側(cè)固定件為具有開口的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，上部開口的作用為容納電連接器的線纜，圓環(huán)內(nèi)側(cè)徑向延伸出3個(gè)均布的引導(dǎo)槽，在引導(dǎo)槽旁的相應(yīng)位置設(shè)置有銷孔。圓環(huán)面上分布有2個(gè)通孔與圓環(huán)形內(nèi)側(cè)固定件相連接。圓環(huán)形內(nèi)側(cè)固定件為具有開口的圓環(huán)形結(jié)構(gòu)，上部開口的作用為容納電連接器的線纜，圓環(huán)內(nèi)側(cè)徑向延伸出3個(gè)均布的引導(dǎo)槽，引導(dǎo)槽的位置與圓環(huán)形外側(cè)固定件上引導(dǎo)槽的位置相對(duì)應(yīng)，在引導(dǎo)槽旁的相應(yīng)位置設(shè)置有銷孔，銷孔的位置與圓環(huán)形外側(cè)固定件上銷孔的位置相對(duì)應(yīng)。圓環(huán)面上分布有2個(gè)用于與圓環(huán)形外側(cè)固定件相連接的螺紋孔，螺紋孔的位置與圓環(huán)形外側(cè)固定件上通孔的位置相對(duì)應(yīng)，另外圓環(huán)面上還開設(shè)有與外部支撐機(jī)構(gòu)連接的螺紋孔。

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

夾爪為剛性結(jié)構(gòu)，其形狀為 U 字形，其寬度與圓環(huán)形外側(cè)固定件上的引導(dǎo)槽等寬，夾持部分為不完全貫通的三角形凹槽，正面設(shè)置有貫穿的銷孔，通過活動(dòng)銷與旋轉(zhuǎn)件相連接。定位銷與旋轉(zhuǎn)件上的弧形槽為間隙配合，與圓環(huán)形固定件上的銷孔為過盈配合，安裝定位銷時(shí)，首先將銷穿過旋轉(zhuǎn)件上的弧形槽，再與圓環(huán)形固定件上的銷孔相配合?；顒?dòng)銷與旋轉(zhuǎn)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(dòng)銷時(shí)，首先將夾爪嵌套在圓環(huán)狀外側(cè)固定件的引導(dǎo)槽和圓環(huán)狀內(nèi)側(cè)固定件的引導(dǎo)槽中，調(diào)整好夾爪的位置，再將活動(dòng)銷穿過夾爪上的銷孔和旋轉(zhuǎn)件上的斜弧形槽完成配合。

夾緊動(dòng)作時(shí)，搖動(dòng)手輪使蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿與旋轉(zhuǎn)件邊緣的蝸輪齒形相嚙合，蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)。由于旋轉(zhuǎn)件上弧形槽的形狀限制，旋轉(zhuǎn)件只能轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度。在旋轉(zhuǎn)件轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于斜弧形槽的形狀為相對(duì)旋轉(zhuǎn)件的回轉(zhuǎn)軸變徑的斜弧形，連接夾爪與旋轉(zhuǎn)件的活動(dòng)銷一方面相對(duì)旋轉(zhuǎn)件的回轉(zhuǎn)軸做圓周運(yùn)動(dòng)，另一方面做徑向運(yùn)動(dòng)。夾爪則受到引導(dǎo)槽的限制做徑向移動(dòng)從而實(shí)施夾緊，反向搖動(dòng)手輪即可實(shí)現(xiàn)松開功能。

1.3.2 尺寸參數(shù)確定

該夾具通過夾持元件的同步向心運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電連接器的徑向定位與夾緊，軸向依靠電連接器的臺(tái)階面來(lái)進(jìn)行定位，定位完成后利用蝸桿傳動(dòng)的自鎖性保證了夾持的可靠性。下面對(duì)夾具的具體參數(shù)予以確定。

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

根據(jù)閉式蝸桿傳動(dòng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度確定 m2d1，再選擇蝸桿與蝸輪的尺寸參數(shù)?？紤]到手輪驅(qū)動(dòng)的輸入功率比較小，以及檢測(cè)裝置的便攜性，確定蝸輪直徑在100 mm以內(nèi)。直徑一定的情況下，為了不過多削弱蝸輪輪齒的彎曲強(qiáng)度，選取模數(shù) m=2 mm，齒數(shù) z2=45。蝸桿分度圓直徑 d1=26 mm，蝸輪變位系數(shù) x2=-0.25，中心距a=57.5 mm。

2 夾具使用效果

三爪夾緊機(jī)構(gòu)實(shí)物如圖5所示。為保護(hù)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(shè)橡膠墊。

3 結(jié)束語(yǔ)

為滿足電連接器保持力快速檢測(cè)的需求，本文設(shè)計(jì)了一種適用于圓形電連接器的自動(dòng)定心夾具。針對(duì)圓形電連接器都具有圓柱面、臺(tái)階面的特點(diǎn)，采用3個(gè)均布在夾具體上的夾爪的同步向心移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)夾緊和松開動(dòng)作，對(duì)于不同型號(hào)的電連接器都能實(shí)現(xiàn)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(zhǔn)確問題，為電連接器的保持力自動(dòng)化檢測(cè)提供了合適的夾具。該夾具利用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)件發(fā)生相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)件的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)活動(dòng)銷沿斜弧形槽滑動(dòng)，從而帶動(dòng)與之連接的夾爪沿引導(dǎo)槽做徑向移動(dòng)完成夾緊?？紤]到裝夾的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了具有自鎖性質(zhì)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)系統(tǒng)，對(duì)夾具的尺寸參數(shù)進(jìn)行了確定，使裝夾更為可靠。

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第一作者簡(jiǎn)介：徐鑫（1995-），女，江蘇無(wú)錫人，碩士研究生，研究領(lǐng)域?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)制造、機(jī)械電子工程。

※通訊作者簡(jiǎn)介：梁軍生（1973-），男，廣西桂林人，博士，研究員，博士生導(dǎo)師，研究領(lǐng)域?yàn)槲⒓{米制造與器件、微納機(jī)電系統(tǒng)。

（編輯：王智圣）