基于视觉检测技术和仿形设计的导电滑环轴向接触位置测试方法

Axial Contact Position Testing Method of Conductive Slip Rings Based on Visual Inspection Technology and Profilometric Design

摘要

为解决导电滑环弹性合金丝接触位置和距离测量的难题，提出了一种基于视觉检测的轴向接触位置测试方法。设计等效仿形滑环及轴向位置测试装置，应用视觉检测提取弹性合金丝的张角、安装距离及轴向接触位置。试验中，以滑环直径和电刷板安装距离为边界条件，考察二者对轴向接触位置的影响。试验结果表明，直径与安装距离显著影响轴向接触位置距离与张角的变化规律。相较于传统方法，所提方法的测试误差和重复测试误差分别控制在0.03 mm和0.0065 mm，可精确提取接触位置数据，有效揭示接触状态变化的作用机制，实现对导电滑环接触特性的高精度测量与优化，为高精密设备提供了可靠的测量手段。

Abstract

To address the challenges of measuring the contact position and distance of elastic alloy wires in conductive slip rings， an axial contact position testing method was proposed based on visual detection. By designing an equivalent profiling slip ring and an axial position testing device， visual detection was applied to extract the angle， installation distance， and axial contact position of the elastic alloy wires. In the tests， the slip ring diameter and the installation distance of the brush plate were used as boundary conditions to investigate their influences on the axial contact position. The testing results show that the diameter and the installation distance significantly affect the variation laws of the axial contact position distance and the opening angle. Compared with the traditional methods， the proposed method achieves a testing error of 0.03 mm and a repeatability error of 0.0065 mm， accurately extracting contact position data. It effectively reveals the action mechanism of contact state changes， realizes high-precision measurement and optimization of the contact characteristics of conductive slip rings， and provides a reliable measurement means for high-precision equipment.

Graphical abstract

关键词

导电滑环 / 视觉检测 / 位置测试 / 仿形设计

Key words

conductive slip ring / visual inspection / position testing / profilometric design

Author summay

钱志源，男，1977年生，研究员。研究方向为航天器结构机构设计。发表论文9篇。E-mail： [e-mail]

李俊烨^*（通信作者），男，1981年生，教授、博士研究生导师。研究方向为精密和超精密加工技术与应用。发表论文150篇。E-mail： [e-mail]。

0 引言

导电滑环广泛应用于国防、航空航天、船舶和新能源等领域^［1-3］，通过弹性合金丝与环体组件的滑动接触，可为固定与旋转部件之间提供连续电气连接，具有信号传输性能优越、维护成本低等优势。然而，受限于滑环结构的特殊性，传统方法难以实现其轴向位置的直接检测，因此，结合机器视觉技术与仿形结构设计，开展非接触式轴向位置检测研究成为提高检测效率与精度的有效手段。

机器视觉技术凭借非接触、高精度、自动化等特点广泛应用于工业领域，如缺陷识别、尺寸测量与定位检测。SINGH等^［4］基于ResNet-101卷积神经网络实现了表面缺陷自动检测；CHEN等^［5］提出机器视觉辅助的环槽位置与电刷对准方法；罗晨等^［6］研究了复杂曲面金属零件的三维形貌测量；刘文峰等^［7］通过亚像素边缘提取了精确测量角振动传感器的输入角；那一鸣等^［8］基于机器视觉技术实现了单目相机辅助的柔性装配；李栋等^［9］增强了轨道缺陷检测系统的鲁棒性；杨金鹏等^［10］将传统算法与深度学习相结合用于纱线缺陷识别；王秋莲等^［11］构建了基于图像分析的刀具磨损预测模型。

尽管相关研究成果丰富，但针对导电滑环复杂结构的专用视觉检测方法仍较欠缺。Hough变换作为常用的图像特征提取方法，能有效检测图像中的直线、圆、椭圆等边缘^［12］。研究人员基于此提出多种解决方案：PAGALE等^［13］使用Hough变换技术实现了车道边界识别以及实时场景检测；SYED等^［14］结合Hough变换与双曲曲线拟合进行噪声图像处理；吴建平等^［15］提出基于RANSAC与Hough变换的消失点检测方法；ZENG等^［16］将模糊理论引入Hough变换以提高轨迹初始化鲁棒性；王学敏等^［17-18］将Hough变换应用于复杂海洋声呐目标检测；欧阳方平等^［19］结合Hough变换与支持向量回归-反向传播神经网络实现了墙后多目标定位，显著提高了系统检测精度。

基于上述背景，本文聚焦太阳能电池阵驱动部件中导电滑环的位置检测问题，提出了一种结合机器视觉与等效仿形设计的轴向检测方法。构建了轴向位置测试平台，完成了相机与环片中心位置的系统标定，验证了测试精度与重复性。通过开展位置测试试验分析了不同参数对接触位置的影响，为导电滑环结构与电刷装配工艺优化提供实验依据与数据支撑。

1 等效仿形滑环设计

导电滑环主要采用真空灌注环氧树脂灌封胶的方法连接每个滑环并进行绝缘，且一个完整的导电滑环两端装配轴承以及轴承端盖^［20］。这种特殊的结构使得直接从轴向测试其弹性合金丝与滑环的接触位置是无法实现的，为此，本文提出一种等效仿形滑环的设计方法，将滑环组件的其中一组滑环提取出来，以实现弹性合金丝与滑环位置的精密测试，设计示意图见图1。

首先根据本文研究的滑环实体尺寸进行1∶1建模，抽取其中一组滑环环片进行等效仿形设计，为了更加清楚准确地检测其触点位置，在滑环实际尺寸的基础上设计非对称V形槽，即计算触点直径，对滑环V形槽一侧以实际滑环大小设计，另一侧以触点直径大小设计，非对称V形槽设计如图2所示。滑环环片中央区域设有4个通孔，便于后续试验与轴向接触位置测试装置的安装。等效仿形滑环环片V形槽尺寸与滑环实际尺寸一致，以保证弹性合金丝与滑环接触状态的真实性与检测结果的准确性。等效仿形滑环设计的优点在于既高精度地还原了弹性合金丝与滑环的真实接触状态，又能够突显出其滑环接触点的物理特征从而便于图像处理。

导电滑环弹性合金丝与滑环的触点位置到滑环根部距离对导电滑环的使用寿命和滑环磨损有直接影响。如图3所示，等效仿形滑环非对称V形槽的一侧根据触点直径H_C设计。

触点直径的计算表达式如下：

H_{\mathrm{C}}=D-\mathrm{2}{L}_{\mathrm{V}}+d_{\mathrm{s}}\mathrm{c}\mathrm{o}{\mathrm{s}}^{\mathrm{2}}\frac{{\theta }_{\mathrm{V}}}{\mathrm{2}}/\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\frac{{\theta }_{\mathrm{V}}}{\mathrm{2}}（1）

式中：D为等效仿形滑环直径；L_{\mathrm{V}}为环片V形槽槽深；d_{\mathrm{s}}为刷丝直径；{\theta }_{\mathrm{V}}为环片V形槽角度。

按照上述等效仿形滑环设计模型，利用3D打印技术制作等效仿形滑环工件，如图4所示。

2 轴向接触位置测试装置的搭建

为探究电刷板安装距离、滑环直径对导电滑环弹性合金丝接触位置到其根部的距离关系，本文基于上述等效仿形滑环接触位置测试原理，设计了一种轴向接触位置测试装置，如图5所示。该装置由固定板、三维位移台、旋转台、等效仿形滑环、调节块、电刷板以及光学平台组成。该装置的固定板与径向装配位置测试装置的固定板为同一零件，在固定板侧面设有与电刷板匹配的螺纹孔，电刷板通过螺钉安装在固定板上，固定板通过螺栓安装在光学平台上，三维位移台与电刷板位置相对安装在光学平台上，然后依次从下往上安装调节块、旋转台，最后安装等效仿形滑环，通过调节弹性合金丝对准滑环V形槽完成安装。

本装置设计的优点是可以通过调节三维位移台来实现不同电刷板到滑环中心安装距离的位置测试，同时可以更换安装不同直径的等效仿形滑环以实现不同直径的滑环弹性合金丝接触位置测试。

按照上述轴向接触位置测试装置设计，结合视觉测试系统硬件平台搭建轴向接触位置视觉测试装置，如图6所示。通过调节相机焦距、光圈大小以及光源照射来获取弹性合金丝与等效仿形滑环的接触状态图像。

3 轴向接触位置测试与提取实现

3.1 基于Hough变换的特征检测与提取

Hough变换是一种基于表决原理的参数估计技术。该技术在存在噪声、孤立的点、变形或部分损坏的情况下具有较强的鲁棒性，能够准确地拟合零件的轮廓，因此适合于尺寸拟合和选择。

在图像的二维坐标系中，过一点A(x_A,y_A)的直线方程可描述为

y_A=a{x}_A+b（2）

其中，a为直线的斜率，b为直线的截距。对于二维坐标系中有无数条直线通过该点A(x_A,y_A)的情况，每条直线都具有相应的a、b值。

若将点A(x_A,y_A)在图像中视为固定点，将该点的直线参数a、b视为变量，则可以将直线转换到a-b参数坐标系中，其表达式如下：

b=-a{x}_A+y_A（3）

在图像空间坐标系中，点A对应参数空间中的一条直线。加入点B(x_B,y_B)后，图像空间中的点A、B确定一条直线，对应参数空间中唯一点，其坐标为AB直线的斜率和截距，如图7所示。

但在实际应用中通常不选用直角坐标系，因为存在垂直于x轴的特殊直线，此时直线的斜率无穷大，在参数空间坐标系中表示为相互平行的直线，故不存在交点。为解决这一问题，本文引入了极坐标系直线方程。在极坐标系中直线的表示方法为

\rho =x\mathrm{c}\mathrm{o}\mathrm{s}\theta +y\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\theta（4）

其中，\rho为坐标原点到直线的垂直距离，\theta为x轴到直线垂线的旋转角度。这样即可在极坐标系下表示出任何直线，且多条曲线相交于一点，极坐标系的变换过程如图8所示。

3.2 轴向接触位置的相机标定测试

3.2.1 相机校正

轴向接触位置装置搭建过程中调节了原始视觉测试系统硬件平台的相机高度、焦距、光圈大小以及光源照射，这会改变原先相机标定的外部参数、像素当量等参数。为使本测试系统的测试结果更加精准，需要重新标定。对选定的棋盘格标定板进行标定试验，将标定板置于轴向位置测试装置的旋转台上，保持与等效仿形滑环于同一平面内，调整相机以及光源照射角度，待采集设备出现清晰明显图像时，锁定此时的工作条件以及各项设备物理参数，并获取此工作状态下的相机内外参数以及畸变参数。

试验结果表明，标定的平均重投影误差为0.17 pixel，能够满足视觉检测中相机标定的要求。

3.2.2 像素当量

为了获取图像像素距离到真实距离的转换，需要获取像素当量。以标准棋盘格为检测对象，通过随机检测棋盘格的6个相邻角点计算相邻角点之间的像素长度，再与棋盘格真实方格边长相比获得像素当量K，选取第1、3、5次像素当量测试试验进行检测，如图9所示。

取6次标定试验数据的平均值，以获得当前拍摄条件下的像素当量值，其试验结果如表1所示，通过检测标定板相邻棋盘格角点以获得像素长度L_P，基于棋盘格相邻角点的真实距离（即方格边长D_G）来确定像素当量值，即K=D_{\mathrm{G}}/L_{\mathrm{P}}(\mathrm{m}\mathrm{m}/\mathrm{p}\mathrm{i}\mathrm{x}\mathrm{e}\mathrm{l})。根据表1中数据可得平均像素当量\overline{K}=\mathrm{10}/\mathrm{81.368}=\mathrm{0.1229}\mathrm{m}\mathrm{m}/\mathrm{p}\mathrm{i}\mathrm{x}\mathrm{e}\mathrm{l}。

3.2.3 像素当量精度验证

为验证像素当量的精度，使用上述像素当量值K对尺寸20 mm×35 mm×9 mm、精度0.001 mm的标准量块进行测量。将标定量块置于等效仿形滑环平面上，调节三维位移台使得标准量块与刷丝对齐，通过轴向接触位置测试装置采集标准量块图像，获取标准量块边缘像素长度，通过上述像素当量计算标准量块尺寸，如图10所示，具体测量数据如表2所示。

测量结果表明，利用上述像素当量值得到的标准量块的计算长度平均误差为0.023 mm，测试精度可控制在0.03 mm内，根据贝塞尔公式，重复测试精度S的计算表达式为

S=\sqrt[]{\frac{\sum {(\epsilon -\overline{\epsilon })}^{\mathrm{2}}}{n-\mathrm{1}}}（5）

其中，\overline{\epsilon }为平均误差。由表2可知试验次数n=6， \overline{\epsilon }=\mathrm{0.023} mm，根据式（5）计算得到S=0.0065 mm，满足目标测试精度0.05 mm、重复测试精度0.02 mm的要求。

3.3 弹性合金丝张角提取原理

导电滑环的弹性合金丝张角是影响导电滑环工作稳定性以及摩擦磨损的重要因素之一。弹性合金丝通过一定的接触压力来实现与滑环的稳定接触，保证了工作的可靠性。弹性合金丝张角与接触压力紧密相关，因此对其张角进行测试研究。

若直接采用机械接触式的角度测量方式，则会破坏弹性合金丝与滑环的接触状态，且容易造成弹性合金丝倾斜甚至失效，测量获取的数据也会存在较大的误差。针对这一问题，本文提出一种基于视觉检测的非接触式张角测试方法，通过视觉检测出弹性合金丝边缘特征以及电刷板出丝面与弹性合金丝根部角点确定的基准线，获取弹性合金丝所在直线与电刷板出丝面角点基准线之间的夹角来确定弹性合金丝张角。

弹性合金丝张角提取原理图见图11，首先对采集到的弹性合金丝图像进行滤波去噪，利用Canny算子进行边缘检测，设置感兴趣区域对弹性合金丝边缘进行Hough变换直线检测以及对电刷板出丝面弹性合金丝根部角点进行检测，获取弹性合金丝两端点坐标和角点坐标。

然后通过图11中获取的点坐标构造直线方程，分别计算电刷板出丝面角点所在直线斜率k₁和弹性合金丝边缘直线斜率k₂：

k_{\mathrm{1}}=\frac{y_{\mathrm{2}}-y_{\mathrm{1}}}{x_{\mathrm{2}}-x_{\mathrm{1}}}（6）

k_{\mathrm{2}}=\frac{y_{\mathrm{4}}-y_{\mathrm{3}}}{x_{\mathrm{4}}-x_{\mathrm{3}}}（7）

最后通过反正切公式计算求出两直线夹角（即弹性合金丝张角{\theta }_{\mathrm{W}}）：

{\theta }_{\mathrm{W}}=\mathrm{180}\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}(\left|\frac{k_{\mathrm{1}}-k_{\mathrm{2}}}{\mathrm{1}+k_{\mathrm{1}}{k}_{\mathrm{2}}}\right|)/\mathrm{\pi }（8）

如图12所示，通过上述轴向接触位置测试装置对弹性合金丝张角进行测试，此时弹性合金丝张角{\theta }_{\mathrm{W}}为122.692°。

3.4 电刷板安装距离提取原理

电刷板的安装距离H为滑环环片圆心到电刷板出丝面基准线的垂直距离，如图13所示。过环片圆心（x_{\mathrm{0}},y_{\mathrm{0}}）做电刷板出丝面基准线的垂线，垂足为（x_{\mathrm{5}},y_{\mathrm{5}}）。电刷板的安装距离测试关键在于过环片圆心的垂线是否过电刷板的中点，因此本文采用检测滑环圆心到电刷板出丝面两边根部角点的距离来判断两侧距离是否相等，若相等则说明滑环圆心与电刷板中心对准，若不相等则可以通过下部的三维位移台调节位置直至对准，然后进行安装距离测试试验。

这样能够确定电刷板两侧弹性合金丝是对称分布的，有利于接触位置受力均匀，延长使用寿命。依据图13，电刷板安装距离的计算表达式为

H=\sqrt[]{(x_{\mathrm{0}}-x_{\mathrm{5}}{)}^{\mathrm{2}}+(y_{\mathrm{0}}-y_{\mathrm{5}}{)}^{\mathrm{2}}}（9）

在边缘检测过程中，发现与待检测目标毫无关系的信息也一并被检测，若这些信息每次重复处理，则系统计算量会显著增加，严重影响目标检测算法的运行效率，因此引入感兴趣区域，即保留检测位置并消除无关背景。由于导电滑环自身结构会发生转动以及本测试系统的硬件装置设计方式特殊，传统的直接设置固定大小的感兴趣区域方法因每次需要对图像感兴趣区域进行像素坐标统计且剪裁后获取的坐标点需要转换坐标问题而在本系统并不适用，故本文提出一种动态框选感兴趣区域方法，可实现对导电滑环弹性合金丝位置的精确定位，减少了计算量，有效提高了弹性合金丝目标检测的计算效率。

首先创建一个与输入图像大小一样的0矩阵图像，即一个与输入图像大小相同的全黑背景；然后在输入图像上根据检测目标需求绘制出矩形区域，获取矩形区域起点坐标和矩形宽高，指定绘制出矩形区域的4个角点坐标，用1填充绘制的矩形区域，得到1个白色区域（即掩模）；最后将输入图像与掩模图像逐像素叠加。当该函数运行时，只将掩模部分的像素进行“与”运算，最后保留指定色彩。

基于提出的动态框选法设置感兴趣区域，通过Hough变换圆检测确定等效仿形滑环边缘，然后进行圆心标定，确保滑环圆心与电刷板中心对准。如图14所示，通过调整轴向接触位置测试装置对电刷板安装距离进行测试，使左右侧距离相等，均为37.63 mm，表明滑环圆心与电刷板中心已对准，此时电刷板安装距离为36.18 mm。

3.5 轴向接触位置距离提取原理

弹性合金丝通过一定的接触压力与滑环精密装配，弹性合金丝的成形张角、电刷板安装距离、滑环直径均会影响接触压力的大小。当接触压力为零时，即弹性合金丝处于理论自由态，如图15所示。但实际工作时，通过调节安装距离使弹性合金丝与滑环之间保持一定的接触压力，此时弹性合金丝会由原来自由态变为接触态，即弹性合金丝接触区域与滑环保持相切，以实现弹性合金丝与滑环的稳定接触。

由于接触态的弹性合金丝与滑环接触位置距离受弹性合金丝张角、滑环直径以及电刷板安装距离的影响而动态变化，无法在建模软件中直接测试其距离长度，因此本文采用一种基于视觉检测技术的轴向接触位置距离测试方法，测试提取接触位置到电刷板出丝面的距离（即轴向接触位置距离L_A）。基于图11和图13的标点信息，轴向接触位置距离提取原理如图15所示。

处于接触态时导电滑环弹性合金丝根部会发生弯曲，通过直线检测识别接触位置边缘，拟合边缘直线获取直线端点（x_{\mathrm{8}},y_{\mathrm{8}}）和（x_{\mathrm{9}},y_{\mathrm{9}}）信息并构造直线方程，求得该直线斜率k_{L_{\mathrm{A}}}和截距b_{L_{\mathrm{A}}}。同理，通过霍夫圆检测获取滑环圆心坐标以及直径信息并构造圆方程。通过圆心到拟合直线的距离（即拟合直线位置距离L）判断直线与圆的位置关系以确定交点（即弹性合金丝与滑环触点）坐标。若斜率存在且L<R，则有：

k_{L_{\mathrm{A}}}=\frac{y_{\mathrm{9}}-y_{\mathrm{8}}}{x_{\mathrm{9}}-x_{\mathrm{8}}}（10）

b_{L_{\mathrm{A}}}=y_{\mathrm{8}}-k_{L_{\mathrm{A}}}{x}_{\mathrm{8}}（11）

(x_{\mathrm{7}}-x_{\mathrm{0}}{)}^{\mathrm{2}}+(y_{\mathrm{7}}-y_{\mathrm{0}}{)}^{\mathrm{2}}=R^{\mathrm{2}}（12）

联立式（10）~式（12）并化简为一元二次方程，各系数如下：

a_Q=k_{L_{\mathrm{A}}}^{\mathrm{2}}+\mathrm{1}（13）

b_{\mathrm{Q}}=\mathrm{2}{k}_{L_{\mathrm{A}}}(b_{L_{\mathrm{A}}}-y_{\mathrm{7}})-\mathrm{2}{x}_{\mathrm{7}}（14）

c_{\mathrm{Q}}=(b_{L_{\mathrm{A}}}-y_{\mathrm{7}}{)}^{\mathrm{2}}+{x_{\mathrm{7}}}^{\mathrm{2}}-R^{\mathrm{2}}（15）

通过判别式判断求解交点坐标，即

x_{\mathrm{7}}=\frac{-b_{\mathrm{Q}}\pm \sqrt[]{b_{\mathrm{Q}}^{\mathrm{2}}-\mathrm{4}{a}_{\mathrm{Q}}{c}_{\mathrm{Q}}}}{\mathrm{2}{a}_{\mathrm{Q}}}（16）

y_{\mathrm{7}}=k_{L_{\mathrm{A}}}{x}_{\mathrm{7}}+b_{L_{\mathrm{A}}}（17）

最后通过下式计算出电刷板出丝面根部角点与触点之间的距离（即轴向接触位置距离L_A）：

L_{\mathrm{A}}=\sqrt[]{(x_{\mathrm{0}}-x_{\mathrm{7}}{)}^{\mathrm{2}}+(y_{\mathrm{0}}-y_{\mathrm{7}}{)}^{\mathrm{2}}}（18）

如图16所示，通过轴向接触位置测试装置对弹性合金丝轴向接触位置距离进行测试，并将上述张角测试、电刷板安装距离集成形成同步检测，此时轴向接触位置距离L_A为22.245 mm，电刷板安装距离H为40.038 mm，弹性合金丝张角{\theta }_{\mathrm{W}}为122.374°。

4 轴向接触位置测试试验

4.1 等效仿形滑环直径对轴向接触位置距离的影响

本文轴向接触位置测试对象是直径D为66 mm、电刷板安装距离H为40 mm的等效仿形滑环。为探究等效仿形滑环直径（以下简称“滑环直径”）与电刷板安装距离对轴向接触位置距离的影响，根据本文研究的导电滑环组合支架到滑环组件的装配尺寸设计，将滑环直径的变化范围控制在8 mm以内，因此以直径66 mm为中心、步长为1 mm设置63、64、65、66、67、68、69 mm一共7组测试对象，每组等效仿形滑环的圆度误差与刚度如图17所示。

按照上述等效仿形滑环的设计方法依次通过3D打印技术制作试验测试对象。为确保试验的准确性和一致性，试验在25±2 ℃的恒温环境下进行。等效仿形滑环使用同批次的材料，以排除材料差异的影响。为还原弹性合金丝与滑环的真实接触状态，且便于检测其接触位置，每组等效仿形滑环均为非对称V形槽且端面具有4个通孔便于与旋转台安装，具体如图18所示。

调整轴向接触位置测试装置开始测试，通过安装不同直径的滑环环片来探究它对接触位置的影响，利用等效仿形滑环下方的精密旋转台每隔90°旋转1次，一共旋转4次环片来对其接触位置进行测试，提取其位置信息计算获得目标测试结果，以其中一组测试结果展示，如图19所示。

为确保弹性合金丝的变形状态不会影响结果准确性，采用多次测试取平均值的方式，以尽可能减小因弯曲变形而带来的误差。在静止状态下，根据直径为63~69 mm的环片接触位置距离测试结果绘制出滑环直径与接触位置距离以及张角的点线图（图20）。

由图20a可以看出，随着滑环直径的增大，轴向接触位置距离先增大后减小，这是由于弹性合金丝与小直径环片接触时，弹性合金丝处于临界自由态，此时接触位置距离为刷丝自由态长度，如图19a和图19b所示，在测试结果图中表现为弹性合金丝边缘直线与接触位置距离连线重合。随着滑环直径的增大，弹性合金丝受到环片的接触压力由自由态变为接触态，弹性合金丝发生弹性形变而局部弯曲且张角增大，接触位置向两侧滑移，因此滑环接触位置距离增大，如图19c和图19d所示。当滑环直径继续增大时，会造成弹性合金丝张角过大甚至发生塑性形变，此时弹性合金丝的接触区域会由其头部滑移到弹性合金丝身中部，导致接触位置距离减小，如图19e~图19g所示。

由图20b可以看出，随着滑环直径的增大，弹性合金丝张角呈现增大趋势，弹性合金丝由自由态到接触态转变过程中张角增大幅度较大，滑环直径影响显著。接触态进入稳定期后，滑环直径影响不大，在此段直径范围内弹性合金丝张角较为稳定，因此接触压力也比较稳定，在设计导电滑环弹性合金丝时应重点考虑此范围内的滑环直径值。当滑环直径继续增大时，弹性合金丝张角整体趋势增大，但是增速逐渐变慢，在此段直径范围内弹性合金丝张角过大易发生塑性变形而导致接触失效，因此设计导电滑环时应考虑按照轴向接触距离和弹性合金丝张角来设计滑环直径。

在导电滑环正常工作转速下，直径为63~69 mm的环片对接触位置距离影响的测试结果如表3所示。

在导电滑环的静态与动态接触参数对比分析中，静态测量值作为基准反映了滑环与弹性合金丝接触的初始几何特性，而动态计算结果则揭示了高速旋转下因离心力作用而导致的微小偏移。由表3和图20b综合得出，在动态条件下轴向接触位置距离L_A受离心力作用向外偏移，偏移量随滑环直径增大略有增加，最大值为0.025 mm，动态接触位置刷丝张角的修正量最大为0.032°，拟合直线位置距离L变化不大。所有动态参数波动均控制在工程容差范围内，接触位置偏移量仅占位置度容差0.1 mm的25%，张角修正量不足允许偏差±0.5°的7%，垂直距离稳定性良好。

4.2 电刷板安装距离对轴向接触位置距离的影响

为探究电刷板的安装距离对轴向接触位置距离的影响，以直径66 mm环片为测试对象，设置37、38、39、40、41、42、43 mm共7组电刷板安装距离进行测试。通过设置不同的电刷板安装距离来探究它对接触位置的影响，旋转三维位移台旋钮，调整步长为1 mm的电刷板安装距离，再通过旋转台每隔90°旋转1次，共旋转4次环片对其接触位置进行测试，提取其位置信息计算获得测试结果，以其中一组测试结果为例，如图21所示。

为确保弹性合金丝的变形状态不会影响结果准确性，采用多次测试取平均值的方式。电刷板安装距离与轴向接触位置距离以及张角的点线图见图22。

由图22a可以看出，随着电刷板安装距离的逐渐增大，轴向接触位置距离整体变化呈现增大趋势，在安装距离H≤40 mm时轴向接触位置距离增大显著，这是由于弹性合金丝张角随着电刷板安装距离的增大而逐渐减小，弹性合金丝接触区域由丝身中部向前端滑移，在测试结果图上表现为轴向接触位置距离激增，如图21a~图21d所示。当电刷板安装距离达到40 mm后且继续增大安装距离时，轴向接触位置距离变化趋于稳定，这是由于弹性合金丝张角减小至与自由态下的成形角度相近，此时轴向接触位置距离在弹性合金丝的前端区域浮动，因此轴向接触位置距离变化平缓，如图21e~图21g所示。由此可知，在设计电刷板的安装距离时，应考虑避开轴向接触位置距离的剧烈变化区，并将其设定在变化趋势趋于稳定的临界点之后。

由图22b可以看出，随着电刷板安装距离的增大，弹性合金丝从接触态到自由态整个过程中，弹性合金丝张角呈现减小趋势，与滑环直径因素相比受电刷板安装距离因素的影响更为显著，因此设计导电滑环时应考虑按照轴向接触距离和弹性合金丝张角来选择合适的电刷板安装距离。

在导电滑环正常工作转速下，电刷板安装距离H为37~43 mm的轴向接触位置距离测试结果如表4所示。在导电滑环直径固定为66 mm的条件下，针对7组不同安装距离（37~43 mm）的静态与动态参数对比分析结果表明，动态工况下的接触几何参数存在微弱但规律性的偏移。在动态条件下，所有参数均表现出确定性波动：轴向接触位置距离L_A因离心力作用和滑环圆度误差（不大于0.02 mm）的叠加效应使其向外偏移0.005~0.020 mm，拟合直线位置距离L因投影关系略有增大0.005~0.012 mm，合金丝张角θ_W随之增大了0.06°~0.10°。此类变化源于离心力对弹性合金丝的拉伸效应、圆度误差引起的周期性径向波动以及装配公差的综合作用，尽管存在动态波动，但是所有参数的实际偏移量均显著低于工程容差，最大波动占比仅为容差的20%~24%，表明系统在低速旋转下的稳定性与可靠性达标。

通过开展上述轴向接触位置测试试验，解决了导电滑环弹性合金丝接触距离难以精密测量这一难题，并详细解释了弹性合金丝与滑环在不同滑环直径与电刷板安装距离下的接触状态变化，且与图22所示的结果相符，充分说明了测试结果的精确性，对工程实际中导电滑环弹性合金丝长度、成形张角、滑环直径、电刷板安装距离等参数设计具有一定的参考意义，最大波动占比仅为容差的20%~24%，表明系统在低速旋转下的稳定性与可靠性达标。

5 结论

本文围绕导电滑环弹性合金丝的轴向接触位置检测问题，设计搭建了视觉检测测试平台，提出基于Hough变换的等效仿形滑环检测方法，实现了弹性合金丝接触位置的精准识别与参数提取。通过系统标定获取平均像素当量为0.1229 mm/pixel，测试误差和重复测试精度分别控制在0.03 mm和0.0065 mm以内，满足高精度检测要求。试验结果表明，滑环直径增大将引起合金丝张角增大；电刷板安装距离增大则使张角减小，同时轴向接触位置距离先增后稳，表现出明显的变化规律。分析结果表明，弹性合金丝与滑环接触状态的变化对轴向接触位置距离和张角具有显著影响，电刷板安装距离是关键参数。研究成果可为导电滑环结构参数设计与装配工艺优化提供理论支持和实践参考。需要指出的是，本文测试仍基于静态工况，后续研究可进一步结合动态运行条件，拓展检测方法的适用范围与工程实用性。

参考文献

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基金资助

上海市科技计划(23DZ2229032)

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