发明内容
本发明针对工业机器人线缆中多针插头与线缆焊锡接头部分的失效测试问题,提出一种新的测试方法。该方法是一种通过接头力学性能、热场影响、电场迁移等多因素耦合作用评价接口失效的方法;该方法可实现焊锡接头部分极限拉力、极限扭矩等力学性能参数测试;该方法可实现焊锡接口部分热故障性能参数测试;该方法可实现焊锡接口部分通电条件下故障性能参数测试。
本发明一种焊线式DB连接器焊锡接头失效测试方法的步骤具体如下:
步骤一、单个焊锡接头力学性能标定测试。
1-1.对仅单根芯线焊接在DB连接器上的线缆施加拉力,直到线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂。重复多次,取各次焊锡接头断裂前的最大拉力值的平均值作为受拉极限值F1。
1-2.对仅单根芯线焊接在DB连接器上的线缆进行扭转,直到线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂。重复多次,取各次焊锡接头断裂时的线缆受到的扭矩的平均值作为受扭极限值T1。
步骤二、对被测DB连接器锡焊接头的力学性能进行评价测试。
2-1.对所有芯线均焊接在被测DB连接器上的线缆施加拉力,直到线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂。焊锡接头断裂前的最大拉力值记为拉力数值Fw,计算拉伸失效系数ξ=(Fw/Fs)×100%。Fs=k·F1。其中,k为线缆中的芯线数量。
2-2.对所有芯线均焊接在被测DB连接器上的线缆施加扭转,直到线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂。焊锡接头断裂前的最大扭矩记为Tw。计算扭转失效系数τ=(Tw/Ts)×100%。
2-3.计算最终评价系数
α、β分别为拉伸失效系数ξ、扭转失效系数τ的权重。若最终评价系数η大于预设的焊锡接头合格系数λ,则判定被测DB连接器符合焊锡接头力学性能测试标准。
步骤三、多次调整温度。每次温度调整后均重复执行步骤二,获得不同温度下被测DB连接器的失效程度。
步骤四、在通不同电流的情况下,分别执行步骤二,获得不同电流下被测DB连接器的失效程度。
作为优选,步骤四中DB连接器的通电电流为4-20mA。
作为优选,步骤一中,还对仅焊接单根芯线的DB连接器进行重复插拔,直到焊锡接头脱落,得到极限插拔寿命C1。
作为优选,步骤二中,还对仅焊接所有芯线的DB连接器进行重复插拔,直到焊锡接头脱落,得到插拔寿命Cwb。计算插拔失效系数δ=(Cwb/Csb)×100%;Csb=C1。
作为优选,步骤二中还计算考虑插拔寿命的最终评价系数
其中,γ为插拔失效系数δ的权重。根据考虑插拔寿命的最终评价系数θ对被测DB连接器进行评价。
第二方面,本发明提供一种焊线式DB连接器焊锡接头失效测试装置,其包括试验台、第一夹具、第二夹具、拉扭施加模块和滑台。试验台上的温度能够调节。第一夹具、第二夹具均用于固定DB连接器。滑台能够通过驱动第一夹具的滑动,来实现DB连接器的公端与母端的重复插拔。
所述的拉扭施加模块安装在第二夹具远离第一夹具的一侧,包括卷筒机构、升降机构和扭转机构。升降机构用于带动卷筒机构和扭转机构。所述的卷筒机构包括绕卷底座、绕卷电机、卷筒和第一线缆固定器。卷底座安装在升降机构上。卷筒与卷底座的顶部转动连接。卷筒由绕卷电机驱动。卷筒的侧部安装有第一线缆固定器。第一线缆固定器与卷筒之间设置有拉力传感器。
所述的扭转机构包括扭转支架、扭转电机和第二线缆固定器。扭转支架固定在卷筒的顶部。扭转支架的一侧安装有扭转电机。扭转电机的输出轴上安装有第二线缆固定器。第二线缆固定器与扭转电机的输出轴之间设置有扭矩传感器。
作为优选,所述的滑台包括导轨座、滑移座、第一丝杠和第一电机。滑移座与导轨座滑动连接。第一丝杠支承在导轨座上,且与滑移座构成螺旋副。第一丝杠由第一电机驱动。第一夹具安装在滑移座上;第二夹具安装在导轨座的端部。
作为优选,所述的升降机构包括基板、升降板、导柱、第二丝杠、第一带轮、第二带轮、传动带和升降电机。基板固定在试验台内。升降板与多根导柱的顶端固定。导柱与基板构成滑动副。第二丝杠的底端与升降板底面的中心位置构成转动副。基板的中部开设有让位通孔。第二丝杠穿过让位通孔。第一带轮与基板底面的中部转动连接。第二丝杠与开设在第二带轮中心位置的螺纹孔构成螺旋副。升降电机固定在基板的底部。升降电机的输出轴上固定有第二带轮。第一带轮与第二带轮通过传动带连接。
本发明具有的有益效果是:
1、本发明是一种通过接头力学性能、热场影响、电场迁移等多因素耦合作用评价接口失效的方法,其能够实现焊锡接头部分极限拉力、极限扭矩等力学性能参数测试;此外,本发明还能够实现焊锡接口的热故障性能参数测试和通电插拔时的故障性能参数测试。
2、本发明在热场影响、电场迁移等多因素耦合下对焊锡接头的失效情况进行分析,相对于国内外单一因素检测焊锡接头的同类型产品,本发明大大提高了对焊锡接头检测的效率。
3、本发明采用密闭的一体化结构作为装置的基本组成,提升了此装置的实用性和适用性,有利于该装置在不同环境下的稳定运作。
具体实施方法
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示,一种焊线式DB连接器焊锡接头失效测试装置,包括试验箱(用于封闭的盖体图中未示出),以及安装在试验箱内的试验模块和电气控制模块。试验模块包括试验台1、第一夹具2、第二夹具3、温度测试模块、拉扭施加模块4和滑台5。进一步地,所述的温度调节模块包括加热器和温度传感器。所述的加热器和温度传感器均固定在试验箱内,用于调节试验箱内的温度值。所述的失效测试装置还包括智能温控表。智能温控表的型号为TE-T48。所述智能温控表的信号输入接口与温度传感器的信号输出接口连接,控制输出接口与加热器的控制接口连接。
滑台5包括导轨座5-1、滑移座5-2、第一丝杠和第一电机5-3。滑移座5-2与导轨座5-1上的两根滑轨滑动连接。第一丝杠支承在导轨座5-1上,且与滑移座5-2上的螺母螺纹连接。第一电机5-3固定在试验台1上,且输出轴与第一丝杠的端部固定。第一夹具2安装在滑移座5-2上;第二夹具3安装在导轨座5-1的端部。第一夹具2、第二夹具3分别用于安装DB连接器的公端、母端。滑台5能够通过驱动第一夹具2的滑动,来实现DB连接器的公端与母端的重复插拔。
拉扭施加模块4安装在第二夹具3远离第一夹具2的一侧,其包括卷筒机构、升降机构和扭转机构。升降机构包括基板4-1、升降板4-2、导柱4-3、第二丝杠4-4、第一带轮、第二带轮、传动带4-5和升降电机4-6。基板4-1固定在试验台1内。升降板4-2底面的四个角落与四根导柱4-3的顶端固定。四根导柱4-3与基板4-1上的四个导块分别构成滑动副。第二丝杠4-4的底端与升降板4-2底面的中心位置构成转动副。基板4-1的中部开设有让位通孔。第二丝杠4-4穿过让位通孔。第一带轮与基板4-1底面的中部通过支承架转动连接。第二丝杠4-4与开设在第二带轮中心位置的螺纹孔构成螺旋副。升降电机4-6固定在基板4-1的底部。升降电机4-6的输出轴上固定有第二带轮。第一带轮与第二带轮通过传动带4-5连接。通过升降电机4-6的旋转能够驱动升降板4-2的升高与降低。
卷筒机构包括绕卷底座4-7、绕卷电机4-8、卷筒4-9和第一线缆固定器4-10。卷底座固定在升降板4-2上。轴线竖直设置的卷筒4-9与卷底座的顶部转动连接。绕卷电机4-8的输出轴与卷筒4-9固定。卷筒4-9的侧部安装有拉力传感器。拉力传感器的检测部上固定有第一线缆固定器4-10。当线缆的端部固定到第一线缆固定器4-10上时,拉力传感器即可检测出线缆受到的拉力。
扭转机构包括扭转支架4-11、扭转电机4-12和第二线缆固定器4-13。扭转支架4-11固定在卷筒4-9的顶部。扭转支架4-11的一侧安装有扭转电机4-12。扭转电机4-12的输出轴上安装有第二线缆固定器4-13。第二线缆固定器4-13与扭转电机4-12的输出轴之间设置有扭矩传感器。线缆固定器能够夹住线缆的端部,使得线缆随着扭转电机4-12的旋转而产生扭矩,从而通过扭转来使得线缆与DB连接器的锡焊点断裂。
控制模块包括控制器和电机驱动器。拉力传感器、扭矩传感器的信号输出接口与控制器的两个信号输入接口分别连接。各电机均通过电机驱动器连接到控制器。
本发明的步骤具体如下:
步骤一、单个焊锡接头力学性能标定测试。
1-1.将仅焊接线缆的单根芯线的DB连接器的公端或母端安装到第二夹具3上,并使得DB连接器的焊接部朝向拉扭施加模块4。将线缆的末端固定到第一线缆固定器4-10上,并将微型拉力传感器的数据清零。启动拉伸测试流程,设定卷筒4-9的角速度,收卷电机旋转,驱动卷筒4-9转动,线缆绕上卷筒4-9绷紧,直到拉力传感器检测到的拉力值骤然减小,视为线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂。拉力传感器持续检测线缆受到的拉力,得到线缆单根芯线的焊锡接头受到的拉力随时间变化的曲线;焊锡接头断裂前的最大拉力值记为单线极限拉力值。
1-2.重复步骤1-1多次后,取各次得到的单线极限拉力值的平均值作为线缆单根芯线的焊锡接头的受拉极限值F1。
1-3.更换线缆后,启动扭转测试流程,控制器驱动升降电机4-6转动,升降板4-2降低,使得扭转机构与第二夹具3对齐。将仅焊接线缆的单根芯线的DB连接器的公端或母端安装到第二夹具3上。将线缆末端通过固连在扭转机构的第二线缆固定器4-13上。扭转电机4-12旋转,使得线缆绕自身轴线匀速扭转,直至线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂;焊锡接头断裂时的线缆受到的扭矩记为单线极限扭矩值。
1-4.重复步骤1-3多次后,取各次得到的单线极限扭矩值的平均值作为线缆单根芯线的焊锡接头的受扭极限值T1。每次扭转时线缆的长度一致,避免线缆长度对测试的影响。
步骤二、单个焊锡接头插拔力学性能标定测试。
2-1.取一对被测的DB连接器公、母端,并检查其是否完好。将DB连接器的母端固定在第一夹具2上,仅焊接线缆的单根芯线的DB连接器公端固定在第二夹具3上。连接DB连接器公端的线缆的末端固定到第一线缆固定器4-10或第二线缆固定器4-13上;通过收卷电机的转动或调解第二夹具3位置的方式来使得线缆绷紧。同时,拉力传感器的数据清零。
2-2.通过滑台5驱动第一夹具2往复移动,使得DB连接器公端与母端进行重复插拔,直到线缆与连接器公端之间的焊锡接头脱落,记从滑台5开始运动到焊锡接头脱落时的插拔持续时间为单芯线最大插拔寿命。
2-3.重复步骤2-1和2-2多次后,取各次得到的单芯线最大插拔寿命的平均值作为线缆单根芯线的焊锡接头的极限插拔寿命C1。
步骤三、多个焊锡接头力学性能评价测试。
3-1.将焊接了线缆所有芯线的被测DB连接头安装在第二夹具3上,将线缆的末端固定到第一线缆固定器4-10上,并将微型拉力传感器的数据清零。启动拉伸测试流程,设定卷筒4-9的角速度,收卷电机旋转,驱动卷筒4-9转动,线缆绕上卷筒4-9绷紧,直到拉力传感器检测到的拉力值骤然减小,视为线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂。拉力传感器持续检测线缆受到的拉力,得到线缆多根芯线的焊锡接头受到的拉力随时间变化的曲线;焊锡接头断裂前的最大拉力值记为拉力数值Fw。
3-2.计算拉伸失效系数ξ=(Fw/Fs)×100%,根据该系数判定焊锡接头拉伸失效程度。Fs=k·F1。其中,k为线缆中的芯线数量。
3-3.升降机构运动,使得扭转机构与第二夹具3对齐。将焊接了线缆所有芯线的被测DB连接头安装在第二夹具3上。将线缆末端通过固连在扭转机构的第二线缆固定器4-13上。扭转电机4-12旋转,使得线缆绕自身轴线匀速扭转,直至线缆与DB连接器之间的焊锡接头断裂;焊锡接头断裂时的扭矩数值记为扭转数值Tw。
3-4.计算扭转失效系数τ=(Tw/Ts)×100%,根据该系数判定焊锡接头扭转失效程度。Ts=k·T1。
3-5.设定α、β为拉伸失效系数ξ和扭转失效系数τ的权重,计算最终评价系数
设定焊锡接头合格系数为λ。综合测试数据,若最终评价系数η大于焊锡接头合格系数λ,则判定被测DB连接器符合焊锡接头力学性能测试标准。
步骤四、多个焊锡接头插拔力学性能评价测试。
4-1.取一对被测DB连接器公端、母端,并检查其是否完好。将连接器母端固定在第一夹具2上;将焊接了线缆的所有芯线的连接器公端固定在第二夹具3上。连接DB连接器公端的线缆的末端固定到第一线缆固定器4-10或第二线缆固定器4-13上;通过收卷电机的转动或调解第二夹具3位置的方式来使得线缆绷紧。同时,拉力传感器的数据清零。
4-2.通过滑台5驱动第一夹具2往复移动,使得DB连接器公端与母端进行重复插拔,直到线缆与连接器公端之间的任意一个焊锡接头脱落,记从滑台5开始运动到焊锡接头脱落时的插拔持续时间为多芯线最大插拔寿命Cwb。
4-3.计算插拔失效系数δ=(Cwb/Csb)×100%,根据该系数判定焊锡接头插拔失效程度。Csb=C1。k为线缆中的芯线数量。综合测试数据,若插拔失效系数δ大于1,则判定符合被测DB连接器的焊锡接头符合插拔力学性能测试标准。
步骤五、焊锡接头受热失效判定测试。
5-1.通过温度调节模块将试验箱内的温度调节至初始温度K0;初始温度K0为25℃。
5-2.在当前温度下执行步骤三和步骤四,获得当前温度对应的失效系数ξ、τ、δ,并计算最终评价系数
其中,γ为插拔失效系数δ的权重;并计算失效程度
5-3.多次调节温度,并重复执行步骤5-2,得到被测DB连接器在不同温度下的失效程度ψ。每次温度调节均为增加10℃。
步骤六、焊锡接头电场迁移失效判定测试。
6-1.在对被测DB连接件通电流的情况下执行步骤三和步骤四,获得通电情况下对应的失效系数ξ、τ、δ,并计算最终评价系数
其中,γ为插拔失效系数δ的权重;并计算失效程度
μ为预设的三因素合格系数。
6-2.在4-20mA的范围内多次调节电流大小,并重复执行步骤6-1,得到被测DB连接器在不同电流下的失效程度ψ。