第 1 章 绪论
1.1 课题研究背景和意义
在现代工业自动化越来越高的工业自控领域中，经常需要同时在多根线路中传输电信号，这就需要使用在一根电缆中包含多根内芯线作为信号和能量的传输媒介。在能保证稳定传输信号和能量的同时，还要在连接线的指定点处能够自由断开，且能够确保断开后的再次精准连接，方便后期检测和维修。同时保证传输后信号的品质特性不产生畸变和传输过程的连续性。根据以上需求，人们发明了电连接器。电连接器由插针、插孔和焊杯组成，电连接器中每根插针和插孔背后都有焊杯连接，在焊杯中实现与多芯电缆每根内芯线的焊接工作。通过电连接器的插头和插座的连接，来实现两段多芯电缆牢固的连接和快速插拔。起初这种连接件多用于飞机制造等航空领域，因此，它也经常被俗称为“航空插头”[1-2]。如图 1-1所示。
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1.2 课题相关内容的国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
在我国市场中，我国电连接器的使用规格型号相比较于国外还是有些许差异。通过走访市场发现，我国的常见的电连接器有着结构简单，材料质量差，功能性差等缺点。表现在材料为塑料，环境适应性不好，不能在条件恶略的环境中使用；电缆和电连接器之间的连接采用螺丝固定的方式，不如焊接连接方式工作可靠；外壳材料使用塑料，屏蔽性差。但是，近几年来，我国电连接器龙头企业通过学习国外技术，使得高端电连接器具有耐高压、通断便捷、适用性强等优点，可广泛推广至民用等技术领域。毕竟我国的电连接器行业发展较晚，并经历了仿苏、仿美和仿美兼独立研制的三个阶段。生产设备和自动化程度都和国外有着极大的差距。尤其是电连接器的标准和精度方面有很大空间去提升[11-12]。
在经济发展飞速的我国，电连接器的需求量巨大。在航空领域中,我国一架现代歼击机使用配套的电连接器座约 800~1000 多件;一架大型客机配套的电连接器约4500 多件[13]。现阶段由于电连接器在工业中开始普及，越来越多的工厂也在使用。电连接器是实现自动化控制重要的元器件，电连接器的质量直接决定了控制系统的可靠性程度。
近年来我国在电连接器在开发、应用等方面取得一定的成绩。但是与世界上先进国家使用的电连接器相比，在各方面都存在着较大的差距。尤其是在中低端的电连接器的市场中，国产电连接器还是仅仅处于原始的通过螺纹紧固来实现连接的阶段，该类型电连接器只能用于电源连接，不能用于信号传输，并且使用寿命低。
目前国家有关部门很看好对电连接器的应用前景，与电连接器相关的行业标准正在制定，相信电连接器将在我国航天事业、电网建设和医疗等领域中发挥重要作用，其发展将上一个新台阶。
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第 2 章 总体方案规划及机械结构的设计
2.1 圆形分布电连接器与多芯电缆自动焊接设备总体方案规划
通过手工完成多芯电缆剥除绝缘皮、标线号以及与电连接器的焊接工作，充分了解进行该工作时的顺序以及注意事项。该设备要实现的主要功能就是将多芯电缆两端剥好绝缘皮、将剥好绝缘皮的多芯电缆两端进行检测并套好线号、最终将带有线号的多芯电缆与电连接器上与对应线号相同焊杯号的焊杯自动焊接在一起。该设备能够完成的圆形分布电连接器结构示意图如图 2-1，焊杯全部按照圆形分布安装在电连接器中，并且焊杯杯口一致朝外。该设备适用于焊杯不同数目的电连接器，换句话说，该设备适用于不同芯线数的多芯电缆。在电缆长度规格上，该设备可以实现对 0.75~1.2m、1.2m 以及 1.2m~2m 长度电缆的剥线工作。
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2.2 圆形分布电连接器与多芯电缆自动焊接设备设计步骤
本课题要完成实现电连接器与多芯电缆自动焊接的设备，并将多芯电缆的外层绝缘皮和内层绝缘皮的剥除，以及对多根内芯线进行逐根检测并标号的过程也实现自动化，从而提高电连接器和多芯电缆的焊接工作自动化，节省人工成本，提高产品质量。
通过在工厂的实地走访与操作人员的交流，从而了解该设备应该具有的功能，对机械结构与控制系统进行宏观上的设计：1)在机械结构方面进行 UG 建模及装配仿真；2)对设备整体气动回路进行设计，并对剥线工位进行气路仿真；3)对 MATLAB图像识别处理工作进行程序编程与运行调试。4)将机械结构与控制系统部分进行糅合，进而确保该设备可以正常地完成多芯电缆的定长度切断，并剥除两端的外层、内层绝缘皮，对电缆两端进行检测、并套上相同线号以及将电连接器和多芯电缆自动焊接在一起的工作。本课题设计的重点包括机械结构硬件部分、剥线工位气路的气动仿真和电连接器图像处理识别部分。其中硬件部分设计包括：多芯电缆外、内层绝缘皮剥除工位的机械结构设计；内芯线检测及套线号工位机械结构设计；自动焊接工位机械结构设计。软件部分设计包括：MATLAB 图像识别处理系统的开发以及剥线工位气路仿真过程的实现；涉及到的软件有 UG；FluidSIM-P 气路仿真软件；过程控制软件 WPLSoft2.46；MATLAB。圆形分布电连接器与多芯电缆自动焊接设备设计步骤图如图 2-2。
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第 3 章 控制系统的设计····································19
3.1 可编程控制器的选型·······························19
3.1.1 PLC 的选型以及 I/O 口分布························· 19
3.2 控制系统主要元器件结构功能说明·································21
第 4 章 剥线工位气路仿真及设备整体气路设计····························37
4.1 多芯电缆剥线工位机械结构和工作原理·······························37
4.2 剥线工位气动回路的设计及气动执行部件的选型·························38
第 5 章 电连接器图像处理识别系统硬件设计·····························49
5.1 电连接器偏差角度的产生·································49
5.1.1 电连接器上料、焊接定位原理·····························49
5.1.2 图像处理识别处理的工作原理·························51
第 6 章 电连接器图像识别处理系统软件设计
6.1 MATLAB 在本课题中的应用
PLC 以其工作可靠性、逻辑运算能力强而著名，其梯形图语言擅长顺序控制。但是通过梯形图语言不能完美地运算智能算法。MATLAB 软件是以矩阵和向量两者为单位的。该软件有强大的智能算法处理能力，程序语言直观易懂。其接口技术也是十分成熟，能与其它不同程序方便对接，可以实现智能控制算法。MATLAB 中还有各种工具箱，可以解决各种指定的数学、建模问题。
因此, 采用通过 MATLAB 软件注重实现智能控制算法的运算，PLC 进行定时数据采集和顺序输入输出控制, 本课题博两者之所长，充分实现二者的优势互补。
图像识别处理系统通过 MATLAB 软件来实现，MATLAB 有着强大的图像处理能力。所以，界面的设计是通过 MATLAB 软件中 GUI 模块来实现的。分为电连接器轮廓圆质心识别部分、电连接器定位圆质心识别部分和偏差角度求解部分。电连接器轮廓圆质心部分包括对电连接器整个轮廓圆进行识别，求出轮廓圆质心像素坐标；电连接器定位圆质心部分是对电连接器上的定位圆进行识别，并求出电连接器上定位圆质心的像素坐标；偏差角度求解部分功能是：根据求解出来的电连接器轮廓圆质心像素坐标、电连接器定位圆质心像素坐标，通过算法计算出偏差角度。从而完成图像识别处理系统的功能。
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结论
随着工业水平的发展，设备的自动化水平也在逐步提升。设备的控制系统也愈来愈复杂，对控制和动力的要求也愈来愈高。所以，传统形式的控制线和动力线已经不能满足自动化设备日益增长的要求。电连接器最开始是应用在航空航天方面上，其作为控制线或者动力线的性能是满足工业设备水平的。电连接器的应用场合也在从军用领域倾斜向工业甚至民用领域。这就意味着，电连接器的应用市场会越来越广阔。目前电连接器的使用都是通过手工实现和电缆之间的焊接，包括多芯电缆的剥线和标线号工作，都是由人工进行的。使得电连接器成品加工效率低、质量差。这给电连接器的推广应用带来了困难。
本文针对目前电连接器与多芯电缆焊接工作的现状，致力于研发出一台电连接器与多线电缆自动焊接的设备，该设备除了两者的自动焊接之外，还可以给多芯电缆外层、内层剥除绝缘皮和给电缆两端对应的内芯线套上相同的线号。本课题取得以下研究成果。
(1) 设计了圆形电连接器与多芯电缆自动焊接设备的机械结构 整体设备的机械结构的设计，包括了多芯电缆自动剥除外、内层绝缘皮的工位结构、多芯电缆两端自动标线号工位结构、以及电连接器与多芯电缆自动焊接工位结构和两两工位之间的转移结构。上述工位的结构设计每个工位都能按照其规定的动作顺序完成每个工位的动作。
(2) 电连接器与多芯电缆自动焊接控制系统的设计 文中设计了该设备的控制系统并详细介绍了控制元件 PLC、触摸屏和伺服驱动器的基本功能，为本设备选取合适的控制元器件型号。并且做出硬件基本连接框图。介绍了各个工位中伺服电机的选型，并详细地介绍了如何修改伺服电机驱动器的参数。来实现使用一个通讯接口连接多个伺服驱动器继而去控制多个伺服电机。
(3) 多芯电缆剥线工位气动回路设计计算、仿真以及整体气路设计 针对以模拟手工剥除绝缘皮的力，通过剥除绝缘皮需要力的参数来选定剥线工位各个气缸的参数。对该工位的气路使用 FluidSIM-P 软件搭建气动回路并进行气动仿真。通过仿真实验确定出该工位气动回路的关键参数，设计出高、低压气压系统。并为整体设备设计气动回路。
参考文献（略）