麻花插針絞繞原理的分析與設計

楊 超，馬嵩源，張永戰

(1.西北機器有限公司，陜西蔡家坡722405；2.天津電氣傳動設計研究所，天津300000；3.陜西華達科技有限公司，西安710065)

電連接器在各類設備、裝置、儀器、儀表、電氣傳動、電氣控制、各系統之間的能量、電源、信號起銜接作用并具有電連接特性的基礎元件之一。

目前，在國內柔性微矩形電連接器的生產手段落后，技術性能及穩定性差，生產效率低，難以滿足現代化制造業的要求。因此，研制電連接器自動化生產線的制造技術和研制電連接器的自動化專用設備是十分必要的。

柔性微矩形電連接器制造中所用的制造技術及專用設備包括：絞繞插針的原料計長復繞、微細的多材多股束線的快速自動絞制、束線的自動矯直、自動收排、自動送料、自動定長剪裁、自動焊接、自動或半自動成型、半自動裝配、精密檢測等關鍵設備。

其中，插針的多材多股束線的自動絞制技術是使用連續快速的絞繞、整形、矯直、絞制形狀的圖形采樣，顯示、觀察、恒速牽引、產量計數、收排卷繞等手段來完成的。而自動絞制技術對快速絞繞的成功與否起到很關鍵的作用。

1 絞繞機構的設計及原理分析

絞繞的作用是把多種不同材質的一束金屬絲材有規則的、按設定的導程和旋向、調整一致的張力絞繞在一起。要求絞繞的直徑、圓度一致、均勻；絲材的排列要規則整齊。把絞繞好的產品按設定長度分段剪裁后不能出現散股的現象。為了達到以上的絞繞要求，采用的繞制原理有以下幾種方法。

1.1 滾筒式繞制法

滾筒式繞制是把放線線輪安裝于旋轉筒的中心，放線輪加有重錘，并有機械式張力調解裝置，旋轉筒在電機、減速機的傳動下高速旋轉的同時，放線輪除沿本身軸被動放線轉動外，始終保持原位、原狀態不變。使被絞繞的單根絲材不會產生與旋轉筒同方向的轉動。(只能平動)由于拉出旋轉筒的絲材在導向盤轉動的帶動下，繞旋轉筒的中心繞動，使芯線被絞在一起或使外繞線均勻繞制在芯線上。而絞繞好的一束絲材是不隨機轉動的，由牽引機構被動式的勻速拉出并纏繞在收線輪上。

優勢與缺陷：滾筒式繞制法工作比較平穩，噪音較小，控制簡單。但在工作中需要根據工藝參數的要求，變換各種轉速齒輪，穿線操作非常不方便，由于結構上的原因，滾筒體不能高速轉動。因此，工作效率較低，因為放線輪安裝于旋轉筒的中心軸線上，使得設備的軸向尺寸較大，占據面積較多，更換線輪不方便，安全性能較差，因而得不到廣泛的使用。

1.2 四連桿式繞制法

四連桿式繞制，可使安裝在轉盤上的放線輪產生平移運動(放線輪不翻跟頭)，(參見圖1)。使被絞繞的放線輪始終保持原有狀態。同時，拉出的多根絲材以轉盤中心平移轉動，使多根絲材按設定的導程和旋向絞繞在一起，完成絞繞工作，并由牽引機構被動式的勻速拉出并纏繞在收線輪上。

圖1 四連桿式絞繞原理圖

由圖1可以看出：

① 當 ab+bc＜bc+cd、或 ab+bc=bc+cd時，最短桿與任意另一桿的長度之和小于或等于其余兩桿之和。此機構為曲柄搖桿機構。

②當ab+bc＜bc+cd、時，與最短桿相對的桿固定。此機構稱為雙搖桿機構。

③當ab=cd、ad=bc、時，成平行四邊形或反平行四邊形。此機構稱為雙曲柄機構。

采用雙曲柄機構是符合絞繞特點的，可保證放線輪處于平移運動。不會產生單根線順向旋扭的現象。當a、b、c、d 4點成一條直線時，會出現運動不確定現象，從動桿cd離開c點后，可能會出現反方向轉動，成為反平行四邊形機構，但在絞繞中是由N個平行四邊形機構連在一起，形成附加構件進行了約束，不會成為反平行四邊形機構。

四連桿式繞制法的特點：四連桿式繞制其機構簡單，穿線操作及控制方便，可根據工藝要求隨機變速。但公轉與放線輪的自轉關系不能改變。并且B盤是被動旋轉,需要增加旋轉時對中心定位的約束條件。

1.3 周轉輪系式繞制法

利用周轉輪系的原理進行插針的絞繞是一種很好的方法。(參見圖2)問題是主軸公轉一圈時，放線輪同時也自轉一圈、公轉一圈。解決公轉與放線輪自轉的相對問題，才不會使單根線順向扭曲，并使繞制中產生絞扭力。

圖2 周轉輪系式絞繞原理圖

由圖2可以看出：n1的轉速=轉盤的轉速，

n2的轉速=放線輪的轉速，

根據周轉輪系的計算方法，原轉速為n1、n2、nH、轉化后的轉速：當n1=0時，

則：n2-nH=(Z1/Z2)·(-nH)

所以：n2=(1-Z1/Z2)當Z1=Z2時，則：n2=0

因為n2的轉動等于放線輪的轉動，說明此種傳動原理不會使n2產生轉動(單線本身的扭曲)，只能沿nH軸平移，從而達到插針的絞繞要求。其次，當放線輪在轉盤上的數量為N時，齒輪Z1的齒數應是Z2的N倍數。

周轉輪系式繞制法的優點是結構緊湊，旋轉靈活，控制方便。穿線操作、更換線輪、調整放線張力比較便利，可隨意改變轉盤速度并于牽引線速度相匹配。適合用于較硬、彈性較大的材料進行絞繞。其缺點是采用齒輪傳動帶來一定的噪音。

1.4 差動輪系式繞制法

差動輪系式繞制是一種很靈活的絞繞方法。(參見圖3)采用兩個動力源及一個定軸輪系與差動輪系的結合，可隨機按照產品的生產工藝要求，改變絞繞參數的特性，可隨意改變轉盤速度與放線輪的自轉關系，進行插針體的絞繞。

其傳動關系為：

當設定nH=1r/m in、設定n2=-1r/m in時

則：-Z1/Z2=(-1-1)/(n1-1)=-2/(n1-1)

當設定：Z1/Z2=5時,

則：n1=1.4

電機n6=K1.4Z5Z3/Z6Z4其中：K=效率系數

電機n6的速度也可由控制器來調整確定。

圖3 差動輪系式絞繞原理圖

注意的是：當放線輪在轉盤上的數量為N時，齒輪Z1的齒數應是Z2的N倍。

差動輪系式繞制法的特長與缺陷：差動輪系式繞制方法可以根據繞制的工藝變化，隨機改變主軸公轉與放線輪梭自轉的比值及與牽引線速度的比值 (不用齒輪掛換)，達到改變絞繞參數繞制的目的。使用靈活、方便。缺點是采用兩個動力及電機控制器，增加了成本。采用齒輪傳動帶來較大噪音。

綜上所述,較好的方法是采用周轉輪系式繞制法及差動輪系式繞制法或兩種方法混用的原理和機構。(插針的最終絞繞原理見圖4)。

圖4 數控絞繞原理圖

2 放線梭架的設計

張力自調機構的放線梭架設計是放線張力隨機自調及N個放線梭張力一致，保證了絞繞時的松弛一致性。使絞繞出的線束形狀規范。

放線張力隨機自調是利用在測量偏心軸上予先加上一定的扭力彈簧，當線材被拉緊時，由于線材壓迫擺動導輪使導輪軸架帶動測量偏心軸轉動一定角度，壓下一擺動板隨機壓迫轉動輪或離開轉動盤(轉動盤與放線輪為一剛體)達到放線梭張力在放線時隨機自調，達到均衡的目的。

根據絞繞的原理要求，其放線梭架體的旋轉中心必須和梭架出線中心同軸，只有這樣，才能保持放線梭架轉動時始終與差動輪系主軸上的導輪相關位置不變，從而達到隨機自動調整放線張力的目的。

3 被絞繞絲材的牽引條件

絞繞參數的特點是要保證絞繞的螺距 (導程)。隨著螺距的改變(當牽引速度恒定時)，必然要改變絞繞的轉速。因此，繞線螺距w、繞線轉速n、牽引速度v三者之間有密切的關系：v=w·n

其中：w-π(D-d)tg a

a-螺旋升角D-絞繞外徑d-絞繞線徑

v-nπ(D-d·tg a

當絞繞線徑、根數確定后，其絞線線束的外徑就為定值。同理，當繞線線徑、根數確定后，在絞繞線徑上密繞時，其繞線的外徑及螺距(導程)就為定值。最好的情況是繞線的線束內徑等同于絞線線束的外徑，而不能小于絞線線束的外徑，當繞線的線束內徑變大時，會使絞繞線束產生不緊密現象。

絞線與繞線的螺距要求可根據需要有可能是不一致的，但絞、繞后的線速度應等于牽引速度。因此：

絞線轉速：n1=nπ(D-d)·tg a/W1W1= 絞線螺距

由于芯線與外繞線的參數不一樣，首先確定外繞線的牽引速度及繞線轉速，而后確定牽引速度，再調整芯線的絞線轉速。牽引速度在工作的過程中應是一個定值，不會因為收排線中由于收線輪直徑的增大而改變。

4 收卷原理及結構

收卷采用的方法是同軸收排線機構。采用步進電機、滾珠絲杠、帶動收卷機構在雙導向軸的滑板上，使收線輪在收卷的同時作軸向往復移動進行排線，其優點是繞制好的絞線不會因排線的過程而來回擺動，達到平穩收排線。

排線動力采用步進電機，在往復移動的兩端安裝可調限位傳感器。收線動力采用力矩電機，利用其獨特的電氣特性，當負載增加時，電機的出軸轉速能自動的隨之降低，使收卷的張力基本保持不變，并可長時間運在低速度狀態甚至處于堵轉狀態，使牽引輪與絞繞好的成品之間的摩擦力一致(張力恒定)，可使旋轉軸上安裝有編碼器記數，使收線與排線有序的進行工作。

當絞繞材料斷絲或完結時，可由檢測裝置給出信號，使收線力矩電機停止轉動，同時用電磁剎車器剎車，可防止被收卷的花針線頭甩開。

5 產品圖像的攝取觀察

為了在工作中對絞繞的產品隨機進行觀察，采用了CCD影像傳感器與變倍單筒顯微鏡的取像放大系統及高線素的顯示器作為設備絞繞狀態的終端顯示。為了工作時方便進行絞繞狀態圖像的觀察，具備有旋鈕式控制減速絞繞的功能，使設備可進行慢速運行，便于在顯示器上籽細觀察被絞繞好的產品狀態。

6 電控系統的設計

微細線自動快速絞制中，具有放線張力調整及標示功能。設計有斷線自動停機、報警功能。采用觸摸屏作為設備參數輸入和顯示的人機界面。

絞線、繞線、牽引動力驅動使用交流伺服電機，使用交流伺服電機控制器控制，收線用的力矩電機使用電位器、或調壓裝置調整額定力矩。采用PLC可編程控制器及特殊功能模塊作為控制中心，按照工藝要求設計、編制控制程序軟件，使絞、繞、牽引、收卷、排線的動力從啟動開始到停車的過程，必須一直處在同步控制之中。

7 設備的調試與改進

該機采用了周轉輪系式及差動輪系式的復合繞制法。解決了被絞繞材料在絞繞時自扭后隨機退扭的問題。經過安裝、調試、負載試驗，符合柔性微矩形連接器件的制造工藝要求。

在調試中發現，放線的張力大小、線束張力的均勻性是非常重要的一個環節，如果不能解決好這個問題，就不能絞繞出合格的產品。

同時，在絞繞較細材料時(φ0.05mm)，使導向軸出口處的角度大小、引出線長度的多少都會嚴重影響絞繞產品的質量。

另外，如果在操作高度上再增加一定尺寸，放線輪軸安裝尺寸再稍增加一定寬度，則更加有利于更換放線輪及方便操作。

8 結束語

電子專用設備是電子元器件快速發展的根本基礎，專用設備的發展水平確定了電子元器件的研制和使用水平。該類專用設備的研制成功，對發展我國的相關電連接器產業、提高柔性微矩形連接器產品的高質量、高效率起到積極的、有效的作用。

[1]機械原理基礎(上、下冊)[M].上海：科學技術出版社.1978.