一種麻花針數控絞線機的不完全退扭機構設計

張 杰，李 杰

(1.四川華豐科技股份有限公司，四川綿陽，621000； 2.空軍裝備部駐綿陽地區第二軍事代表室，四川綿陽，621000)

1 引言

麻花針是一種用于電連接器上的彈性接觸形式，具有接觸可靠、插拔力小、壽命長、體積小、抗瞬斷能力強等優點。并于21世紀初在國內形成成熟應用。與其它電接觸形式的彈性結構相比，麻花針的彈性結構在保持高可靠接觸的前提下外徑最小，因而逐漸成為高密度高可靠微小型電連接器接觸對的主流形式。國內采用麻花針的J30微矩形系列連接器和J63納矩形系列連接器被廣泛應用于軍事裝備、航天等領域。

麻花針的制作對絞線質量要求十分嚴格。尤其是對絞線剩余扭轉應力的控制，如果絞線線纜的扭轉應力過大將造成絞線扭曲不直，甚至無法使用。而采用傳統固定式完全退扭放線裝置制作的絞線線纜仍然存在著較大的殘余扭轉應力。同時線纜的節距誤差、絞線松散等缺陷都直接導致后期麻花針制造的合格率低、一致性差等問題。因此優質絞線線纜的制作通常需要自主開發專用的絞線設備。

麻花針絞線機研制大體上可參照線纜成纜機的機構設計，同時還要滿足麻花針絞線線纜的特殊要求。最突出的問題是制作麻花針所使用的原材料是高剛性的鈹青銅線，對絞合過程中產生的絲線扭曲現象特別敏感。開發一套可無極調節退扭程度的全數控絞線設備顯得十分必要，一方面方便試驗查找絞線運動的最佳退扭參數，另一方面使用工廠可根據來料等工況微調參數以保證產出優質的絞線線纜。

2 絞線的扭曲與退扭

若采用無退扭裝置的絞線機進行線纜的絞合時，啟動設備后很快就會發生斷絲現象，其成因如圖1所示。放線架固定在主軸外伸懸臂端，絲的出線端隨著放線架一起做主繞線運動，當主軸旋轉一圈，出線端也會沿絲線的軸線以相同方向旋轉一圈，而絲線的另一端——絞合點處則沒有隨主軸的旋轉運動，只有隨牽引力的勻速向上運動。于是，在絲線的這兩端之間，產生一個扭轉運動。幾圈下來就會導致絲線扭斷。

圖1 無退扭裝置及絲線扭曲現象

為了消除這種絲線的扭轉現象，需要線架提供一個按圖1中退扭方向所示的退扭旋轉運動，相對于懸臂的轉速為n1，n1應與主軸轉速n0的大小相等方向相反以抵消固定線架隨主軸的扭轉運動。這就是傳統固定式完全退扭放線裝置提供的線架運動方式。

圖2更清晰地表達了這種完全退扭關系，H為主軸系桿，短實線為無退扭的線架，短虛線為完全退扭的線架。可以看出，在完全退扭情況下，(虛線)線架相對于地面的轉速為零。而在無退扭情況下，(實線)線架相對于地面有一個與主軸轉速n0相同的旋轉運動。

圖2 無退扭(實線)與完全退扭(虛線)

3 退扭度的量化描述

根據絞線機的總體設計要求——無級可調退扭量，我們需要對這種退扭運動進行量化的描述。沿用習慣叫法進行推導：(1)線架固定在主軸系桿H頂端隨主軸轉動的情況稱作無退扭絞合；(2)線架相對于系桿H有自轉運動，并隨著主軸的轉動相對于地面沒有任何轉動的情況稱作完全退扭絞合。設主軸相對于地面的轉速為n0，線架相對于地面的轉速為n1，并設退扭度為k，根據前述習慣叫法，我們定義無退扭絞合時k=0，完全退扭絞合時k=100%。通過列表法查得n0和n1的關系：

表1 退扭度k與轉速n0、n1關系

可得退扭度k的表達式：

(1)

式中，k無量綱，轉速n0、n1單位為rpm。

4 線纜的實際扭轉量

需要注意的是，前文所述100%完全退扭是在這種理想絞線運動下單根絲線發生的扭轉情況。而在無退扭絞合時線纜每圈的實際扭轉量T還與螺旋線的節距t和線纜外層中徑D有關，其關系為[1]：

(2)

例1：麻花針絞線線纜的節距t=3mm，絞線外層中徑D=0.32mm，求無退扭絞合時的線纜每圈扭轉量T。

解：將t、D帶入(2)可得：

T=0.948

這里的實際扭轉量T=0.948正是需要退扭的實際量。由于扭轉量T與上述退扭度k在描述絲線扭曲上具有等同的含義，于是可以直接得出這種線纜在無殘余扭轉應力絞合時的實際退扭度值：

k=|T|×100%=94.8%。

這就解釋了為什么采用傳統固定式完全退扭放線裝置的絞線線纜仍然存在殘余扭轉應力的原因。為了獲得舒緩平直的優質絞線線纜，k的取值不應是100%，而是94.8%，如果外徑、節距發生改變，這個值還要修改，同時在生產中還要求根據工況等實際情況對k值進行精細的微調。這意味著要對n0或n1進行寬范圍的無級調節，這也是本機構設計的一個特殊要求點，是對退扭度進行量化描述的原因所在。

5 不完全退扭機構的設計

成纜機的退扭機構分為固定退扭機構和可調退扭機構兩類。常見的固定退扭機構有四連桿退扭機構和行星齒輪退扭機構。圖3是一種帶中間輪的行星齒輪機構，當z1=z3時即可獲得100%完全退扭，理論上調整兩個齒輪的齒數也可獲得退扭度改變的效果，但實際使用中不太可能頻繁進行換輪，更難以達到微調效果。這種機構體積大，慣量大、噪聲大，應用在像麻花針絞線這種需要精細制作的地方也不甚理想。而帶有無極可調不完全退扭機構的成纜設備多為復合差動輪系機構，其系統組成復雜，設計原理深奧，制造成本也非常高，目前僅少數國外公司提供此類設備，售價昂貴[2]。

圖3 行星齒輪退扭機構

找到一種簡單實用的可調退扭機構是本設計的難點之一。根據絞線機總體要求，筆者設計了一款符合這種要求的伺服不完全退扭機構，其設計思想是機械結構應盡量簡單，通過數控伺服技術來精確控制機構的運動關系。

觀察圖3的行星齒輪機構，如果去掉中間輪z2，并解除太陽輪z1的約束使之直接與行星輪z3咬合，這樣行星輪z3同樣可以實現自轉功能，只需單獨控制太陽輪z1并使之與系桿H(主軸)按照一定關系協調運動，即可實現線架的可控自轉運動。

新機構的簡圖見圖4。這個機構的特點為：(1)結構極簡化：省去中間輪，且對z1、z2的齒數幾乎沒有任何限制，實際上為了降低轉動慣量，z1可以任意小。(2)機構具有多個自由度：按圖4計算自由度F，活動件數量3個，轉軸數3個，高副數1個，則機構的自由度數為：F=3×3-2×3-1=2。機構具有兩個自由度[3]。

圖4 二自由度行星齒輪退扭機構

為了實現各構件間確定的運動關系，需要有與自由度數量相同的主動裝置。完整的伺服不完全退扭裝置見圖5，兩個伺服電機M0、M1通過同步帶輪接入機構的兩個輸入端(實際的電機還通過了一級減速器，圖中略)。M0驅動主軸作絞線運動；M1驅動太陽輪z2作退扭運動；行星輪z1則作被動運動——既有繞主軸的行星運動，又有繞自軸的自轉運動。

圖5 完整的伺服不完全退扭裝置

根據絞線線纜外層絲線根數的要求，固定有線架的行星輪z1需沿太陽輪z2圓周均勻分布相同的數量。由于z1、z2可以任意取值，這種機構允許在保持整機體積較小的前提下安排下十多組原料線架。體積的減小對降低能耗，降低噪聲，降低制造成本，提高運轉精度，提高生產效率，設備使用安全性等方面均有益處。

6 機構的運動關系

設主軸電機M0的轉速為nM0，退扭電機M1的轉速為nM1，并設兩個同步帶輪的減速比i相等，求主軸轉速n0和線架轉速n1，如圖5所示。再根據退扭度k，求出兩個電動機轉速間的關系。

解：主軸轉速：

線架轉速n1的求解較為麻煩，分三步：

(1)設當M0=nM0，M1=0時：

(2)設當M0=0，M1=nM1時：

(3)則線架合轉速n1為：

=(1+z2/z1)(nM0/i)-(z2/z1)(nM1/i)

將n0、n1帶入退扭度公式(式1)，化簡后得：

(3)

這就是兩個電動機轉速比與退扭度k的關系式，是機構在工作時應遵循的運動關系。

7 裝置的控制要求

在進行驅動程序編程時應嚴格按照公式(3)提供的關系同步驅動兩個伺服電機。特別是在啟、停動作的加、減速階段，如果轉速不同步將導致絲線產生不同步扭轉，多次啟停累計下來也會造成線纜嚴重的扭曲，甚至斷絲。因此，這兩個電機須采用同步控制模式(俗稱聯動)。

公式(3)在使用上需要用戶設定退扭度k值，以及內外節距t、t’，主軸速度n0等參數。應在電控設計時采用人機界面(HMI)等帶有數字輸入的設備，方便用戶自行設定包括退扭度k在內的用戶參數。程序根據這些參數自動計算電機速度值，下面舉例說明計算方法。

例2：已知：z1=32，z2=128，兩個同步帶輪傳動比i=2:1，用戶設定的退扭度k=94.8%，主軸轉速n0=120rpm，求兩個電機轉速nM0、nM1。

解：由n0=nM0/ i可得M0的轉速為：

nM0=i·n0=120×2=240(rpm)

又由公式(3)得：

則M1的轉速為：

nM1=1.237·nM0=1.237×240=296.9(rpm)

程序應自動按照這兩個速度值同步驅動各自的電機，當任一用戶參數發生修改，程序應自動重新計算，并按新的速度值驅動電機。出于安全要求，程序應對每個電機的安全速度范圍設定保護措施，當計算值超出安全范圍應提示并拒絕執行。

為保證運轉精度，伺服電機的每圈脈沖數的設定值應≥10000P/r，退扭度k的示值精度(分辨率)應為0.1%，節距t、t’的示值精度應為0.01mm。主軸轉速應使用檔位開關供用戶選擇，應至少分高、中、低三個速度檔位。

8 絞線設備整機簡介

麻花針絞線線纜的結構由內、外兩層組成，整機采用內外共繞、立式布局方案，絞線線纜一次成形。主體構成如圖6所示，主機由上、下兩套伺服退扭裝置組成，裝置的四個電機均有聯動要求。又由于牽引速度vt與主軸轉速n0、n’0共同決定線纜內、外層螺旋線的節距，因而牽引電機也需與之聯動。這是一個5軸聯動的數控裝置。

圖6 麻花針數控絞線機主機示意圖

以上5軸裝置再加上收卷裝置、排線裝置，以及計數、檢測裝置共同組成設備整機。

9 結束語

本文介紹的這款伺服不完全退扭裝置應用于筆者開發的麻花針數控絞線機上，已經過長期生產檢驗，實現了100km級無故障、無維護運行。可無人值守24h連續工作。產出的優質絞線為后期麻花針順利生產提供了有力保證。