麻花插針絞繞原理的分析與設(shè)計(jì)

楊 超，馬嵩源，張永戰(zhàn)

(1.西北機(jī)器有限公司，陜西蔡家坡722405；2.天津電氣傳動(dòng)設(shè)計(jì)研究所，天津300000；3.陜西華達(dá)科技有限公司，西安710065)

電連接器在各類設(shè)備、裝置、儀器、儀表、電氣傳動(dòng)、電氣控制、各系統(tǒng)之間的能量、電源、信號(hào)起銜接作用并具有電連接特性的基礎(chǔ)元件之一。

目前，在國(guó)內(nèi)柔性微矩形電連接器的生產(chǎn)手段落后，技術(shù)性能及穩(wěn)定性差，生產(chǎn)效率低，難以滿足現(xiàn)代化制造業(yè)的要求。因此，研制電連接器自動(dòng)化生產(chǎn)線的制造技術(shù)和研制電連接器的自動(dòng)化專用設(shè)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(shù)及專用設(shè)備包括：絞繞插針的原料計(jì)長(zhǎng)復(fù)繞、微細(xì)的多材多股束線的快速自動(dòng)絞制、束線的自動(dòng)矯直、自動(dòng)收排、自動(dòng)送料、自動(dòng)定長(zhǎng)剪裁、自動(dòng)焊接、自動(dòng)或半自動(dòng)成型、半自動(dòng)裝配、精密檢測(cè)等關(guān)鍵設(shè)備。

其中，插針的多材多股束線的自動(dòng)絞制技術(shù)是使用連續(xù)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(chǎn)量計(jì)數(shù)、收排卷繞等手段來完成的。而自動(dòng)絞制技術(shù)對(duì)快速絞繞的成功與否起到很關(guān)鍵的作用。

1 絞繞機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)及原理分析

絞繞的作用是把多種不同材質(zhì)的一束金屬絲材有規(guī)則的、按設(shè)定的導(dǎo)程和旋向、調(diào)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(guī)則整齊。把絞繞好的產(chǎn)品按設(shè)定長(zhǎng)度分段剪裁后不能出現(xiàn)散股的現(xiàn)象。為了達(dá)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(zhuǎn)筒的中心，放線輪加有重錘，并有機(jī)械式張力調(diào)解裝置，旋轉(zhuǎn)筒在電機(jī)、減速機(jī)的傳動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)的同時(shí)，放線輪除沿本身軸被動(dòng)放線轉(zhuǎn)動(dòng)外，始終保持原位、原狀態(tài)不變。使被絞繞的單根絲材不會(huì)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)筒同方向的轉(zhuǎn)動(dòng)。(只能平動(dòng))由于拉出旋轉(zhuǎn)筒的絲材在導(dǎo)向盤轉(zhuǎn)動(dòng)的帶動(dòng)下，繞旋轉(zhuǎn)筒的中心繞動(dòng)，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(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的，由牽引機(jī)構(gòu)被動(dòng)式的勻速拉出并纏繞在收線輪上。

優(yōu)勢(shì)與缺陷：滾筒式繞制法工作比較平穩(wěn)，噪音較小，控制簡(jiǎn)單。但在工作中需要根據(jù)工藝參數(shù)的要求，變換各種轉(zhuǎn)速齒輪，穿線操作非常不方便，由于結(jié)構(gòu)上的原因，滾筒體不能高速轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，工作效率較低，因?yàn)榉啪€輪安裝于旋轉(zhuǎn)筒的中心軸線上，使得設(shè)備的軸向尺寸較大，占據(jù)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(zhuǎn)盤上的放線輪產(chǎn)生平移運(yùn)動(dòng)(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(tài)。同時(shí)，拉出的多根絲材以轉(zhuǎn)盤中心平移轉(zhuǎn)動(dòng)，使多根絲材按設(shè)定的導(dǎo)程和旋向絞繞在一起，完成絞繞工作，并由牽引機(jī)構(gòu)被動(dòng)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(dāng) ab+bc＜bc+cd、或 ab+bc=bc+cd時(shí)，最短桿與任意另一桿的長(zhǎng)度之和小于或等于其余兩桿之和。此機(jī)構(gòu)為曲柄搖桿機(jī)構(gòu)。

②當(dāng)ab+bc＜bc+cd、時(shí)，與最短桿相對(duì)的桿固定。此機(jī)構(gòu)稱為雙搖桿機(jī)構(gòu)。

③當(dāng)ab=cd、ad=bc、時(shí)，成平行四邊形或反平行四邊形。此機(jī)構(gòu)稱為雙曲柄機(jī)構(gòu)。

采用雙曲柄機(jī)構(gòu)是符合絞繞特點(diǎn)的，可保證放線輪處于平移運(yùn)動(dòng)。不會(huì)產(chǎn)生單根線順向旋扭的現(xiàn)象。當(dāng)a、b、c、d 4點(diǎn)成一條直線時(shí)，會(huì)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不確定現(xiàn)象，從動(dòng)桿cd離開c點(diǎn)后，可能會(huì)出現(xiàn)反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，成為反平行四邊形機(jī)構(gòu)，但在絞繞中是由N個(gè)平行四邊形機(jī)構(gòu)連在一起，形成附加構(gòu)件進(jìn)行了約束，不會(huì)成為反平行四邊形機(jī)構(gòu)。

四連桿式繞制法的特點(diǎn)：四連桿式繞制其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，穿線操作及控制方便，可根據(jù)工藝要求隨機(jī)變速。但公轉(zhuǎn)與放線輪的自轉(zhuǎn)關(guān)系不能改變。并且B盤是被動(dòng)旋轉(zhuǎn),需要增加旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)中心定位的約束條件。

1.3 周轉(zhuǎn)輪系式繞制法

利用周轉(zhuǎn)輪系的原理進(jìn)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(zhuǎn)一圈時(shí)，放線輪同時(shí)也自轉(zhuǎn)一圈、公轉(zhuǎn)一圈。解決公轉(zhuǎn)與放線輪自轉(zhuǎn)的相對(duì)問題，才不會(huì)使單根線順向扭曲，并使繞制中產(chǎn)生絞扭力。

圖2 周轉(zhuǎn)輪系式絞繞原理圖

由圖2可以看出：n1的轉(zhuǎn)速=轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速，

n2的轉(zhuǎn)速=放線輪的轉(zhuǎn)速，

根據(jù)周轉(zhuǎn)輪系的計(jì)算方法，原轉(zhuǎn)速為n1、n2、nH、轉(zhuǎn)化后的轉(zhuǎn)速：當(dāng)n1=0時(shí)，

則：n2-nH=(Z1/Z2)·(-nH)

所以：n2=(1-Z1/Z2)當(dāng)Z1=Z2時(shí)，則：n2=0

因?yàn)閚2的轉(zhuǎn)動(dòng)等于放線輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，說明此種傳動(dòng)原理不會(huì)使n2產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)(單線本身的扭曲)，只能沿nH軸平移，從而達(dá)到插針的絞繞要求。其次，當(dāng)放線輪在轉(zhuǎn)盤上的數(shù)量為N時(shí)，齒輪Z1的齒數(shù)應(yīng)是Z2的N倍數(shù)。

周轉(zhuǎn)輪系式繞制法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，旋轉(zhuǎn)靈活，控制方便。穿線操作、更換線輪、調(diào)整放線張力比較便利，可隨意改變轉(zhuǎn)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(jìn)行絞繞。其缺點(diǎn)是采用齒輪傳動(dòng)帶來一定的噪音。

1.4 差動(dòng)輪系式繞制法

差動(dòng)輪系式繞制是一種很靈活的絞繞方法。(參見圖3)采用兩個(gè)動(dòng)力源及一個(gè)定軸輪系與差動(dòng)輪系的結(jié)合，可隨機(jī)按照產(chǎn)品的生產(chǎn)工藝要求，改變絞繞參數(shù)的特性，可隨意改變轉(zhuǎn)盤速度與放線輪的自轉(zhuǎn)關(guān)系，進(jìn)行插針體的絞繞。

其傳動(dòng)關(guān)系為：

當(dāng)設(shè)定nH=1r/m in、設(shè)定n2=-1r/m in時(shí)

則：-Z1/Z2=(-1-1)/(n1-1)=-2/(n1-1)

當(dāng)設(shè)定：Z1/Z2=5時(shí),

則：n1=1.4

電機(jī)n6=K1.4Z5Z3/Z6Z4其中：K=效率系數(shù)

電機(jī)n6的速度也可由控制器來調(diào)整確定。

圖3 差動(dòng)輪系式絞繞原理圖

注意的是：當(dāng)放線輪在轉(zhuǎn)盤上的數(shù)量為N時(shí)，齒輪Z1的齒數(shù)應(yīng)是Z2的N倍。

差動(dòng)輪系式繞制法的特長(zhǎng)與缺陷：差動(dòng)輪系式繞制方法可以根據(jù)繞制的工藝變化，隨機(jī)改變主軸公轉(zhuǎn)與放線輪梭自轉(zhuǎn)的比值及與牽引線速度的比值 (不用齒輪掛換)，達(dá)到改變絞繞參數(shù)繞制的目的。使用靈活、方便。缺點(diǎn)是采用兩個(gè)動(dòng)力及電機(jī)控制器，增加了成本。采用齒輪傳動(dòng)帶來較大噪音。

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

圖4 數(shù)控絞繞原理圖

2 放線梭架的設(shè)計(jì)

張力自調(diào)機(jī)構(gòu)的放線梭架設(shè)計(jì)是放線張力隨機(jī)自調(diào)及N個(gè)放線梭張力一致，保證了絞繞時(shí)的松弛一致性。使絞繞出的線束形狀規(guī)范。

放線張力隨機(jī)自調(diào)是利用在測(cè)量偏心軸上予先加上一定的扭力彈簧，當(dāng)線材被拉緊時(shí)，由于線材壓迫擺動(dòng)導(dǎo)輪使導(dǎo)輪軸架帶動(dòng)測(cè)量偏心軸轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度，壓下一擺動(dòng)板隨機(jī)壓迫轉(zhuǎn)動(dòng)輪或離開轉(zhuǎn)動(dòng)盤(轉(zhuǎn)動(dòng)盤與放線輪為一剛體)達(dá)到放線梭張力在放線時(shí)隨機(jī)自調(diào)，達(dá)到均衡的目的。

根據(jù)絞繞的原理要求，其放線梭架體的旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)動(dòng)時(shí)始終與差動(dòng)輪系主軸上的導(dǎo)輪相關(guān)位置不變，從而達(dá)到隨機(jī)自動(dòng)調(diào)整放線張力的目的。

3 被絞繞絲材的牽引條件

絞繞參數(shù)的特點(diǎn)是要保證絞繞的螺距 (導(dǎo)程)。隨著螺距的改變(當(dāng)牽引速度恒定時(shí))，必然要改變絞繞的轉(zhuǎn)速。因此，繞線螺距w、繞線轉(zhuǎn)速n、牽引速度v三者之間有密切的關(guān)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(dāng)絞繞線徑、根數(shù)確定后，其絞線線束的外徑就為定值。同理，當(dāng)繞線線徑、根數(shù)確定后，在絞繞線徑上密繞時(shí)，其繞線的外徑及螺距(導(dǎo)程)就為定值。最好的情況是繞線的線束內(nèi)徑等同于絞線線束的外徑，而不能小于絞線線束的外徑，當(dāng)繞線的線束內(nèi)徑變大時(shí)，會(huì)使絞繞線束產(chǎn)生不緊密現(xiàn)象。

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

絞線轉(zhuǎn)速：n1=nπ(D-d)·tg a/W1W1= 絞線螺距

由于芯線與外繞線的參數(shù)不一樣，首先確定外繞線的牽引速度及繞線轉(zhuǎn)速，而后確定牽引速度，再調(diào)整芯線的絞線轉(zhuǎn)速。牽引速度在工作的過程中應(yīng)是一個(gè)定值，不會(huì)因?yàn)槭张啪€中由于收線輪直徑的增大而改變。

4 收卷原理及結(jié)構(gòu)

收卷采用的方法是同軸收排線機(jī)構(gòu)。采用步進(jìn)電機(jī)、滾珠絲杠、帶動(dòng)收卷機(jī)構(gòu)在雙導(dǎo)向軸的滑板上，使收線輪在收卷的同時(shí)作軸向往復(fù)移動(dòng)進(jìn)行排線，其優(yōu)點(diǎn)是繞制好的絞線不會(huì)因排線的過程而來回?cái)[動(dòng)，達(dá)到平穩(wěn)收排線。

排線動(dòng)力采用步進(jìn)電機(jī)，在往復(fù)移動(dòng)的兩端安裝可調(diào)限位傳感器。收線動(dòng)力采用力矩電機(jī)，利用其獨(dú)特的電氣特性，當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，電機(jī)的出軸轉(zhuǎn)速能自動(dòng)的隨之降低，使收卷的張力基本保持不變，并可長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)在低速度狀態(tài)甚至處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，使?fàn)恳喤c絞繞好的成品之間的摩擦力一致(張力恒定)，可使旋轉(zhuǎn)軸上安裝有編碼器記數(shù)，使收線與排線有序的進(jìn)行工作。

當(dāng)絞繞材料斷絲或完結(jié)時(shí)，可由檢測(cè)裝置給出信號(hào)，使收線力矩電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)用電磁剎車器剎車，可防止被收卷的花針線頭甩開。

5 產(chǎn)品圖像的攝取觀察

為了在工作中對(duì)絞繞的產(chǎn)品隨機(jī)進(jìn)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(tǒng)及高線素的顯示器作為設(shè)備絞繞狀態(tài)的終端顯示。為了工作時(shí)方便進(jìn)行絞繞狀態(tài)圖像的觀察，具備有旋鈕式控制減速絞繞的功能，使設(shè)備可進(jìn)行慢速運(yùn)行，便于在顯示器上籽細(xì)觀察被絞繞好的產(chǎn)品狀態(tài)。

6 電控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

微細(xì)線自動(dòng)快速絞制中，具有放線張力調(diào)整及標(biāo)示功能。設(shè)計(jì)有斷線自動(dòng)停機(jī)、報(bào)警功能。采用觸摸屏作為設(shè)備參數(shù)輸入和顯示的人機(jī)界面。

絞線、繞線、牽引動(dòng)力驅(qū)動(dòng)使用交流伺服電機(jī)，使用交流伺服電機(jī)控制器控制，收線用的力矩電機(jī)使用電位器、或調(diào)壓裝置調(diào)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(shè)計(jì)、編制控制程序軟件，使絞、繞、牽引、收卷、排線的動(dòng)力從啟動(dòng)開始到停車的過程，必須一直處在同步控制之中。

7 設(shè)備的調(diào)試與改進(jìn)

該機(jī)采用了周轉(zhuǎn)輪系式及差動(dòng)輪系式的復(fù)合繞制法。解決了被絞繞材料在絞繞時(shí)自扭后隨機(jī)退扭的問題。經(jīng)過安裝、調(diào)試、負(fù)載試驗(yàn)，符合柔性微矩形連接器件的制造工藝要求。

在調(diào)試中發(fā)現(xiàn)，放線的張力大小、線束張力的均勻性是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，如果不能解決好這個(gè)問題，就不能絞繞出合格的產(chǎn)品。

同時(shí)，在絞繞較細(xì)材料時(shí)(φ0.05mm)，使導(dǎo)向軸出口處的角度大小、引出線長(zhǎng)度的多少都會(huì)嚴(yán)重影響絞繞產(chǎn)品的質(zhì)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(jié)束語

電子專用設(shè)備是電子元器件快速發(fā)展的根本基礎(chǔ)，專用設(shè)備的發(fā)展水平確定了電子元器件的研制和使用水平。該類專用設(shè)備的研制成功，對(duì)發(fā)展我國(guó)的相關(guān)電連接器產(chǎn)業(yè)、提高柔性微矩形連接器產(chǎn)品的高質(zhì)量、高效率起到積極的、有效的作用。

[1]機(jī)械原理基礎(chǔ)(上、下冊(cè))[M].上海：科學(xué)技術(shù)出版社.1978.