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(qū)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。并于21世紀(jì)初在國內(nèi)形成成熟應(yīng)用。與其它電接觸形式的彈性結(jié)構(gòu)相比，麻花針的彈性結(jié)構(gòu)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(nèi)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(yīng)用于軍事裝備、航天等領(lǐng)域。

麻花針的制作對絞線質(zhì)量要求十分嚴(yán)格。尤其是對絞線剩余扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的控制，如果絞線線纜的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力過大將造成絞線扭曲不直，甚至無法使用。而采用傳統(tǒng)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(zhuǎn)應(yīng)力。同時(shí)線纜的節(jié)距誤差、絞線松散等缺陷都直接導(dǎo)致后期麻花針制造的合格率低、一致性差等問題。因此優(yōu)質(zhì)絞線線纜的制作通常需要自主開發(fā)專用的絞線設(shè)備。

麻花針絞線機(jī)研制大體上可參照線纜成纜機(jī)的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)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?biāo)褂玫脑牧鲜歉邉傂缘拟斍嚆~線，對絞合過程中產(chǎn)生的絲線扭曲現(xiàn)象特別敏感。開發(fā)一套可無極調(diào)節(jié)退扭程度的全數(shù)控絞線設(shè)備顯得十分必要，一方面方便試驗(yàn)查找絞線運(yùn)動(dòng)的最佳退扭參數(shù)，另一方面使用工廠可根據(jù)來料等工況微調(diào)參數(shù)以保證產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)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(jī)進(jìn)行線纜的絞合時(shí)，啟動(dòng)設(shè)備后很快就會(huì)發(fā)生斷絲現(xiàn)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(yùn)動(dòng)，當(dāng)主軸旋轉(zhuǎn)一圈，出線端也會(huì)沿絲線的軸線以相同方向旋轉(zhuǎn)一圈，而絲線的另一端——絞合點(diǎn)處則沒有隨主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，只有隨牽引力的勻速向上運(yùn)動(dòng)。于是，在絲線的這兩端之間，產(chǎn)生一個(gè)扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。幾圈下來就會(huì)導(dǎo)致絲線扭斷。

圖1 無退扭裝置及絲線扭曲現(xiàn)象

為了消除這種絲線的扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象，需要線架提供一個(gè)按圖1中退扭方向所示的退扭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，相對于懸臂的轉(zhuǎn)速為n1，n1應(yīng)與主軸轉(zhuǎn)速n0的大小相等方向相反以抵消固定線架隨主軸的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。這就是傳統(tǒng)固定式完全退扭放線裝置提供的線架運(yùn)動(dòng)方式。

圖2更清晰地表達(dá)了這種完全退扭關(guān)系，H為主軸系桿，短實(shí)線為無退扭的線架，短虛線為完全退扭的線架?？梢钥闯觯谕耆伺で闆r下，(虛線)線架相對于地面的轉(zhuǎn)速為零。而在無退扭情況下，(實(shí)線)線架相對于地面有一個(gè)與主軸轉(zhuǎn)速n0相同的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖2 無退扭(實(shí)線)與完全退扭(虛線)

3 退扭度的量化描述

根據(jù)絞線機(jī)的總體設(shè)計(jì)要求——無級(jí)可調(diào)退扭量，我們需要對這種退扭運(yùn)動(dòng)進(jìn)行量化的描述。沿用習(xí)慣叫法進(jìn)行推導(dǎo)：(1)線架固定在主軸系桿H頂端隨主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的情況稱作無退扭絞合；(2)線架相對于系桿H有自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，并隨著主軸的轉(zhuǎn)動(dòng)相對于地面沒有任何轉(zhuǎn)動(dòng)的情況稱作完全退扭絞合。設(shè)主軸相對于地面的轉(zhuǎn)速為n0，線架相對于地面的轉(zhuǎn)速為n1，并設(shè)退扭度為k，根據(jù)前述習(xí)慣叫法，我們定義無退扭絞合時(shí)k=0，完全退扭絞合時(shí)k=100%。通過列表法查得n0和n1的關(guān)系：

表1 退扭度k與轉(zhuǎn)速n0、n1關(guān)系

可得退扭度k的表達(dá)式：

(1)

式中，k無量綱，轉(zhuǎn)速n0、n1單位為rpm。

4 線纜的實(shí)際扭轉(zhuǎn)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(yùn)動(dòng)下單根絲線發(fā)生的扭轉(zhuǎn)情況。而在無退扭絞合時(shí)線纜每圈的實(shí)際扭轉(zhuǎn)量T還與螺旋線的節(jié)距t和線纜外層中徑D有關(guān)，其關(guān)系為[1]：

(2)

例1：麻花針絞線線纜的節(jié)距t=3mm，絞線外層中徑D=0.32mm，求無退扭絞合時(shí)的線纜每圈扭轉(zhuǎn)量T。

解：將t、D帶入(2)可得：

T=0.948

這里的實(shí)際扭轉(zhuǎn)量T=0.948正是需要退扭的實(shí)際量。由于扭轉(zhuǎn)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(zhuǎn)應(yīng)力絞合時(shí)的實(shí)際退扭度值：

k=|T|×100%=94.8%。

這就解釋了為什么采用傳統(tǒng)固定式完全退扭放線裝置的絞線線纜仍然存在殘余扭轉(zhuǎn)應(yīng)力的原因。為了獲得舒緩平直的優(yōu)質(zhì)絞線線纜，k的取值不應(yīng)是100%，而是94.8%，如果外徑、節(jié)距發(fā)生改變，這個(gè)值還要修改，同時(shí)在生產(chǎn)中還要求根據(jù)工況等實(shí)際情況對k值進(jìn)行精細(xì)的微調(diào)。這意味著要對n0或n1進(jìn)行寬范圍的無級(jí)調(diào)節(jié)，這也是本機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個(gè)特殊要求點(diǎn)，是對退扭度進(jìn)行量化描述的原因所在。

5 不完全退扭機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

成纜機(jī)的退扭機(jī)構(gòu)分為固定退扭機(jī)構(gòu)和可調(diào)退扭機(jī)構(gòu)兩類。常見的固定退扭機(jī)構(gòu)有四連桿退扭機(jī)構(gòu)和行星齒輪退扭機(jī)構(gòu)。圖3是一種帶中間輪的行星齒輪機(jī)構(gòu)，當(dāng)z1=z3時(shí)即可獲得100%完全退扭，理論上調(diào)整兩個(gè)齒輪的齒數(shù)也可獲得退扭度改變的效果，但實(shí)際使用中不太可能頻繁進(jìn)行換輪，更難以達(dá)到微調(diào)效果。這種機(jī)構(gòu)體積大，慣量大、噪聲大，應(yīng)用在像麻花針絞線這種需要精細(xì)制作的地方也不甚理想。而帶有無極可調(diào)不完全退扭機(jī)構(gòu)的成纜設(shè)備多為復(fù)合差動(dòng)輪系機(jī)構(gòu)，其系統(tǒng)組成復(fù)雜，設(shè)計(jì)原理深?yuàn)W，制造成本也非常高，目前僅少數(shù)國外公司提供此類設(shè)備，售價(jià)昂貴[2]。

圖3 行星齒輪退扭機(jī)構(gòu)

找到一種簡單實(shí)用的可調(diào)退扭機(jī)構(gòu)是本設(shè)計(jì)的難點(diǎn)之一。根據(jù)絞線機(jī)總體要求，筆者設(shè)計(jì)了一款符合這種要求的伺服不完全退扭機(jī)構(gòu)，其設(shè)計(jì)思想是機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡單，通過數(shù)控伺服技術(shù)來精確控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

觀察圖3的行星齒輪機(jī)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)自轉(zhuǎn)功能，只需單獨(dú)控制太陽輪z1并使之與系桿H(主軸)按照一定關(guān)系協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即可實(shí)現(xiàn)線架的可控自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

新機(jī)構(gòu)的簡圖見圖4。這個(gè)機(jī)構(gòu)的特點(diǎn)為：(1)結(jié)構(gòu)極簡化：省去中間輪，且對z1、z2的齒數(shù)幾乎沒有任何限制，實(shí)際上為了降低轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，z1可以任意小。(2)機(jī)構(gòu)具有多個(gè)自由度：按圖4計(jì)算自由度F，活動(dòng)件數(shù)量3個(gè)，轉(zhuǎn)軸數(shù)3個(gè)，高副數(shù)1個(gè)，則機(jī)構(gòu)的自由度數(shù)為：F=3×3-2×3-1=2。機(jī)構(gòu)具有兩個(gè)自由度[3]。

圖4 二自由度行星齒輪退扭機(jī)構(gòu)

為了實(shí)現(xiàn)各構(gòu)件間確定的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，需要有與自由度數(shù)量相同的主動(dòng)裝置。完整的伺服不完全退扭裝置見圖5，兩個(gè)伺服電機(jī)M0、M1通過同步帶輪接入機(jī)構(gòu)的兩個(gè)輸入端(實(shí)際的電機(jī)還通過了一級(jí)減速器，圖中略)。M0驅(qū)動(dòng)主軸作絞線運(yùn)動(dòng)；M1驅(qū)動(dòng)太陽輪z2作退扭運(yùn)動(dòng)；行星輪z1則作被動(dòng)運(yùn)動(dòng)——既有繞主軸的行星運(yùn)動(dòng)，又有繞自軸的自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖5 完整的伺服不完全退扭裝置

根據(jù)絞線線纜外層絲線根數(shù)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(shù)量。由于z1、z2可以任意取值，這種機(jī)構(gòu)允許在保持整機(jī)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(yùn)轉(zhuǎn)精度，提高生產(chǎn)效率，設(shè)備使用安全性等方面均有益處。

6 機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系

設(shè)主軸電機(jī)M0的轉(zhuǎn)速為nM0，退扭電機(jī)M1的轉(zhuǎn)速為nM1，并設(shè)兩個(gè)同步帶輪的減速比i相等，求主軸轉(zhuǎn)速n0和線架轉(zhuǎn)速n1，如圖5所示。再根據(jù)退扭度k，求出兩個(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速間的關(guān)系。

解：主軸轉(zhuǎn)速：

線架轉(zhuǎn)速n1的求解較為麻煩，分三步：

(1)設(shè)當(dāng)M0=nM0，M1=0時(shí)：

(2)設(shè)當(dāng)M0=0，M1=nM1時(shí)：

(3)則線架合轉(zhuǎn)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(gè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比與退扭度k的關(guān)系式，是機(jī)構(gòu)在工作時(shí)應(yīng)遵循的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。

7 裝置的控制要求

在進(jìn)行驅(qū)動(dòng)程序編程時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照公式(3)提供的關(guān)系同步驅(qū)動(dòng)兩個(gè)伺服電機(jī)。特別是在啟、停動(dòng)作的加、減速階段，如果轉(zhuǎn)速不同步將導(dǎo)致絲線產(chǎn)生不同步扭轉(zhuǎn)，多次啟停累計(jì)下來也會(huì)造成線纜嚴(yán)重的扭曲，甚至斷絲。因此，這兩個(gè)電機(jī)須采用同步控制模式(俗稱聯(lián)動(dòng))。

公式(3)在使用上需要用戶設(shè)定退扭度k值，以及內(nèi)外節(jié)距t、t’，主軸速度n0等參數(shù)。應(yīng)在電控設(shè)計(jì)時(shí)采用人機(jī)界面(HMI)等帶有數(shù)字輸入的設(shè)備，方便用戶自行設(shè)定包括退扭度k在內(nèi)的用戶參數(shù)。程序根據(jù)這些參數(shù)自動(dòng)計(jì)算電機(jī)速度值，下面舉例說明計(jì)算方法。

例2：已知：z1=32，z2=128，兩個(gè)同步帶輪傳動(dòng)比i=2:1，用戶設(shè)定的退扭度k=94.8%，主軸轉(zhuǎn)速n0=120rpm，求兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速nM0、nM1。

解：由n0=nM0/ i可得M0的轉(zhuǎn)速為：

nM0=i·n0=120×2=240(rpm)

又由公式(3)得：

則M1的轉(zhuǎn)速為：

nM1=1.237·nM0=1.237×240=296.9(rpm)

程序應(yīng)自動(dòng)按照這兩個(gè)速度值同步驅(qū)動(dòng)各自的電機(jī)，當(dāng)任一用戶參數(shù)發(fā)生修改，程序應(yīng)自動(dòng)重新計(jì)算，并按新的速度值驅(qū)動(dòng)電機(jī)。出于安全要求，程序應(yīng)對每個(gè)電機(jī)的安全速度范圍設(shè)定保護(hù)措施，當(dāng)計(jì)算值超出安全范圍應(yīng)提示并拒絕執(zhí)行。

為保證運(yùn)轉(zhuǎn)精度，伺服電機(jī)的每圈脈沖數(shù)的設(shè)定值應(yīng)≥10000P/r，退扭度k的示值精度(分辨率)應(yīng)為0.1%，節(jié)距t、t’的示值精度應(yīng)為0.01mm。主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)使用檔位開關(guān)供用戶選擇，應(yīng)至少分高、中、低三個(gè)速度檔位。

8 絞線設(shè)備整機(jī)簡介

麻花針絞線線纜的結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外兩層組成，整機(jī)采用內(nèi)外共繞、立式布局方案，絞線線纜一次成形。主體構(gòu)成如圖6所示，主機(jī)由上、下兩套伺服退扭裝置組成，裝置的四個(gè)電機(jī)均有聯(lián)動(dòng)要求。又由于牽引速度vt與主軸轉(zhuǎn)速n0、n’0共同決定線纜內(nèi)、外層螺旋線的節(jié)距，因而牽引電機(jī)也需與之聯(lián)動(dòng)。這是一個(gè)5軸聯(lián)動(dòng)的數(shù)控裝置。

圖6 麻花針數(shù)控絞線機(jī)主機(jī)示意圖

以上5軸裝置再加上收卷裝置、排線裝置，以及計(jì)數(shù)、檢測裝置共同組成設(shè)備整機(jī)。

9 結(jié)束語

本文介紹的這款伺服不完全退扭裝置應(yīng)用于筆者開發(fā)的麻花針數(shù)控絞線機(jī)上，已經(jīng)過長期生產(chǎn)檢驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了100km級(jí)無故障、無維護(hù)運(yùn)行?？蔁o人值守24h連續(xù)工作。產(chǎn)出的優(yōu)質(zhì)絞線為后期麻花針順利生產(chǎn)提供了有力保證。