線束自動加工中心執(zhí)行機構創(chuàng)新

尹亮 張震華 胡德超 劉鐵錚 閆亮亮 李林峰

1項目背景及意義

1.1公司簡介

河南天海電器有限公司始建于1969年，總部坐落在河南鶴壁，全球設有36個銷售辦事處和23個生產基地。主要生產經營汽車電子電器產品共6大類20000多個品種，曾被“50年國慶閱兵”“60年國慶閱兵”列為指定配套產品，并獲得“中國中小型企業(yè)創(chuàng)新100強”“中國汽車零部件電機（連接器）行業(yè)龍頭企業(yè)”“中國汽車電子電器電機行業(yè)領軍企業(yè)”等多個國家、省級政府授予的榮譽稱號。2018年實現(xiàn)銷售收入80億人民幣，其中出口2.5億美元。公司2010年導入了六西格瑪、2012年導入TRIZ創(chuàng)新方法，2015年在集團成立了“河南天海創(chuàng)新方法研究中心”，目前擁有創(chuàng)新人員690人。

1.2項目背景及意義

汽車線束加工屬于勞動密集型行業(yè)，隨著人力成本的上升和汽車價格的下調，企業(yè)利潤空間越來越小。再加上汽車線束制造工藝復雜，質量要求嚴格。傳統(tǒng)的手工作業(yè)急需自動化設備替代（圖1所示）。由于汽車線束的復雜性，目前市場上還沒有從原材料到線束成品的全自動加工一體化設備，所以實現(xiàn)最大化多工藝集成，高效率生產的自動化設備是未來的發(fā)展趨勢。

全自動線束加工中心^[1]是汽車線束制造的核心裝備（圖2所示）。它將下線、套管、噴碼、穿防水栓、并線、絞合、壓接、插護套等工藝集于一體，大大節(jié)約了人力資源，提高了加工效率和產品質量，減少了空間占用率。加工中心的工藝執(zhí)行單元和柔性執(zhí)行機構決定了設備的線束加工工藝能力和生產效率（圖3所示）。然而，全自動線束加工中心的生產效率提升受制于核心執(zhí)行機構。

2項目主要內容

2.1項目存在的問題矛盾

線束加工中心的執(zhí)行單元上的伺服電機安裝有帶輪，帶輪通過同步帶經過兩級傳動使轉盤轉動。轉盤和轉軸通過軸承裝配在一起，轉軸上固定擺臂機構。擺臂機構由絲桿引動器驅動，引動器由伺服電機驅動，機械臂與引動器相連可以前、后、左、右移動，機械臂前端安裝有氣缸驅動的夾爪（圖3所示）。擺臂的擺動頻率和夾爪抓取速度是影響設備效率的主要矛盾，也是本項目主要解決的矛盾。

2.2因果分析

通過因果分析，造成本系統(tǒng)效率低的問題點：夾持機構質量大：由于抓手需要一定的夾持力，執(zhí)行機構前部有夾緊氣缸需要大，導致重量大，進而使擺臂的整體慣量大，系統(tǒng)執(zhí)行效率低（圖4所示）。

問題點：夾持機構質量大

問題描述：由于抓手重量大，為保證抓手在夾持不同線纜執(zhí)行剝皮動作時不產生打滑，需要增加執(zhí)行氣缸的體積;氣缸體積增大后造成執(zhí)行機構重心偏移，使執(zhí)行機構旋轉時慣量過大，導致效率低下（圖5所示）。

2.3運用小人法對問題點進行分析

建立問題模型，圖6所示：

紅色小人：機械臂;

藍色小人：氣缸;

黃色小人：連桿;

綠色小人：夾爪;

紫色小人：導線。

問題描述：氣缸小人通過連桿小人拉動夾爪小人夾緊線束小人，然后擺臂小人轉移所有小人。

原因1：抓手前端聚集的小人太多，導致擺臂小人轉移困難;

原因2：氣缸小人太弱，需要很多才能夾住線束小人，導致擺臂小人轉移困難;

原因3：夾爪小人自己沒有能力夾住線束小人，需要氣缸小人的幫忙;

結果：線束小人被轉移速度太慢。

形成方案1：將夾緊氣缸后置

減少前端氣缸小人，氣缸小人放置后方，把氣缸安裝在擺臂后方，減輕前部夾持機構的重量，通過一種轉換機構將驅動夾爪的縱向傳遞力轉變?yōu)闄M向傳遞力，而不損失氣缸力的大小。

形成方案2：使用一體抓手

夾爪小人自己能夠工作;使夾爪和氣缸成為一體;將之前由氣缸通過杠桿機構來傳遞力的方式轉變?yōu)橹苯油ㄟ^氣缸來輸出力，直接將夾爪安裝在氣缸上，保證輸出力不變的同時又減輕了整個夾持機構的重量（圖7所示）。

2.4運用虛空

問題點：夾持機構質量大

虛空是非常重要的一種資源，而且可利用的數(shù)量是無限的。“空”很容易與其它物質結合，形成空心、多孔結構、泡沫材料等物質。虛空不一定是真空。

方案3：多孔結構

運用虛空或虛空與物質的組合，在保證強度的情況下，預先對機構的零部件進行除材料處理，最大程度降低質量（圖8所示）。

2.5物質-場分析

運用場資源分析，在系統(tǒng)中引入電場或兩個相互作用的場，替代引入物質一電磁場。

方案4：電磁吸合

利用電場磁場的相互轉化，使夾爪自己相互吸引，不需要氣缸驅動。夾爪在工作時，通過安裝在自身上面的電磁鐵實現(xiàn)張開和閉合。當磁鐵通電時，由于磁場原理夾爪吸合實現(xiàn)閉合;當磁鐵斷電時，由于磁場原理夾爪排斥實現(xiàn)張開（圖9所示）。

2.6物理矛盾

問題點：夾持機構質量大

通過物理矛盾分析：為了增加夾持力，氣缸應該在執(zhí)行機構內;為了不增加慣性，氣缸應該在執(zhí)行機構外。

方案5：分離解鎖氣缸

運用空間分離，將氣缸安置在執(zhí)行機構工位上，當執(zhí)行機構^[2]，運動至對應工位時，對應工位的氣缸完成夾爪的解鎖（圖10所示）。

2.7物場模型

問題點：夾持機構質量大

物場模型：引入系統(tǒng)中現(xiàn)有物質的變異物，引入夾緊氣缸的變異。

方案6：直線電機

將氣缸轉換成為直線電機，完成夾持。由直線電機驅動的機械爪運動速度更高，可有效縮減每個工位的運行時間，從而降低整個執(zhí)行機構的動作時間，提高整機的效率（圖11所示）。

2.8方案評價

運用軟件易維訓Pro-Innovator，首先建立方案評價模型，分別從可操作性、成本以及方案運用效果三個維度進行分析（圖12所示）。

2.9優(yōu)選方案實施

最佳方案實施：

綜合方案1（氣缸后置）和方案3（多孔原理）形成最終方案（圖13所示）。

在保證機構強度的前提下對機械臂進行薄壁和空心處理，將前部氣缸移至后部，并將氣缸桿加長，通過氣缸桿上的齒形驅動錐齒輪使夾爪實現(xiàn)張開閉合^[3]。此方案減輕了整個執(zhí)行機構的慣量，提高了效率。

3項目成果與效益

3.1項目成果

該項目形成企業(yè)標準1項，已經頒布并實施，已授權發(fā)明專利2項，實用新型專利4項（表1所示）。

3.2經濟效益分析

通過對市場需求、市場風險及競爭對手的分析，在中國汽車行業(yè)高速發(fā)展的今天，該產品的研制有較高的成本優(yōu)勢，為公司帶來了良好的經濟效益。近3年該產品的銷量數(shù)量為500多臺，實現(xiàn)銷售收入近2億多元，并且?guī)恿?000多萬元的備件銷售，并出口世界多個國家。

3.3社會效益

該項目的產品，汽車線束全自動加工中心，目前是引領汽車線束自動化制造設備行業(yè)，率先在國內汽車線束制造行業(yè)內突破了不同線徑自適應夾持系統(tǒng)、不停機自動換型技術等10多項行業(yè)技術，并在生產領域得到了驗證和推廣。

通過數(shù)據對比分析，通過天海集團線束制造事業(yè)部及集團7家線束制造基地的大批量應用，一套全自動線束加工中心比傳統(tǒng)半自動加工模式可節(jié)約8～10個人。在保證加工效率、降低勞動力成本的同時，提高了產品的質量，提升了行業(yè)競爭力。

多年來，汽車線束自動加工中心進行多個關鍵部件機構的創(chuàng)新改進，打破國外同行業(yè)的技術封鎖和壟斷。目前，該產品處于國內領先地位。本創(chuàng)新項目獲得2018年河南省TRIZ創(chuàng)新方法大賽一等獎。

參考文獻

[1]一種帶自動換線和自動換模裝置的全自動下線壓接機;專利ZL201610513294.7;2018.5.25.

[2]一種齒輪齒條驅動的線纜剝皮和旋轉平行壓接機構;專利ZL201410444665.1;2017.1.5.

[3]一種線柬端子壓接機驅動機構;專利zL201721220375.4;2018.3.20.