貫穿線束壓接設(shè)備設(shè)計(jì)

姚旭紅，袁嫣紅

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院， 浙江 杭州 310018)

汽車線束是電子信息行業(yè)應(yīng)用需求最大、安裝最為便捷的產(chǎn)品之一，具有“汽車神經(jīng)”之稱[1]。從傳統(tǒng)的汽車到如今的智能汽車、新能源汽車，汽車的電氣化程度也越來越高，對(duì)線束的需求量也越來越大，適用于RAST型連接器的常規(guī)線束壓接設(shè)備有德國Lumberg連接器公司研制的HA35e壓接設(shè)備、國內(nèi)鴻儒連接器有限公司研制的MT700X壓接設(shè)備等，但是市面上缺乏用于貫穿線束加工的自動(dòng)化壓接設(shè)備，線束企業(yè)仍然采用手工壓接設(shè)備，壓接效率與精度無法滿足高質(zhì)量貫穿線束產(chǎn)品需求。貫穿線束設(shè)計(jì)相比常規(guī)線束分段設(shè)計(jì)，具有降低線束電壓降，減少不可靠連接點(diǎn)，節(jié)約電路空間與物料等優(yōu)勢[2]。因此研發(fā)具有高產(chǎn)能、高質(zhì)量的貫穿線束自動(dòng)化壓接設(shè)備，對(duì)提高企業(yè)的線束產(chǎn)品市場競爭力具有重要意義。

1 連接器連接原理與手工壓接流程

RAST連接器主要基于一種將電導(dǎo)體連接到接觸元件的絕緣位移技術(shù)(insulation displacement termination，IDT)[3]，電導(dǎo)體插入RAST連接器接觸元件的過程如圖1所示。連接器中電導(dǎo)體插入接觸元件完成后，連接器上部整體下壓，電導(dǎo)體通過接觸元件刺破電導(dǎo)體外部的絕緣體，接觸元件與電導(dǎo)體接觸完成壓接。

圖1 RAST連接器壓接組裝原理Figure 1 Assembly principle of RAST connector crimp

課題組設(shè)計(jì)的壓接設(shè)備主要適用于刺破式連接器貫穿線壓接，刺破式連接器簡稱連接器，通過料帶相互連接,刺破式連接器料條如圖2所示。

圖2 刺破式連接器料條Figure 2 Piercing connector strip

目前，線束加工企業(yè)普遍采用手工壓接機(jī)配合模具完成貫穿線束的生產(chǎn)。手工壓接流程如圖3所示。首先，需要把連接器從連接器料條上分離出來，手工扭轉(zhuǎn)連接器時(shí)作用力于連接料帶的末端，使其連接處斷裂、分離；然后，通過工具去除連接器上殘余連接料帶；將處理完成的連接器放置在用于線束定位的工裝模具中，依據(jù)線束產(chǎn)品的插線需求，手工將電線依次插入連接器中對(duì)應(yīng)的線孔內(nèi)；最后，在核對(duì)插線無誤后，通過壓接機(jī)帶動(dòng)壓接刀片插入連接器內(nèi)部壓迫連接器內(nèi)部端子刺破電線，完成連接器與電線的連接。

圖3 手動(dòng)壓接線束生產(chǎn)流程Figure 3 Manual crimping wiring harness production process

2 連接器壓接機(jī)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

課題組通過機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)連接器料條輸送、連接器連接料帶的切除和貫穿線束壓接環(huán)節(jié)的自動(dòng)化。由于機(jī)構(gòu)模塊的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作相對(duì)固定，所以采用氣缸作為機(jī)構(gòu)的動(dòng)力源。設(shè)計(jì)自動(dòng)化貫穿線束的壓接流程如圖4所示。

1) 連接器料條輸送模塊由缺料檢測模塊與物料輸送模塊組成。缺料檢測模塊配合控制系統(tǒng)保證設(shè)備作業(yè)的連續(xù)性，當(dāng)設(shè)備中的連接器不足以保證設(shè)備繼續(xù)加工時(shí)，提示操作人員補(bǔ)充物料；物料輸送模塊是將放置在料槽中的連接器料條通過推料氣缸帶動(dòng)棘爪推動(dòng)連接器料條向前移動(dòng)。

2) 連接料帶切除模塊由連接器的分離、料帶的切除與料帶的回收模塊組成。氣缸帶動(dòng)刀片移動(dòng)切斷連接器之間的料帶，完成連接器的分離；連接器從料帶切斷工位移送至壓接工位過程中，通過軌道側(cè)面安裝的切刀將殘留在連接器上的料帶切除；最后，真空發(fā)生器產(chǎn)生高速流動(dòng)氣體將連接料帶吹入廢料回收桶內(nèi)。

3) 貫穿線束壓接模塊由插線模具與壓接機(jī)構(gòu)組成。按照線束加工要求將電線插入連接器，設(shè)備自動(dòng)壓接。其中，插線模具有助于提高插線精度，降低手工插線時(shí)的阻塞概率。

壓接設(shè)備采用臺(tái)達(dá)PLC作為系統(tǒng)控制器，結(jié)合傳感器監(jiān)測信號(hào)與觸摸屏指令信號(hào)控制設(shè)備實(shí)現(xiàn)送料、切斷料帶、推料、切除料帶、插線防倒退和壓接等基本動(dòng)作。設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖5所示，連接器輸送機(jī)構(gòu)將整條的連接器送入壓接設(shè)備中；連接器料帶切斷裝置位于送料機(jī)構(gòu)末端，可以實(shí)現(xiàn)首個(gè)連接器與料條的分離；連接器殘留料帶切除裝置位于壓接設(shè)備后方，廢棄料帶回收裝置位于切除裝置下方，將切除后的殘留料帶快速收集到廢棄料帶到廢料桶中；壓接機(jī)構(gòu)將貫穿電線通過插線模具插入連接器線孔內(nèi)，完成產(chǎn)品的壓接。

1─連接器壓接模塊；2─連接器分離模塊；3─物料輸送模塊；4─連接料帶切除模塊；5─控制電箱；6─廢料帶收集桶；7─插線機(jī)構(gòu)；8─觸摸屏。圖5 貫穿線束壓接設(shè)備結(jié)構(gòu)Figure 5 Structure of through-wire harness crimping equipment

2.1 物料輸送機(jī)構(gòu)

送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖6所示。缺料檢測模塊采用了光纖傳感器檢測料槽中連接器剩余情況，當(dāng)設(shè)備中連接器不足時(shí)傳遞缺料信號(hào)至控制器。連接器料條的輸送通過物料輸送模塊完成，氣缸推動(dòng)推料爪做往復(fù)的間歇運(yùn)動(dòng)，推料爪在推程推動(dòng)連接器向前移動(dòng)一個(gè)連接器間隔距離，回程推料爪恢復(fù)初始的位置狀態(tài)等待下次推料指令。料槽由左右擋料板組成，其中右側(cè)擋料板固定，左側(cè)擋料板固定于帶有直線軸承的基座可以做水平移動(dòng)，RAST2.5系列的不同線孔數(shù)的連接器寬度不同，孔位調(diào)節(jié)板的設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)料槽寬度的調(diào)整。課題組將料槽右側(cè)板與連接料帶切斷平臺(tái)相連接，通過一次機(jī)構(gòu)調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)2個(gè)模組的調(diào)整，提高了設(shè)備調(diào)節(jié)效率。

1─缺料檢測；2─推料棘爪機(jī)構(gòu)；3─頂料氣缸4─孔位調(diào)節(jié)板；5─料帶切斷平臺(tái)。圖6 物料輸送機(jī)構(gòu)Figure 6 Material handling mechanism

2.2 連接料帶切除機(jī)構(gòu)

自動(dòng)化切除連接料帶有助于提升設(shè)備加工效率，改善線束產(chǎn)品外觀質(zhì)量；切除料帶的收集功能避免了人工清理廢料作業(yè)，有助于保持作業(yè)現(xiàn)場的整潔。連接器連接料帶去除機(jī)構(gòu)如圖7所示。連接器料帶的分離：連接器料條輸送到位后，移動(dòng)刀臺(tái)伸出，固定并給料條首個(gè)連接器提供支撐，連接器分離刀片向下快速移動(dòng)切斷連接料帶。為了保證切割刀片動(dòng)作的水平一致性，實(shí)現(xiàn)高精度的直線運(yùn)動(dòng)，刀片安裝連接件通過2條線性導(dǎo)軌與機(jī)體連接。控制器從氣缸上安裝的磁性開關(guān)采集檢測信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)刀片切除動(dòng)作的控制。連接料帶的切除與收集機(jī)構(gòu)：推料桿推動(dòng)軌道槽中的連接器向前移動(dòng)，在軌道右側(cè)安裝切除刀片，連接器在軌道中移動(dòng)過程中連接器外側(cè)的料帶被切刀逐個(gè)切除，切除后的料帶飛濺到儲(chǔ)料室中，當(dāng)連接器全部越過刀頭后推料桿與儲(chǔ)料室形成“閉室”，真空發(fā)生器產(chǎn)生氣流壓差[ 4 ]，高速流動(dòng)氣體帶動(dòng)料帶進(jìn)入料帶回收箱中。

1─分離刀頭；2─攔料刀臺(tái)；3─刺破式連接器；4─滑臺(tái)氣缸；5─推料桿；6─真空發(fā)生器；7─料帶回收桶；8─切料帶刀頭；9─連接器。圖7 連接料帶分離和切除機(jī)構(gòu)Figure 7 Connector strip removal and excision mechanism

由于用于料帶切除的刀頭需要長期切割料帶，為確保刀頭的可靠性，利用Simulation對(duì)刀頭進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析。刀頭材料為工具鋼4CrW2si[5]，具體參數(shù)如表1所示。在有限元分析中，網(wǎng)格劃分的精度決定了結(jié)果的精度[6]。刀頭的主要受力區(qū)域在刀尖部分，對(duì)刀頭進(jìn)行劃分網(wǎng)格越小，分析結(jié)果精度越高，最小網(wǎng)格大小設(shè)置為0.15 mm，網(wǎng)格大小以1.5倍的線性關(guān)系擴(kuò)張，自動(dòng)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。刀背處施加約束條件，刀頭處施加20 N的力。運(yùn)行算例，按照已有條件對(duì)有限元模型進(jìn)行求解，得到刀頭的總位移變形云圖和等效應(yīng)力云圖如圖8所示。圖中可以看出，出現(xiàn)最大變形的地方是刀頭的刀刃處，最大變形為1.95 μm；刀頭的最大應(yīng)力為74.45 MPa，發(fā)生在刀刃外側(cè)，小于材料的最大屈服強(qiáng)度185.00 MPa，可以確保刀頭在長期切除料帶的作業(yè)過程中的穩(wěn)定性和安全性。

表1 4CrW2si工具鋼性能參數(shù)

2.3 連接器壓接機(jī)構(gòu)

連接器切除連接料帶后移動(dòng)至壓接工位，依據(jù)線束產(chǎn)品SOP流程中插線要求，手工將不同色號(hào)、不同長度的電線依次插入對(duì)應(yīng)的連接器線孔內(nèi)，之后壓接模塊進(jìn)行最后的壓接作業(yè)。手工壓接作業(yè)，依靠的是人工壓迫壓桿帶動(dòng)刀片插入連接器，壓迫連接器中端子向下移動(dòng)的過程中刺破插入在連接器的電線外皮，實(shí)現(xiàn)連接器接線端子與電線內(nèi)部銅絲的連接。此過程無法保證刀片的壓接行程完全一致，很容易由于壓接動(dòng)作不到位造成不良品的產(chǎn)生。課題組設(shè)計(jì)的壓接模塊，由氣缸帶動(dòng)刀片壓接插入電線連接器，刀片安裝于壓接連接板上，通過雙滑塊的線性滑軌與基座相連接，保證了刀片垂直運(yùn)動(dòng)的水平一致性，壓接組件如圖9(a)所示。插線機(jī)構(gòu)含有提升模塊用于糾正插錯(cuò)線孔的電線，當(dāng)線孔模具被提升時(shí)插線單元的插線防倒退齒件失去對(duì)電線的逆向阻攔作用，電線可以輕松從連接器線孔中取出，降下線孔模具即可繼續(xù)進(jìn)行連接器的插線作業(yè)。為了便于貫穿線束的連接器左右兩側(cè)插線作業(yè)，設(shè)定連接器線孔方向與工人視線垂直，但是這種設(shè)定不方便對(duì)模具上插線孔位置的觀察。課題組設(shè)計(jì)磁吸插線指引塊安裝在軌道臺(tái)左右兩側(cè)，工人不再需要數(shù)線孔，只需依據(jù)插線指引塊上各孔位的電線顏色插線，即可以更快速地將電線插入連接器線孔內(nèi)。插線組件如圖9(b)所示。

1─線軌模塊；2─壓接連接件；3─插線模組；4─壓接刀頭；5─連接器；6─提升機(jī)構(gòu)；7─插線指引塊；8─貫穿電線限位滑塊；9─插線模具。圖9 壓接與插線組件Figure 9 Assembly of patching and crimping

插線防倒退機(jī)構(gòu)如圖10所示，主要由線孔模具、插線防倒退齒件、單元控制插銷和截止孔位板等零件構(gòu)成。其中：40片插線防倒退齒件通過連接軸固定在模具的單元槽中；截止孔位板安裝于模具連接放置區(qū)的兩側(cè)；單元控制插銷按需插入單元槽中控制插線防倒退齒件。插線模具采用對(duì)稱式設(shè)計(jì)，可以兼容貫穿電線、左側(cè)非貫穿電線和右側(cè)非貫穿電線3種位置的電線插入連接器；模具兩側(cè)面具有共40個(gè)插線單元，可以滿足隆堡RAST2.5系列不同規(guī)格的貫穿連接器，從2孔到20孔皆可使用。此外任一單元插線孔皆具有調(diào)節(jié)性，簡單調(diào)整即可滿足不同線束產(chǎn)品的插線需求。

1─單元控制插銷；2─電線；3─截止孔位板；4─連接器；5─線孔模具；6─插線防止倒退齒件。圖10 插線模具Figure 10 Insertion mould

3 控制系統(tǒng)

基于PLC具有良好的抗干擾能力、故障率低和易維護(hù)的特點(diǎn)[7]，綜合考慮后控制系統(tǒng)選用了臺(tái)達(dá)DVP48EH00R3型號(hào)的PLC。控制系統(tǒng)通過電磁閥控制驅(qū)動(dòng)氣缸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)物料輸送機(jī)構(gòu)、連接料帶分離機(jī)構(gòu)和壓接機(jī)構(gòu)的控制。磁性開關(guān)傳感器安裝在驅(qū)動(dòng)氣缸上，可以檢測每個(gè)機(jī)構(gòu)動(dòng)作的執(zhí)行情況；連接器料槽中安裝漫反射型光纖傳感器，通過壓料塊對(duì)光纖的遮擋情況判斷當(dāng)前物料狀態(tài)；氣壓傳感器用于檢測設(shè)備內(nèi)部氣壓，保證設(shè)備在安全氣壓下運(yùn)行。觸摸屏實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互，可以完成采集數(shù)據(jù)、下發(fā)控制指令和處理報(bào)警信息[8]?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框架如圖11所示。

圖11 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架Figure 11 Control system structure frame

壓接設(shè)備的控制系統(tǒng)提供了基于觸摸屏的人機(jī)交互模塊，將控制、監(jiān)測和報(bào)警等功能集成到觸摸屏中，方便使用和調(diào)試。人機(jī)交互軟件界面功能如圖12所示。

圖12 人機(jī)交互功能邏輯圖Figure 12 Human-computer interaction function logic diagram

設(shè)備控制主程序工作流程如圖13所示, 運(yùn)行程序分為自動(dòng)模式與手動(dòng)模式，其中自動(dòng)模式是控制系統(tǒng)主要的運(yùn)行方式，可以有效提高壓接裝置的運(yùn)行效率[9]。貫穿線束壓接設(shè)備的物料輸送與連接器分離過程如下：自動(dòng)運(yùn)行模式下，光纖傳感器進(jìn)行物料檢測，如果物料不足人機(jī)界面發(fā)出警報(bào)，提示人工補(bǔ)充物料；物料充足后，物料輸送機(jī)構(gòu)推動(dòng)連接器料條向前移動(dòng)，分離連接器料條上的第1個(gè)連接器，去除連接器上附著的連接料帶，并收集廢棄的料帶，等待人工將電線插入連接器線孔。連接器插線、壓接流程如下：人工按照線束產(chǎn)品SOP要求，依次將貫穿電線與常規(guī)電線插入對(duì)應(yīng)的連接器插線孔內(nèi)，如果出現(xiàn)電線插錯(cuò)線孔的情況，由于插線防倒退保護(hù)機(jī)構(gòu)的存在，無法直接從線孔內(nèi)抽取出電線，需要通過觸摸屏控制提升防倒退組件，手工取出插錯(cuò)線孔的電線；人工插線結(jié)束后，按按鈕發(fā)送完成指令至PLC，壓接模塊自動(dòng)進(jìn)行產(chǎn)品的壓接。

圖13 控制流程圖Figure 13 Control flow chart

4 樣機(jī)試制與測試

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性與可靠性，依據(jù)設(shè)備設(shè)計(jì)方案，制作完成貫穿線束壓接作業(yè)加工的設(shè)備并投入生產(chǎn)使用，實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖14所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，貫穿線束自動(dòng)壓接設(shè)備可以滿足貫穿線束產(chǎn)品的壓接功能需求，具備料槽有物料情況下自動(dòng)輸送物料的功能，并且設(shè)備可以自動(dòng)完成連接器的分離、料帶的平整去除，插線防倒退機(jī)構(gòu)具有良好的調(diào)節(jié)性，設(shè)備可以流暢的完成送料、切料、插線和壓接作業(yè)。不同規(guī)格的貫穿線束產(chǎn)品在手工插線環(huán)節(jié)耗時(shí)不同，其單個(gè)產(chǎn)品的生產(chǎn)用時(shí)有所差異，選取了幾款線束產(chǎn)品用于測試，自動(dòng)壓接作業(yè)與手動(dòng)壓接作業(yè)1個(gè)小時(shí)的加工產(chǎn)量如表2所示。由表2可知自動(dòng)壓接設(shè)備相比傳統(tǒng)的手工壓接設(shè)備效率上提升了3倍以上，每臺(tái)設(shè)備可為企業(yè)節(jié)省人力3人左右，大幅降低了企業(yè)的生產(chǎn)成本。

表2 樣機(jī)自動(dòng)壓接與手動(dòng)設(shè)備壓接產(chǎn)品1小時(shí)產(chǎn)量對(duì)比

5 結(jié)語

課題組設(shè)計(jì)了一種刺破式連接器貫穿線束自動(dòng)壓接設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了貫穿線束壓接作業(yè)的物料輸送、料帶去除、壓接環(huán)節(jié)的自動(dòng)化和插線模具的標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)部分機(jī)構(gòu)簡單調(diào)節(jié)即可滿足不同規(guī)格線束加工需求。基于PLC進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提升了設(shè)備執(zhí)行效率、可靠性及信息化程度。制作了樣機(jī)進(jìn)行試產(chǎn)，設(shè)備的穩(wěn)定性得到了驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其效率相比純手工作業(yè)提升了3倍以上。課題組的研究成果可為其他連接器的貫穿線束壓接設(shè)備的設(shè)計(jì)提供借鑒；后續(xù)可進(jìn)一步研究電線自動(dòng)插入連接器線孔，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備貫穿線束的全自動(dòng)壓接作業(yè)，進(jìn)一步提升加工效率。