線束自動加工中心執行機構創新

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“中國中小型企業創新100強”“中國汽車零部件電機（連接器）行業龍頭企業”“中國汽車電子電器電機行業領軍企業”等多個國家、省級政府授予的榮譽稱號。2018年實現銷售收入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創新方法，2015年在集團成立了“河南天海創新方法研究中心”，目前擁有創新人員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，隨著人力成本的上升和汽車價格的下調，企業利潤空間越來越小。再加上汽車線束制造工藝復雜，質量要求嚴格。傳統的手工作業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，所以實現最大化多工藝集成，高效率生產的自動化設備是未來的發展趨勢。

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。加工中心的工藝執行單元和柔性執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，系統執行效率低（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行剝皮動作時不產生打滑，需要增加執行氣缸的體積;氣缸體積增大后造成執行機構重心偏移，使執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為橫向傳遞力，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為直接通過氣缸來輸出力，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張開和閉合。當磁鐵通電時，由于磁場原理夾爪吸合實現閉合;當磁鐵斷電時，由于磁場原理夾爪排斥實現張開（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，氣缸應該在執行機構內;為了不增加慣性，氣缸應該在執行機構外。

方案5：分離解鎖氣缸

運用空間分離，將氣缸安置在執行機構工位上，當執行機構^[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：引入系統中現有物質的變異物，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張開閉合^[3]。此方案減輕了整個執行機構的慣量，提高了效率。

3項目成果與效益

3.1項目成果

該項目形成企業標準1項，已經頒布并實施，已授權發明專利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，在中國汽車行業高速發展的今天，該產品的研制有較高的成本優勢，為公司帶來了良好的經濟效益。近3年該產品的銷量數量為500多臺，實現銷售收入近2億多元，并且帶動了1000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，率先在國內汽車線束制造行業內突破了不同線徑自適應夾持系統、不停機自動換型技術等10多項行業技術，并在生產領域得到了驗證和推廣。

通過數據對比分析，通過天海集團線束制造事業部及集團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半自動加工模式可節約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新改進，打破國外同行業的技術封鎖和壟斷。目前，該產品處于國內領先地位。本創新項目獲得2018年河南省TRIZ創新方法大賽一等獎。

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.