全自動線束端子插入機設計

吳暉輝，曾憲榮，方王進，吳福培

（1.順德職業技術學院智能制造學院，廣東 佛山 528330；2.佛山市鷹野智能科技有限公司，廣東 佛山 528332；3.汕頭大學機械電子工程系，廣東 汕頭 515063）

1 引言

線束是在電子電氣設備中，連接線路、傳送信號的組件。線束的加工涉及到裁剪、剝皮、壓著和插入等主要工序，此前大多是采用人工生產或者對某一部分工序自動化生產，最后人工插入和組裝[1-3]。但隨著產品向精密、小巧方向發展，線材的線徑日趨細小，部分線徑已經低至0.2mm，人工插入和組裝難以為繼，因此，全自動端子插入機應運而生。其主要功能是按照工藝流程，選定合適顏色的線材，將其剪斷、剝皮后，壓著端子并將端子按照一定的順序插入到連接器的通孔內，是一個典型的集光、機、電、氣和自動控制技術于一體的智能裝備。目前，送線、剝線、裁剪和壓著工藝已經基本實現自動化，但國內還沒有成熟的能實現能將多種顏色線材經送線、剝線、裁剪和壓著后，插入多種品規連接器內的全自動線束端子壓著插入機器[4]，高速高精度的插入機主要依靠進口。文獻[5]采用了彈性串聯控制器實現了線材插入，但是效率太低，耗時4s才能插入一個pin位，文獻[6-7]采用了機械手來實現連接器的對插，其結構復雜大、耗時久。鑒于此，課題組與佛山一家企業合作，歷時三年，聯合開發了一款完全自主知識產權的高速高精度線束端子插入機（后文簡稱插入機），文中以該機型為基礎，討論其機械部分設計。

2 插入機整體架構

插入機的工作主要是選擇不同顏色的線材經裁切后，壓著端子，并按一定的順序插入到連接器中，由上往下，其工作流程，如圖1所示。

圖1 插入機工作流程圖Fig.1 Work Flow Chart of Terminals Inserting Machine

從工作流程可知，插入機包含的機構非常多，幾乎每一個工序都對應著一個機構，按照工作流程和步驟，將整個機械部分依次拆分為若干個分支機構（外觀檢測部分是靜止的，未納入機構的范疇），如圖2所示。按照機構組合形式不同，插入機主要分為轉塔型、拱架型兩種類型。轉塔型插入機采用并行處理的方式組織各個機構，效率高，但是該結構能裁剪的線束長度有限；拱架型插入機按照工作流程串行組織各機構，效率相對較低，但是擴展性好，能勝任更多品規的線材。考慮通用性，我們采用了拱架式，其完整的自動插入架構，如圖3所示。

圖2 插入機組成機構Fig.2 Mechanisms of Terminals Inserting Machine

圖3 插入機整體結構圖Fig.3 Overall Structure of Terminals Inserting Machine

按照工作流程，各個執行工序分支機構從后往前依次對稱排列，中間用搬線機構穿插銜接。各個機構其執行部分主要依照仿形設計法，模擬人的手工設計外形，實現其功能；驅動部分有電動和氣動兩種形式，可依據工作要求，選擇合適的運動部件。

在各個機構中，選線、裁斷和剝皮機構、插入機構和線束連接器送料機構是核心部分，下面重點介紹其設計。

3 插入機主要機構設計

3.1 選線、裁斷和剝皮機構

線束產品的規格往往是多變的，就插入的線材數量而言，從兩根到二十多根；就顏色而言，從單色到十幾種，不一而足。為了能提高機器的通用性，需要能支持多種顏色、多根線材的機構，用戶根據需要選擇線材顏色、數量和插入順序。考慮到線材根數太多，會導致機器外型臃腫，根據市場調研結果，文中設計了支持8根線材的選線機構，并將裁剪和剝皮功能集中在一處，能滿足市場上主流的線束規格要求。

圖4（a）給出了選線、裁斷和剝皮機構的結構，包括三個驅動電機，兩個滑塊、選線模組、裁剪刀和剝皮刀和廢料盒等。壓線模組包括八個過線通道和八個壓線氣缸，都安裝在滑塊上。在預備送線階段，如圖4（b）所示，將八根線材依次放入過線通道中，并用氣缸將其壓住，露出一點端部；選線時，電機驅動滑塊沿Y 向移動，需要裁剪那條線，就將模組中的某條線移動至裁剪位置處，松開壓線氣缸，拉線裝置夾住線材端部將其前后沿X向拉伸至合適長度后，壓線氣缸又將其壓緊；之后裁剪氣缸驅動刀具將線材切斷，同時剝皮電機驅動剝皮刀具沿正反絲桿合攏，將線材表皮去除，廢料掉落進廢料盒。剝皮長度電機可以沿X 向調整剝皮長度。

圖4 選線、裁斷和剝皮機構Fig.4 Wires Selection，Cutting and Stripping Mechanism

確定外形結構后，接著設計并選擇各部分運動機構的型號，考慮到精度與壽命要求，整機所選的電機為三菱伺服電機，導軌和絲杠采用的是THK系列型號。限于篇幅，以選線部分為例，簡介其設計選型過程。

依據要求，插入線材的最短時間為根/1.8s，壓線模組的最大工作行程為138mm，則選線電機最快移動速度Vmax為：

驅動電機最高轉速nmax=3000r/min，當電動機與滾珠絲杠副通過聯軸器直連時i=1，則滾珠絲杠的導程Ph為：

考慮電機的實際平均轉速在2000r/min左右，則導程Ph應大于2mm，結合行程條件，選擇Ph值為6mm。從滿足負荷、最大加速度和導程等方面考慮，參照THK手冊，選擇導軌與滾動絲杠的組合模組，其型號為KR2606A-0160-0-10AQ。

經測算整個選線裝置總質量為2.82kg，絲桿公稱直徑為8mm，絲桿長度為288mm，摩擦系數0.005，效率η為0.9，移動速度為4.6m/min，移動時間1.8s，加減速時間為0.2s。通過計算負載慣量和扭矩等參數[8]，確定選線電機的型號為三菱HF-KN13JS100。

3.2 插入機構

插入機構是插入機中最核心的部分，為了讓線材端部順利的插入到連接器的孔洞內，需要對線材做X、Y和Z三個方向的調整。端子插入機構包括Z向安裝塊、Z向驅動電機、Y向安裝板、Y向驅動電機、X向安裝板、X向驅動電機、支撐座和裝配夾等；X向驅動電機安裝在支撐座上，Y向驅動電機安裝在X向安裝板上，X向安裝板設在X向驅動電機上并受X向驅動電機驅動作X向移動，決定待插入端子的左右位置；Y向安裝板設在Y向驅動電機上并受Y向驅動電機驅動作Y向移動，決定插入端子的深度；Z向驅動電機安裝在Y向安裝板上，Z向驅動電機帶動Z向安裝塊在Y向安裝板上作Z向移動，決定插入端子的高度，如圖5所示。

圖5 插入機構Fig.5 Inserting Mechanism

裝配夾是插入機構中最精密的部件，裝配夾的夾持對象為線材，其受力后表面易發生變形，且夾持力過大容易造成線材彎曲甚至夾傷，而由于線材的插入端尺寸跟連接器內孔尺寸相差較小，假如夾持力過小，則在插入時容易線材受到內孔孔孔壁的阻力與裝配夾發生相對滑動。這些都直接影響插入成功與否。因此插入機構的裝配夾在夾持線材時應該具有一定的柔順自適應性[9]，仿照人工手指的夾持動作，設計了裝配夾，如圖6所示。

圖6 裝配夾Fig.6 Manipulator

主要包括后端夾及前端夾，均安裝在Z向安裝塊上。后端夾包括右后半夾、左后半夾，兩者中間有一個限位塊，用來控制半夾并攏后，中間的間隙，以適應不同直徑的線材，并調節夾持力；左右兩個半夾沿X向相向移動就夾住線材，相背運動就松開線材；為了防止線材前端彎曲，讓前端夾托住線材，使其保持水平狀態，然后在Y向驅動電機的帶動下，將線材插入連接器內孔中。

確定結構后，需要設計驅動部分，前文中已闡述了絲杠、導軌和電機的選型，此處以左后半夾為例，討論氣動元件的設計選型。半夾質量為0.05kg，壓著端子后的單根線材質量會隨線材的長度和線徑尺寸而改變，變化范圍為（0.0005～0.006）kg，則總質量的最大值為0.056 kg，所需負載F1：

考慮到驅動力作用的位置是偏心的，與夾子配合的導軌上有偏心的載荷影響，則計算載荷為：

注意到氣缸僅僅是夾緊線材，沒有慣性力，則負載率η設置為0.75，所需氣缸的理論輸出力為：

氣源工作壓力P的范圍為（0.3～0.6）MPa，則氣缸缸徑范圍：

即缸徑為（1.5～2.2）mm，考慮到線材材質比較軟件，且有些材質比較光滑，為保證夾持可靠，需要適當增加夾持力；此外，夾持線材后，在插入連接器時，會碰到內壁而產生阻力，因此，適當增大缸徑，根據SMC手冊，選擇缸徑為6mm的CUJ型雙作用系列氣缸CUJB6-8DM。

3.3 連接器送料機構

連接器送料機構包括進料、定位和排出三個功能。該機構包括翻轉電機、Y向推料氣缸、Y向推料塊、連接器進料道、支撐座、X向推料桿、推料桿連接件、X向推料氣缸、連接器夾等部件；支撐座安裝在固定工作臺上，翻轉電機、Y向推料氣缸及X向推料氣缸均安裝在支撐座上，如圖7所示。

圖7 連接器送料機構Fig.7 Connector Feed Mechanism

供料裝置通過震動的方式，讓連接器依次進入連接器進料道，然后經X向推料氣缸帶動X向推料桿將連接器通道的連接器推入到合適位置，之后由設在支撐座的平臺上的Y向推料塊推動連接器沿Y向移動將連接器推入到連接器夾中等待；之后，插入機構中的機械手夾住線材的端部，然后按照一定的順序水平的插入到位于連接器夾中連接器的插孔中；當連接器中的所有的插孔中都插滿了線材，則連接器夾在翻轉電機的驅動下轉動90°，并最終排出。

4 樣機實驗與結果分析

根據設計方案，裝配了一臺實驗樣機，樣機一側的實物圖片，如圖8所示。圖8中，左側的連接器經過振動盤后依次進入送料機構，并被推送至固定位置。而線束從右側經過拉線機構后，被裁剪和剝皮，然后壓著端子并經過檢測合格后，送到插入位置，經過插入機構插入連接器內。

圖8 實驗樣機Fig.8 The Experimental Inserting Machine

為了保證高速、頻繁操作下的定位精度，運動控制部分采用的三菱伺服電機、驅動器和雷賽的運動控制器，利用IST與STL指令結合，將控制分為手動和自動模式，手動模式分為原點回零和單步點動；自動模式包括單周期和連續運行。其中原點回零用于初始化執行機構的狀態，單步點動主要用于設置插入機各工序執行動作的速度、位置、順序以及其他調試；單步點動設置完成后，即可開始自動模式運行。

基于實驗樣機，在visual studio 2013開發平臺上，研發了插入機軟件控制系統，進行了相關的測試，達到的主要技術指標如表1所示。可以加工的線材長度范圍為（76～3000）mm，以為加工的線材長度為300mm為例，線材的長度切斷精度±0.1mm，剝皮長度定位精度±0.1mm，壓著端子重復定位精度為±0.01，插入定位精度±0.1mm，從選線、切斷、剝皮、壓著端子到最終插入連接器的pin內，其生產節拍為2sec/pin。可以加工的線材中，線徑最小的為AWG#30線，剝皮后直徑為0.254mm。

表1 插入機性能Tab.1 Performance of Inserting Machine

5 結論

（1）通過分析插入機的功能要求，設計了拱架式全自動線束端子插入機的整體結構，重點闡述了插入機的三個核心組成部分：選線、裁斷和剝皮機構、插入機構和線束連接器送料機構的設計。

（2）通過樣機實驗，成功驗證所設計的全自動線束端子插入機，具有精度高、速度快的特點，端子插入速度達到了1800pin/小時以上，剝皮長度精度為±0.1mm，插入定位精度為±0.1mm，可以滿足AWG#30號線（剝皮后線徑0.254mm）的插入要求，能適應大部分線束的生產要求。