汽車行業(yè)線束裝配流程自動化現(xiàn)狀

摘要??

考慮到汽車行業(yè)對安全和多媒體系統(tǒng)改進(jìn)的強(qiáng)烈需求，線束生產(chǎn)變得越來越重要。適應(yīng)新技術(shù)在車輛上的集成對線束制造商來說是一個挑戰(zhàn)?，F(xiàn)在線束的生產(chǎn)對人力資源的依賴程度還是很大的，工位的工作量分配方式對提高生產(chǎn)率有很大的作用。端子、連接器和密封件等組件越來越小，使得人工處理變得更加困難。解決這個問題的辦法可能是提高線束生產(chǎn)的自動化程度。本文研究主題的目標(biāo)是確定通過部分自動化生產(chǎn)流程來優(yōu)化布線裝配流程的解決方案。對自動化工藝在汽車線束生產(chǎn)中的應(yīng)用的關(guān)注并不新鮮，但到目前為止，線束制造商更側(cè)重于自動化構(gòu)成線束的元件的預(yù)制，而不是線束裝配線。從經(jīng)濟(jì)的角度來看，裝配流程的自動化將通過減少制造時間和人力資源依賴性帶來的不確定性來提高生產(chǎn)率。

?引言

由于其執(zhí)行的特性和功能，布線在車輛架構(gòu)中占有獨特的位置。人工準(zhǔn)備/裝配操作占線束價格的大約 95%，線束生產(chǎn)的自動化是一個引起研究人員和線束制造商興趣的領(lǐng)域。

線束裝配流程自動化現(xiàn)狀

在汽車工業(yè)中，線束是一組組件（電線、端子、連接器、密封件、保護(hù)裝置、緊固件、索環(huán)、保險絲、繼電器、保險絲和繼電器盒等），用于確保集成到車輛中的電氣和電子元件之間的連接。

線束多樣性隨著車輛在電氣和電子功能、新通信技術(shù)集成、控制和軟件應(yīng)用程序方面的發(fā)展而同步增加，成為購買車輛時可用的選項。

這一事實導(dǎo)致了復(fù)雜性的增加，并因此增加了線束在車輛重量中所占的重量。例如，在奧迪 A8（2018 版）的情況下，線束重 36 kg，將作為線束一部分的電線放在一起會延伸數(shù)公里。梅賽德斯-奔馳 OM654 發(fā)動機(jī)線束的一個版本提供了一個有用的示例來說明線束的復(fù)雜性，其中包含：54 個連接器、116 根電線，拉直后長度覆蓋 4 m2，重量為 1.5 kg。

圖 1? 梅賽德斯奔馳 OM654 發(fā)動機(jī)線束和所選組件的變體多樣性

由于線束的復(fù)雜性和多樣性，線束制造商有兩種選擇：

要么將布線分成更小的模塊（如果可能），在每個模塊的專用裝配線上制造，稍后進(jìn)行布線的最終組裝（在同一生產(chǎn)地點或在汽車制造商附近的地點）；

或在更大、更復(fù)雜的裝配線上制造最終布線。但無論他們的選擇如何，模塊的制造和最終組裝都需要相同的制造和組裝技術(shù)。

生產(chǎn)流程根據(jù)實施的裝配技術(shù)進(jìn)行組織，通常分為：

動態(tài)裝配線：通常用于制造線束模塊和較小的線束。開發(fā)了幾種類型的動態(tài)裝配線，但最常見的用于制造不太復(fù)雜的線束是由固定的裝配板（托盤）組成的，傳送帶位于線的下部，用于承載線束從一個工段到另一個。生產(chǎn)線的組織方式使用于組裝的組件在正面提供，確保工段符合人體工程學(xué)。

用于大型模塊制造和模塊最終組裝的轉(zhuǎn)盤（也稱為轉(zhuǎn)臺）。轉(zhuǎn)臺由安裝在軌道上的幾塊板組成，因此它可以轉(zhuǎn)動。這種生產(chǎn)技術(shù)通常用于將所有工作分解為幾個基本任務(wù)。裝配線由幾塊板組成，每個操作員在旋轉(zhuǎn)/移動轉(zhuǎn)盤之前執(zhí)行分配給他的工段的有限數(shù)量的操作，這些操作總是相同的。建立生產(chǎn)線的速度可以確保生產(chǎn)率和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

無論制造商選擇使用動態(tài)裝配線 (LAD) 還是轉(zhuǎn)盤裝配線來組裝布線，為了提供它，都需要工段和設(shè)備來生產(chǎn)作為最終布線一部分的預(yù)組裝元件。

自動化裝配流程對線束制造商來說是一個挑戰(zhàn)。自動化線束裝配系統(tǒng)必須非常靈活且易于適應(yīng)，以滿足項目各個階段出現(xiàn)的多樣化和動態(tài)要求。

自動化線束裝配流程的難點：

處理困難，因為作為線束一部分的電線是非常靈活的元件并且長度很長；

構(gòu)成最終線束的各種組件：不同長度和直徑的電線、端子、密封件、連接器、保護(hù)裝置、連接件、緊固件等；

確保連通性所需的多種操作：簡單壓接（手動或自動）、雙線壓接（手動或自動）、超聲波焊接、扭絞、將端子線組件穿入連接器、應(yīng)用保護(hù)等；

一個項目中生產(chǎn)的線束的多樣性，許多參考需要不同的裝配板（托盤）；

項目開發(fā)階段發(fā)生的布線架構(gòu)變更，涉及操作順序和裝配系統(tǒng)的快速修改/調(diào)整；

售后質(zhì)量事件帶來的變化，雖然比開發(fā)階段小，但也涉及配線系統(tǒng)的快速適配。

電氣線束設(shè)計流程

線束的設(shè)計過程必須考慮多個因素，以便將線束最佳地集成到車輛架構(gòu)中。線束預(yù)計可以在相同參數(shù)下運行大約 20 年而不改變元件之間的連接，因此設(shè)計過程必須確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。為此，設(shè)計過程必須考慮構(gòu)成線束的部件的質(zhì)量和制造它們的材料（在產(chǎn)品銷售或已知的國家/地區(qū)不得含有和將在未來幾年內(nèi)被禁止的違禁物質(zhì)）。

線束的設(shè)計從電氣接線圖的實現(xiàn)開始，其中包括所有電氣和電子設(shè)備，以及它們之間的電氣連接。根據(jù)他們的操作要求，通過電氣研究確定重要的技術(shù)方面，例如：

確保最佳連接所需的電線直徑；

保護(hù)電線的保險絲的口徑（額定值）；

繼電器口徑；

決定在適當(dāng)情況下使用絞合線而非單線來消除電磁干擾。

布線結(jié)構(gòu)將考慮由集成在車輛上的區(qū)域施加的溫度和濕度限制，因此：

布線組件必須具有與其運行環(huán)境相對應(yīng)的溫度等級；

在容易出現(xiàn)高濕度的車輛區(qū)域，需要在每根電線上的金屬端子壓接中使用密封連接器和密封件；

電線保護(hù)措施的選擇將根據(jù)線路穿過區(qū)域的侵蝕性電位以及裝配所施加的靈活性要求進(jìn)行；

為了最佳保護(hù)、方向和線路固定，連接將使用零件（電線穿過金屬框架時的保護(hù)墊圈，用于固定和形成路徑的塑料零件等）。

設(shè)計過程中一個特別重要的步驟是線束的 3D 建模，這有助于定義如何將線束集成到車輛中。在 3D 模型中，表示了所有組件，這些組件是布線運行環(huán)境的一部分。這是建立線束路徑的階段，模擬線束辯論以預(yù)測和防止線束與其他部件接觸時因線束攻擊而導(dǎo)致的未來事件。布線路徑必須符合幾個條件，例如：

通過使用相應(yīng)的固定元件和線束穿過區(qū)域的現(xiàn)有熱狀態(tài)施加的保護(hù)，消除與具有侵蝕潛力的元件/區(qū)域接近所帶來的風(fēng)險；

所選擇的路徑必須盡可能直接，以免增加不必要的布線長度；

路徑的選擇必須考慮使線束在車輛上的裝配盡可能容易的需要。如果確定在車輛上安裝布線有困難，則需要修改路徑和/或修改線束架構(gòu)（修改布線漂移的長度，消除或添加固定元件）。

與上述條件的任何偏差都會導(dǎo)致布線發(fā)生變化，根據(jù)項目的階段，它會產(chǎn)生更高或更低的成本。

在電氣圖和 3D 建模的基礎(chǔ)上，制作了繪制在接線裝配板上的 2D 圖。對于轉(zhuǎn)盤式裝配線，二維繪圖包含線束的完整布局，以及線束裝配所必需的指示。每塊進(jìn)入流水線組件的板子上都標(biāo)有相同的圖紙。對于實踐中最常用的動態(tài)裝配線類型，詳細(xì)闡述了幾個二維圖，對應(yīng)于裝配過程的特定階段，在構(gòu)成裝配線的每塊板上制作。

電線束生產(chǎn)工藝

除了線束的最終組裝之外，生產(chǎn)過程還包括獲得產(chǎn)品所需的許多階段，每個階段都具有不同程度的自動化。這些主要分為：

預(yù)裝配元件的生產(chǎn)；

將線束最終組裝所需的預(yù)組裝元件和其他組件存放在專用空間，通常稱為揀選區(qū)；

在每個生產(chǎn)周期開始時測試有代表性的樣品。

為了全面了解當(dāng)今自動化如何應(yīng)用于線束生產(chǎn)，本文將詳細(xì)介紹這些階段。

1? 預(yù)制件的制作

這是線束生產(chǎn)自動化程度最高的階段。預(yù)裝配元件的生產(chǎn)部分位于線束裝配線附近但分開。它分為手動、半自動和全自動工段，將在本文的以下部分詳細(xì)介紹。

剝線皮半自動工段：該類工段由操作員和半自動剝線機(jī)組成，用于精度要求特別高的極細(xì)同軸電纜。它執(zhí)行以下操作：全剝、半剝、多步剝、同軸和三軸電纜處理、同軸和三同軸電纜處理（詳見下圖）。

圖 2? 半自動剝離機(jī)示例和執(zhí)行的操作

全自動絞線壓接機(jī)：這些機(jī)器工作精度高，用于對長度較長、截面較小的電線進(jìn)行特定操作。線束制造商大多使用的自動化絞合壓接機(jī)具有模塊化組成，使其更能適應(yīng)生產(chǎn)要求。如下圖所示，它們可以執(zhí)行各種任務(wù)，例如：線切段、絕緣層去除、密封穿線、壓接、扭絞。

圖 3? 使用扭線機(jī)/壓接機(jī)進(jìn)行的操作示例

將全自動壓接機(jī)集成到預(yù)裝配元件的生產(chǎn)中，顯著提高了生產(chǎn)率，同時降低了成本。這些機(jī)器能夠處理很長的電線長度，用于多種功能，包括雙壓接（在一個端子上壓接兩根電線）即使確實存在用于超聲波焊接的自動化機(jī)器，在實踐中進(jìn)行布線線束需要多種類型的拼接，而這些拼接無法在全自動過程中執(zhí)行。這是目前超聲波焊接仍由操作者使用超聲波焊接機(jī)實現(xiàn)的主要原因。

熱縮管穿入工段：熱縮管應(yīng)用于電線上，通常用于保護(hù)接頭和壓接區(qū)域（尤其是在較大橫截面的電線上）。這種類型的工段比其他類型的工段簡單，要進(jìn)行的操作非常簡單，但必須小心操作，以免損壞設(shè)備區(qū)域。操作員將管子穿入電線/接頭并將其放在熱風(fēng)機(jī)頂部，同時旋轉(zhuǎn)組件以均勻分布熱量。

2 組件和預(yù)裝元件測試階段

在驗證將成為線束一部分的組件的使用之前，制造商會執(zhí)行必要的測試以確定組件是否符合要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。測試在測試中心進(jìn)行，這是一個專門為此目的設(shè)計的區(qū)域，在這里對電線、接頭和壓接端子-電線組合進(jìn)行各種侵蝕性因素的耐久性測試。

測試中心進(jìn)行的測試類型：

拖鏈測試，

扭轉(zhuǎn)作用測試，

彎曲測試，

燃燒測試，

耐介質(zhì)測試。

在每個生產(chǎn)周期開始時，將對接頭（超聲波焊接）和壓接端子線整體的代表性樣品進(jìn)行耐久性測試和顯微質(zhì)量檢查，以確保為半自動和全自動機(jī)器設(shè)置的參數(shù)是一致的符合要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

3 動態(tài)裝配線上的線束生產(chǎn)

在線束生產(chǎn)過程中自動化和手動過程相結(jié)合的方式，可以在動態(tài)裝配線的結(jié)構(gòu)中突出顯示。線束裝配線自動化程度低，由操作員進(jìn)行各種手動操作，例如：

根據(jù)印在裝配板上的圖紙定位電線；

將端子穿入連接器；

根據(jù)組裝板上印刷的圖紙進(jìn)行膠帶和保護(hù)。

每個裝配工段由以下部分組成：

組裝組件的固定組裝板，每塊板的結(jié)構(gòu)根據(jù)其設(shè)計的操作而變化；

組件存儲區(qū)的組織方式使得用于組裝的組件在前面提供，并由操作員定期提供；

位于裝配板下方的傳送帶，用于將線束分支從一個工段傳送到另一個工段。

完成組裝過程后，將對所有線束進(jìn)行測試。這是在電氣測試和控制表的幫助下完成的，該表專門設(shè)計用于對應(yīng)要測試的線束的架構(gòu)。由于此測試期間不允許連接連接器，因此測試臺配備了特殊裝置，可以在不使用連接機(jī)構(gòu)的情況下接觸連接器插座中的金屬端子。檢查接線涉及執(zhí)行多種類型的測試：

電氣測試，用于檢查接線連續(xù)性，

氣壓泄漏測試，以檢查必須滿足此要求的組件的防水性，

通過使用專門為每個連接器設(shè)計的裝置對杠桿/二次鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行完整性測試和驗證，該連接器具有通過二次閉合確保連接的系統(tǒng)；

符合性驗證測試根據(jù)電氣圖檢查保險絲和繼電器的存在。

圖 4? 動態(tài)裝配線的物流流程

如果發(fā)現(xiàn)錯誤，在測試結(jié)束時系統(tǒng)打印的標(biāo)簽上將指定必須進(jìn)行潤飾。根據(jù)缺陷所在的區(qū)域，修飾線束可能很困難。例如，要更換單根電線，必須移除整個受影響區(qū)域的線束和其他固定元件的保護(hù)。

使用專門為此目的創(chuàng)建的工具進(jìn)行修飾，在不影響其他組件質(zhì)量的情況下修復(fù)缺陷。修圖后，恢復(fù)所有功能的接線測試過程。

在測試表明接線可以執(zhí)行所有功能后，打印確認(rèn)這一事實的標(biāo)簽并將其貼在接線上。包裝布線調(diào)配也是一個人工過程。完成調(diào)配的方式、用于運輸?shù)南渥宇愋鸵约跋渥又写鎯Φ碾娋€數(shù)量由規(guī)格與客戶（汽車制造商）共同確定。

圖 9 中的圖表突出顯示了動態(tài)裝配線的物流流程，概述了手動和自動流程如何在布線生產(chǎn)中結(jié)合。

4 線束裝配流程優(yōu)化案例研究

該案例研究旨在確定影響線束生產(chǎn)中動態(tài)裝配線生產(chǎn)率的主要因素。為此，在Witness Horizon 軟件中定義了如下的流水線理論結(jié)構(gòu)：

13個工段：組裝工段10個，測試工段2個，包裝工段1個；

9個緩沖區(qū)：5個緩沖區(qū)用于存放元器件，1個緩沖區(qū)用于存放測試前的線束，1個緩沖區(qū)用于每測試工段存放未通過測試的線束，1個位于包裝工段前的緩沖區(qū)用于放置包裝前的線束；

裝配板下方安裝傳送帶，確保線束分支從一個工段輸送到另一個工段；

裝配線由19 名操作員提供服務(wù)。

模擬了每天8小時，每周5天，即2400 分鐘的單班制，如下圖所示：

圖 5? 動態(tài)裝配線仿真

在模擬之后，注意到在工段 4 之后，每個工段的空閑時間逐漸增加，在最后一個工段達(dá)到 97.56% 的百分比。

圖 6 換班模擬統(tǒng)計分析

這一事實會影響生產(chǎn)率，導(dǎo)致生產(chǎn)流程堵塞，如下圖所示：

圖 7 ?零件統(tǒng)計：按輪班時間報告

為了優(yōu)化裝配流程，考慮了三個假設(shè)：

第一個假設(shè)是通過消除所有工段的空閑時間來減少工作時間，從而解鎖生產(chǎn)。在使用修改后的工作時間進(jìn)行新的模擬后，數(shù)據(jù)顯示此變體無法解決堵塞問題；

第二個假設(shè)是將“內(nèi)部允許時間”（生產(chǎn)線供應(yīng)時間）減半將有助于減少工段的空閑時間；模擬一個班次的裝配流程后，沒有發(fā)現(xiàn)任何改進(jìn)；

第三個假設(shè)包括重新分配分配給每個工段的操作并重新評估裝配線的工作量。這次消除了堵塞，減少了空閑時間，從而提高了裝配線的生產(chǎn)率；根據(jù)該假設(shè)進(jìn)行模擬后獲得的結(jié)果表明，重新分配操作和縮減操作員規(guī)模 (OP 13) 可以優(yōu)化生產(chǎn)流程。

圖 8 優(yōu)化后的換班模擬統(tǒng)計分析

對比優(yōu)化后與優(yōu)化前的結(jié)果，可以看出優(yōu)化后流水線的流動性明顯提高，生產(chǎn)周期之間的等待時間被消除。

圖 9 ?優(yōu)化后的零件統(tǒng)計：按輪班時間報告

案例研究表明，對于線束裝配，由于自動化程度低，影響生產(chǎn)率的主要因素是作業(yè)到工位的分布。高負(fù)載工段應(yīng)由經(jīng)驗豐富的操作員（具有高度靈活性）提供服務(wù)，并且應(yīng)戰(zhàn)略性地跨線放置，以確保裝配流程的流動性并減少等待時間。

汽車行業(yè)線束裝配流程自動化的未來趨勢

盡管在開發(fā)可以提高線束生產(chǎn)自動化程度的全自動化機(jī)器方面取得了進(jìn)展，但仍有許多制約因素需要考慮。車輛可用選項的多樣性增加，以及在車輛開發(fā)階段進(jìn)行的修改，導(dǎo)致了各種各樣的變體，這使得實現(xiàn)線束生產(chǎn)的完全自動化變得特別具有挑戰(zhàn)性。

在過去的一年中，在尋找線束生產(chǎn)自動化解決方案方面邁出了重要的一步。已經(jīng)開發(fā)出新一代穿線機(jī)來應(yīng)對組件小型化的挑戰(zhàn)，但它們在生產(chǎn)流程中的集成取決于靈活性程度以及投資對生產(chǎn)成本的影響。

為了突出線束裝配流程自動化的最新趨勢，將使用兩個自動化機(jī)器示例：

第一個示例是一臺全自動機(jī)器 (Zeta 640/650)，它可以執(zhí)行以下操作：同時切段、剝皮、穿線密封、壓接和雙壓接不同截面和顏色的線材，將生產(chǎn)時間縮短多達(dá) 50 %。它還可以制作不同截面和顏色的線束。此類機(jī)器的開發(fā)表明了尋找自動化設(shè)備并將其集成到揀選區(qū)的興趣。

第二個示例是全自動機(jī)器 (Omega 745/755)，它執(zhí)行獲得電線/連接器子組件所需的所有操作，可以減少在總裝線上執(zhí)行操作的時間和復(fù)雜性。根據(jù)可用的技術(shù)數(shù)據(jù)，它可以執(zhí)行以下操作：同時切段、剝皮、密封、穿線和壓接多達(dá) 36 根不同的電線（無需更換模塊），將電線穿入外殼并關(guān)閉二次鎖連接器外殼。穿入過程由高精度力傳感器監(jiān)控，即使穿入小元件也能確保端子部件正確鎖定在外殼中，從而解決元件小型化問題。這些只是用于改進(jìn)線束生產(chǎn)技術(shù)的自動化解決方案的兩個示例，還有許多其他仍處于開發(fā)階段的示例，它們肯定會在未來為生產(chǎn)過程增加價值。然而，新開發(fā)的技術(shù)解決方案的實施將考慮成本問題及其對線束制造商競爭力的影響。

結(jié)論

線束自動化還有更多的研究要做。盡管該領(lǐng)域取得了進(jìn)展，但仍然需要人工操作，目前還沒有自動化的技術(shù)解決方案。在決定投資提高自動化程度之前，需要考慮許多制約因素，必須在全面了解與保持短期市場競爭力相關(guān)的生產(chǎn)過程和投資成本后才能做出決定。

因此，全自動化不會一蹴而就，也不是所有的線束廠商都能做到，但是能夠提高自動化程度的廠商，就會比其他廠商有優(yōu)勢，能夠生產(chǎn)出更高質(zhì)量、更好成本的產(chǎn)品。

編輯：黃飛

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