摘要??

考慮到汽車行業(yè)對(duì)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(duì)線束制造商來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。現(xiàn)在線束的生產(chǎn)對(duì)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(duì)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(gè)問題的辦法可能是提高線束生產(chǎn)的自動(dòng)化程度。本文研究主題的目標(biāo)是確定通過部分自動(dòng)化生產(chǎn)流程來優(yōu)化布線裝配流程的解決方案。對(duì)自動(dòng)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(dòng)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(dòng)化將通過減少制造時(shí)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(dú)特的位置。人工準(zhǔn)備/裝配操作占線束價(jià)格的大約 95%，線束生產(chǎn)的自動(dòng)化是一個(gè)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(dòng)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(xiǎn)絲、繼電器、保險(xiǎn)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(shí)可用的選項(xiàng)。

這一事實(shí)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(huì)延伸數(shù)公里。梅賽德斯-奔馳 OM654 發(fā)動(dòng)機(jī)線束的一個(gè)版本提供了一個(gè)有用的示例來說明線束的復(fù)雜性，其中包含：54 個(gè)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(dòng)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(gè)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(diǎn)或在汽車制造商附近的地點(diǎn)）；

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(shí)施的裝配技術(shù)進(jìn)行組織，通常分為：

動(dòng)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(dòng)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(gè)工段到另一個(gè)。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(tái)）。轉(zhuǎn)臺(tái)由安裝在軌道上的幾塊板組成，因此它可以轉(zhuǎn)動(dòng)。這種生產(chǎn)技術(shù)通常用于將所有工作分解為幾個(gè)基本任務(wù)。裝配線由幾塊板組成，每個(gè)操作員在旋轉(zhuǎn)/移動(dòng)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(dòng)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(dòng)化裝配流程對(duì)線束制造商來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。自動(dòng)化線束裝配系統(tǒng)必須非常靈活且易于適應(yīng)，以滿足項(xiàng)目各個(gè)階段出現(xiàn)的多樣化和動(dòng)態(tài)要求。

自動(dòng)化線束裝配流程的難點(diǎn)：

處理困難，因?yàn)樽鳛榫€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(jiǎn)單壓接（手動(dòng)或自動(dòng)）、雙線壓接（手動(dòng)或自動(dòng)）、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(gè)項(xiàng)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(xiàng)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(jì)流程

線束的設(shè)計(jì)過程必須考慮多個(gè)因素，以便將線束最佳地集成到車輛架構(gòu)中。線束預(yù)計(jì)可以在相同參數(shù)下運(yùn)行大約 20 年而不改變?cè)g的連接，因此設(shè)計(jì)過程必須確保產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。為此，設(shè)計(jì)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(jì)從電氣接線圖的實(shí)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(xiǎn)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(yùn)行環(huán)境相對(duì)應(yīng)的溫度等級(jí)；

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(shí)的保護(hù)墊圈，用于固定和形成路徑的塑料零件等）。

設(shè)計(jì)過程中一個(gè)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(yùn)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(cè)和防止線束與其他部件接觸時(shí)因線束攻擊而導(dǎo)致的未來事件。布線路徑必須符合幾個(gè)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(xiǎn)；

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(huì)導(dǎo)致布線發(fā)生變化，根據(jù)項(xiàng)目的階段，它會(huì)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(duì)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(duì)于實(shí)踐中最常用的動(dòng)態(tài)裝配線類型，詳細(xì)闡述了幾個(gè)二維圖，對(duì)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(gè)階段都具有不同程度的自動(dòng)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(gè)生產(chǎn)周期開始時(shí)測(cè)試有代表性的樣品。

為了全面了解當(dāng)今自動(dòng)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(dòng)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(dòng)、半自動(dòng)和全自動(dòng)工段，將在本文的以下部分詳細(xì)介紹。

剝線皮半自動(dòng)工段：該類工段由操作員和半自動(dòng)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(dòng)剝離機(jī)示例和執(zhí)行的操作

全自動(dòng)絞線壓接機(jī)：這些機(jī)器工作精度高，用于對(duì)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(dòng)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(dòng)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(shí)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(gè)端子上壓接兩根電線）即使確實(shí)存在用于超聲波焊接的自動(dòng)化機(jī)器，在實(shí)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(dòng)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(shí)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(jiǎn)單，要進(jìn)行的操作非常簡(jiǎn)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(shí)旋轉(zhuǎn)組件以均勻分布熱量。

2 組件和預(yù)裝元件測(cè)試階段

在驗(yàn)證將成為線束一部分的組件的使用之前，制造商會(huì)執(zhí)行必要的測(cè)試以確定組件是否符合要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)試在測(cè)試中心進(jìn)行，這是一個(gè)專門為此目的設(shè)計(jì)的區(qū)域，在這里對(duì)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(cè)試。

測(cè)試中心進(jìn)行的測(cè)試類型：

拖鏈測(cè)試，

扭轉(zhuǎn)作用測(cè)試，

彎曲測(cè)試，

燃燒測(cè)試，

耐介質(zhì)測(cè)試。

在每個(gè)生產(chǎn)周期開始時(shí)，將對(duì)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(cè)試和顯微質(zhì)量檢查，以確保為半自動(dòng)和全自動(dòng)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(dòng)態(tài)裝配線上的線束生產(chǎn)

在線束生產(chǎn)過程中自動(dòng)化和手動(dòng)過程相結(jié)合的方式，可以在動(dòng)態(tài)裝配線的結(jié)構(gòu)中突出顯示。線束裝配線自動(dòng)化程度低，由操作員進(jìn)行各種手動(dòng)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(gè)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(jì)的操作而變化；

組件存儲(chǔ)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(gè)工段傳送到另一個(gè)工段。

完成組裝過程后，將對(duì)所有線束進(jìn)行測(cè)試。這是在電氣測(cè)試和控制表的幫助下完成的，該表專門設(shè)計(jì)用于對(duì)應(yīng)要測(cè)試的線束的架構(gòu)。由于此測(cè)試期間不允許連接連接器，因此測(cè)試臺(tái)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(cè)試：

電氣測(cè)試，用于檢查接線連續(xù)性，

氣壓泄漏測(cè)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(gè)連接器設(shè)計(jì)的裝置對(duì)杠桿/二次鎖定機(jī)構(gòu)進(jìn)行完整性測(cè)試和驗(yàn)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(yàn)證測(cè)試根據(jù)電氣圖檢查保險(xiǎn)絲和繼電器的存在。

圖 4? 動(dòng)態(tài)裝配線的物流流程

如果發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，在測(cè)試結(jié)束時(shí)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(gè)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(cè)試過程。

在測(cè)試表明接線可以執(zhí)行所有功能后，打印確認(rèn)這一事實(shí)的標(biāo)簽并將其貼在接線上。包裝布線調(diào)配也是一個(gè)人工過程。完成調(diào)配的方式、用于運(yùn)輸?shù)南渥宇愋鸵约跋渥又写鎯?chǔ)的電線數(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(dòng)態(tài)裝配線的物流流程，概述了手動(dòng)和自動(dòng)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(dòng)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(gè)工段：組裝工段10個(gè)，測(cè)試工段2個(gè)，包裝工段1個(gè)；

9個(gè)緩沖區(qū)：5個(gè)緩沖區(qū)用于存放元器件，1個(gè)緩沖區(qū)用于存放測(cè)試前的線束，1個(gè)緩沖區(qū)用于每測(cè)試工段存放未通過測(cè)試的線束，1個(gè)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(gè)工段輸送到另一個(gè)工段；

裝配線由19 名操作員提供服務(wù)。

模擬了每天8小時(shí)，每周5天，即2400 分鐘的單班制，如下圖所示：

圖 5? 動(dòng)態(tài)裝配線仿真

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

圖 6 換班模擬統(tǒng)計(jì)分析

這一事實(shí)會(huì)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(jì)：按輪班時(shí)間報(bào)告

為了優(yōu)化裝配流程，考慮了三個(gè)假設(shè)：

第一個(gè)假設(shè)是通過消除所有工段的空閑時(shí)間來減少工作時(shí)間，從而解鎖生產(chǎn)。在使用修改后的工作時(shí)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(gè)假設(shè)是將“內(nèi)部允許時(shí)間”（生產(chǎn)線供應(yīng)時(shí)間）減半將有助于減少工段的空閑時(shí)間；模擬一個(gè)班次的裝配流程后，沒有發(fā)現(xiàn)任何改進(jìn)；

第三個(gè)假設(shè)包括重新分配分配給每個(gè)工段的操作并重新評(píng)估裝配線的工作量。這次消除了堵塞，減少了空閑時(shí)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(jì)分析

對(duì)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(dòng)性明顯提高，生產(chǎn)周期之間的等待時(shí)間被消除。

圖 9 ?優(yōu)化后的零件統(tǒng)計(jì)：按輪班時(shí)間報(bào)告

案例研究表明，對(duì)于線束裝配，由于自動(dòng)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(yàn)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(dòng)性并減少等待時(shí)間。

汽車行業(yè)線束裝配流程自動(dòng)化的未來趨勢(shì)

盡管在開發(fā)可以提高線束生產(chǎn)自動(dòng)化程度的全自動(dòng)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(xiàng)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(shí)現(xiàn)線束生產(chǎn)的完全自動(dòng)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(dòng)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(duì)組件小型化的挑戰(zhàn)，但它們?cè)谏a(chǎn)流程中的集成取決于靈活性程度以及投資對(duì)生產(chǎn)成本的影響。

為了突出線束裝配流程自動(dòng)化的最新趨勢(shì)，將使用兩個(gè)自動(dòng)化機(jī)器示例：

第一個(gè)示例是一臺(tái)全自動(dòng)機(jī)器 (Zeta 640/650)，它可以執(zhí)行以下操作：同時(shí)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(shí)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(dòng)化設(shè)備并將其集成到揀選區(qū)的興趣。

第二個(gè)示例是全自動(dòng)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(shí)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(shí)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(dòng)化解決方案的兩個(gè)示例，還有許多其他仍處于開發(fā)階段的示例，它們肯定會(huì)在未來為生產(chǎn)過程增加價(jià)值。然而，新開發(fā)的技術(shù)解決方案的實(shí)施將考慮成本問題及其對(duì)線束制造商競(jìng)爭(zhēng)力的影響。

結(jié)論

線束自動(dòng)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(dòng)化的技術(shù)解決方案。在決定投資提高自動(dòng)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)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(dòng)化不會(huì)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(dòng)化程度的廠商，就會(huì)比其他廠商有優(yōu)勢(shì)，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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