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(lái)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(lái)說是一個(gè)挑戰(zhàn)?,F(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(lái)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(lái)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(lái)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(lái)的不確定性來(lái)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(gòu)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(lái)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(zhǎng)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(wú)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(wú)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(lái)組裝布線,為了提供它,都需要工段和設(shè)備來(lái)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(lái)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(zhǎng)度很長(zhǎng);
構(gòu)成最終線束的各種組件:不同長(zhǎng)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(lái)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(guó)家/地區(qū)不得含有和將在未來(lái)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(lái)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(lái)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(lái)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)度較長(zhǎng)、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(zhǎng)的電線長(zhǎng)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(wú)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(rùn)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(lái)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(wú)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(lái)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(lái)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(wú)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(lái)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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評(píng)論
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