线束自动加工中心执行机构创新

尹亮 张震华 胡德超 刘铁铮 闫亮亮 李林峰

1项目背景及意義

1.1公司简介

河南天海电器有限公司始建于1969年，总部坐落在河南鹤壁，全球设有36个销售办事处和23个生产基地。主要生产经营汽车电子电器产品共6大类20000多个品种，曾被“50年国庆阅兵”“60年国庆阅兵”列为指定配套产品，并获得“中国中小型企业创新100强”“中国汽车零部件电机（连接器）行业龙头企业”“中国汽车电子电器电机行业领军企业”等多个国家、省级政府授予的荣誉称号。2018年实现销售收入80亿人民币，其中出口2.5亿美元。公司2010年导入了六西格玛、2012年导入TRIZ创新方法，2015年在集团成立了“河南天海创新方法研究中心”，目前拥有创新人员690人。

1.2项目背景及意义

汽车线束加工属于劳动密集型行业，随着人力成本的上升和汽车价格的下调，企业利润空间越来越小。再加上汽车线束制造工艺复杂，质量要求严格。传统的手工作业急需自动化设备替代（图1所示）。由于汽车线束的复杂性，目前市场上还没有从原材料到线束成品的全自动加工一体化设备，所以实现最大化多工艺集成，高效率生产的自动化设备是未来的发展趋势。

全自动线束加工中心^[1]是汽车线束制造的核心装备（图2所示）。它将下线、套管、喷码、穿防水栓、并线、绞合、压接、插护套等工艺集于一体，大大节约了人力资源，提高了加工效率和产品质量，减少了空间占用率。加工中心的工艺执行单元和柔性执行机构决定了设备的线束加工工艺能力和生产效率（图3所示）。然而，全自动线束加工中心的生产效率提升受制于核心执行机构。

2项目主要内容

2.1项目存在的问题矛盾

线束加工中心的执行单元上的伺服电机安装有带轮，带轮通过同步带经过两级传动使转盘转动。转盘和转轴通过轴承装配在一起，转轴上固定摆臂机构。摆臂机构由丝杆引动器驱动，引动器由伺服电机驱动，机械臂与引动器相连可以前、后、左、右移动，机械臂前端安装有气缸驱动的夹爪（图3所示）。摆臂的摆动频率和夹爪抓取速度是影响设备效率的主要矛盾，也是本项目主要解决的矛盾。

2.2因果分析

通过因果分析，造成本系统效率低的问题点：夹持机构质量大：由于抓手需要一定的夹持力，执行机构前部有夹紧气缸需要大，导致重量大，进而使摆臂的整体惯量大，系统执行效率低（图4所示）。

问题点：夹持机构质量大

问题描述：由于抓手重量大，为保证抓手在夹持不同线缆执行剥皮动作时不产生打滑，需要增加执行气缸的体积;气缸体积增大后造成执行机构重心偏移，使执行机构旋转时惯量过大，导致效率低下（图5所示）。

2.3运用小人法对问题点进行分析

建立问题模型，图6所示：

红色小人：机械臂;

蓝色小人：气缸;

黄色小人：连杆;

绿色小人：夹爪;

紫色小人：导线。

问题描述：气缸小人通过连杆小人拉动夹爪小人夹紧线束小人，然后摆臂小人转移所有小人。

原因1：抓手前端聚集的小人太多，导致摆臂小人转移困难;

原因2：气缸小人太弱，需要很多才能夹住线束小人，导致摆臂小人转移困难;

原因3：夹爪小人自己没有能力夹住线束小人，需要气缸小人的帮忙;

结果：线束小人被转移速度太慢。

形成方案1：将夹紧气缸后置

减少前端气缸小人，气缸小人放置后方，把气缸安装在摆臂后方，减轻前部夹持机构的重量，通过一种转换机构将驱动夹爪的纵向传递力转变为横向传递力，而不损失气缸力的大小。

形成方案2：使用一体抓手

夹爪小人自己能够工作;使夹爪和气缸成为一体;将之前由气缸通过杠杆机构来传递力的方式转变为直接通过气缸来输出力，直接将夹爪安装在气缸上，保证输出力不变的同时又减轻了整个夹持机构的重量（图7所示）。

2.4运用虚空

问题点：夹持机构质量大

虚空是非常重要的一种资源，而且可利用的数量是无限的。“空”很容易与其它物质结合，形成空心、多孔结构、泡沫材料等物质。虚空不一定是真空。

方案3：多孔结构

运用虚空或虚空与物质的组合，在保证强度的情况下，预先对机构的零部件进行除材料处理，最大程度降低质量（图8所示）。

2.5物质-场分析

运用场资源分析，在系统中引入电场或两个相互作用的场，替代引入物质一电磁场。

方案4：电磁吸合

利用电场磁场的相互转化，使夹爪自己相互吸引，不需要气缸驱动。夹爪在工作时，通过安装在自身上面的电磁铁实现张开和闭合。当磁铁通电时，由于磁场原理夹爪吸合实现闭合;当磁铁断电时，由于磁场原理夹爪排斥实现张开（图9所示）。

2.6物理矛盾

问题点：夹持机构质量大

通过物理矛盾分析：为了增加夹持力，气缸应该在执行机构内;为了不增加惯性，气缸应该在执行机构外。

方案5：分离解锁气缸

运用空间分离，将气缸安置在执行机构工位上，当执行机构^[2]，运动至对应工位时，对应工位的气缸完成夹爪的解锁（图10所示）。

2.7物场模型

问题点：夹持机构质量大

物场模型：引入系统中现有物质的变异物，引入夹紧气缸的变异。

方案6：直线电机

将气缸转换成为直线电机，完成夹持。由直线电机驱动的机械爪运动速度更高，可有效缩减每个工位的运行时间，从而降低整个执行机构的动作时间，提高整机的效率（图11所示）。

2.8方案评价

運用软件易维训Pro-Innovator，首先建立方案评价模型，分别从可操作性、成本以及方案运用效果三个维度进行分析（图12所示）。

2.9优选方案实施

最佳方案实施：

综合方案1（气缸后置）和方案3（多孔原理）形成最终方案（图13所示）。

在保证机构强度的前提下对机械臂进行薄壁和空心处理，将前部气缸移至后部，并将气缸杆加长，通过气缸杆上的齿形驱动锥齿轮使夹爪实现张开闭合^[3]。此方案减轻了整个执行机构的惯量，提高了效率。

3项目成果与效益

3.1项目成果

该项目形成企业标准1项，已经颁布并实施，已授权发明专利2项，实用新型专利4项（表1所示）。

3.2经济效益分析

通过对市场需求、市场风险及竞争对手的分析，在中国汽车行业高速发展的今天，该产品的研制有较高的成本优势，为公司带来了良好的经济效益。近3年该产品的销量数量为500多台，实现销售收入近2亿多元，并且带动了1000多万元的备件销售，并出口世界多个国家。

3.3社会效益

该项目的产品，汽车线束全自动加工中心，目前是引领汽车线束自动化制造设备行业，率先在国内汽车线束制造行业内突破了不同线径自适应夹持系统、不停机自动换型技术等10多项行业技术，并在生产领域得到了验证和推广。

通过数据对比分析，通过天海集团线束制造事业部及集团7家线束制造基地的大批量应用，一套全自动线束加工中心比传统半自动加工模式可节约8～10个人。在保证加工效率、降低劳动力成本的同时，提高了产品的质量，提升了行业竞争力。

多年来，汽车线束自动加工中心进行多个关键部件机构的创新改进，打破国外同行业的技术封锁和垄断。目前，该产品处于国内领先地位。本创新项目获得2018年河南省TRIZ创新方法大赛一等奖。

参考文献

[1]一种带自动换线和自动换模装置的全自动下线压接机;专利ZL201610513294.7;2018.5.25.

[2]一种齿轮齿条驱动的线缆剥皮和旋转平行压接机构;专利ZL201410444665.1;2017.1.5.

[3]一种线柬端子压接机驱动机构;专利zL201721220375.4;2018.3.20.