摘要??

考慮到汽車行業對安全和多媒體系統改進的強烈需求，線束生產變得越來越重要。適應新技術在車輛上的集成對線束制造商來說是一個挑戰。現在線束的生產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的自動化程度。本文研究主題的目標是確定通過部分自動化生產流程來優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中的應用的關注并不新鮮，但到目前為止，線束制造商更側重于自動化構成線束的元件的預制，而不是線束裝配線。從經濟的角度來看，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率。

?引言

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

線束裝配流程自動化現狀

在汽車工業中，線束是一組組件（電線、端子、連接器、密封件、保護裝置、緊固件、索環、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、新通信技術集成、控制和軟件應用程序方面的發展而同步增加，成為購買車輛時可用的選項。

這一事實導致了復雜性的增加，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公里。梅賽德斯-奔馳 OM654 發動機線束的一個版本提供了一個有用的示例來說明線束的復雜性，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 發動機線束和所選組件的變體多樣性

由于線束的復雜性和多樣性，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，稍后進行布線的最終組裝（在同一生產地點或在汽車制造商附近的地點）；

或在更大、更復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。

生產流程根據實施的裝配技術進行組織，通常分為：

動態裝配線：通常用于制造線束模塊和較小的線束。開發了幾種類型的動態裝配線，但最常見的用于制造不太復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。

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

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

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

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、應用保護等；

一個項目中生產的線束的多樣性，許多參考需要不同的裝配板（托盤）；

項目開發階段發生的布線架構變更，涉及操作順序和裝配系統的快速修改/調整；

售后質量事件帶來的變化，雖然比開發階段小，但也涉及配線系統的快速適配。

電氣線束設計流程

線束的設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中。線束預計可以在相同參數下運行大約 20 年而不改變元件之間的連接，因此設計過程必須確保產品的質量和可靠性。為此，設計過程必須考慮構成線束的部件的質量和制造它們的材料（在產品銷售或已知的國家/地區不得含有和將在未來幾年內被禁止的違禁物質）。

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

確保最佳連接所需的電線直徑；

保護電線的保險絲的口徑（額定值）；

繼電器口徑；

決定在適當情況下使用絞合線而非單線來消除電磁干擾。

布線結構將考慮由集成在車輛上的區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境相對應的溫度等級；

在容易出現高濕度的車輛區域，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；

電線保護措施的選擇將根據線路穿過區域的侵蝕性電位以及裝配所施加的靈活性要求進行；

為了最佳保護、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墊圈，用于固定和形成路徑的塑料零件等）。

設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境的一部分。這是建立線束路徑的階段，模擬線束辯論以預測和防止線束與其他部件接觸時因線束攻擊而導致的未來事件。布線路徑必須符合幾個條件，例如：

通過使用相應的固定元件和線束穿過區域的現有熱狀態施加的保護，消除與具有侵蝕潛力的元件/區域接近所帶來的風險；

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（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致布線發生變化，根據項目的階段，它會產生更高或更低的成本。

在電氣圖和 3D 建模的基礎上，制作了繪制在接線裝配板上的 2D 圖。對于轉盤式裝配線，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。每塊進入流水線組件的板子上都標有相同的圖紙。對于實踐中最常用的動態裝配線類型，詳細闡述了幾個二維圖，對應于裝配過程的特定階段，在構成裝配線的每塊板上制作。

電線束生產工藝

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

預裝配元件的生產；

將線束最終組裝所需的預組裝元件和其他組件存放在專用空間，通常稱為揀選區；

在每個生產周期開始時測試有代表性的樣品。

為了全面了解當今自動化如何應用于線束生產，本文將詳細介紹這些階段。

1? 預制件的制作

這是線束生產自動化程度最高的階段。預裝配元件的生產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組成，用于精度要求特別高的極細同軸電纜。它執行以下操作：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? 半自動剝離機示例和執行的操作

全自動絞線壓接機：這些機器工作精度高，用于對長度較長、截面較小的電線進行特定操作。線束制造商大多使用的自動化絞合壓接機具有模塊化組成，使其更能適應生產要求。如下圖所示，它們可以執行各種任務，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/壓接機進行的操作示例

將全自動壓接機集成到預裝配元件的生產中，顯著提高了生產率，同時降低了成本。這些機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器，在實踐中進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行。這是目前超聲波焊接仍由操作者使用超聲波焊接機實現的主要原因。

熱縮管穿入工段：熱縮管應用于電線上，通常用于保護接頭和壓接區域（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，要進行的操作非常簡單，但必須小心操作，以免損壞設備區域。操作員將管子穿入電線/接頭并將其放在熱風機頂部，同時旋轉組件以均勻分布熱量。

2 組件和預裝元件測試階段

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

測試中心進行的測試類型：

拖鏈測試，

扭轉作用測試，

彎曲測試，

燃燒測試，

耐介質測試。

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

3 動態裝配線上的線束生產

在線束生產過程中自動化和手動過程相結合的方式，可以在動態裝配線的結構中突出顯示。線束裝配線自動化程度低，由操作員進行各種手動操作，例如：

根據印在裝配板上的圖紙定位電線；

將端子穿入連接器；

根據組裝板上印刷的圖紙進行膠帶和保護。

每個裝配工段由以下部分組成：

組裝組件的固定組裝板，每塊板的結構根據其設計的操作而變化；

組件存儲區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，該表專門設計用于對應要測試的線束的架構。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構的情況下接觸連接器插座中的金屬端子。檢查接線涉及執行多種類型的測試：

電氣測試，用于檢查接線連續性，

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計的裝置對杠桿/二次鎖定機構進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；

符合性驗證測試根據電氣圖檢查保險絲和繼電器的存在。

圖 4? 動態裝配線的物流流程

如果發現錯誤，在測試結束時系統打印的標簽上將指定必須進行潤飾。根據缺陷所在的區域，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域的線束和其他固定元件的保護。

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

在測試表明接線可以執行所有功能后，打印確認這一事實的標簽并將其貼在接線上。包裝布線調配也是一個人工過程。完成調配的方式、用于運輸的箱子類型以及箱子中存儲的電線數量由規格與客戶（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中結合。

4 線束裝配流程優化案例研究

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

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：5個緩沖區用于存放元器件，1個緩沖區用于存放測試前的線束，1個緩沖區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。

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，在最后一個工段達到 97.56% 的百分比。

圖 6 換班模擬統計分析

這一事實會影響生產率，導致生產流程堵塞，如下圖所示：

圖 7 ?零件統計：按輪班時間報告

為了優化裝配流程，考慮了三個假設：

第一個假設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。在使用修改后的工作時間進行新的模擬后，數據顯示此變體無法解決堵塞問題；

第二個假設是將“內部允許時間”（生產線供應時間）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，沒有發現任何改進；

第三個假設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率；根據該假設進行模擬后獲得的結果表明，重新分配操作和縮減操作員規模 (OP 13) 可以優化生產流程。

圖 8 優化后的換班模擬統計分析

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

圖 9 ?優化后的零件統計：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，影響生產率的主要因素是作業到工位的分布。高負載工段應由經驗豐富的操作員（具有高度靈活性）提供服務，并且應戰略性地跨線放置，以確保裝配流程的流動性并減少等待時間。

汽車行業線束裝配流程自動化的未來趨勢

盡管在開發可以提高線束生產自動化程度的全自動化機器方面取得了進展，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，以及在車輛開發階段進行的修改，導致了各種各樣的變體，這使得實現線束生產的完全自動化變得特別具有挑戰性。

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

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器示例：

第一個示例是一臺全自動機器 (Zeta 640/650)，它可以執行以下操作：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，將生產時間縮短多達 50 %。它還可以制作不同截面和顏色的線束。此類機器的開發表明了尋找自動化設備并將其集成到揀選區的興趣。

第二個示例是全自動機器 (Omega 745/755)，它執行獲得電線/連接器子組件所需的所有操作，可以減少在總裝線上執行操作的時間和復雜性。根據可用的技術數據，它可以執行以下操作：同時切段、剝皮、密封、穿線和壓接多達 36 根不同的電線（無需更換模塊），將電線穿入外殼并關閉二次鎖連接器外殼。穿入過程由高精度力傳感器監控，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。這些只是用于改進線束生產技術的自動化解決方案的兩個示例，還有許多其他仍處于開發階段的示例，它們肯定會在未來為生產過程增加價值。然而，新開發的技術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。

結論

線束自動化還有更多的研究要做。盡管該領域取得了進展，但仍然需要人工操作，目前還沒有自動化的技術解決方案。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的生產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勢，能夠生產出更高質量、更好成本的產品。

編輯：黃飛

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