閆占輝，劉旦，王征

汽車線束波紋管自動(dòng)加工系統(tǒng)的開發(fā)*

閆占輝，劉旦，王征

（長(zhǎng)春工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，吉林 長(zhǎng)春 130012）

文章開發(fā)了一套配有汽車線束波紋管載料裝置、自動(dòng)送料裝置、自動(dòng)切割裝置和自動(dòng)卸料裝置的自動(dòng)加工線。加工的汽車線束波紋管廢品率小于1%，切割長(zhǎng)度偏差小于5mm。與半自動(dòng)加工方法相比，生產(chǎn)效率明顯提高，現(xiàn)場(chǎng)操作人員明顯減少。該裝置價(jià)格低，自動(dòng)化程度高，廢品率低。

波紋管；自動(dòng)加工；系統(tǒng)；裝置

前言

汽車電路是汽車的重要組成部分，而汽車電路中的功能與信號(hào)的傳遞是靠汽車線束搭橋連接起來的，汽車線束固定于整個(gè)車體上，線束的損壞直接影響汽車電路性能。汽車用低壓電線束技術(shù)條件（QC/T29106-2004）標(biāo)準(zhǔn)中4.11~4.15條款規(guī)定：汽車線束應(yīng)具有耐高低溫性能，耐溫度、濕度循環(huán)變化性能，耐振動(dòng)性能，耐煙霧性能和耐工業(yè)溶劑性能。因此，線束的外保護(hù)起著至關(guān)重要的作用，合理的線束外保護(hù)材料和包扎方式不但可以保證線束品質(zhì)，而且可以降低成本，提高經(jīng)濟(jì)效益[1-2]。

汽車線束用波紋管是由PA（尼龍6）、PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）等材料加熱擠出成型，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備和汽車等行業(yè)，起保護(hù)線束的作用。波紋管工作溫度一般為–40℃~＋130℃，短時(shí)可達(dá)＋140℃。內(nèi)部和外表均為波浪形，具有柔韌性好，抗扭曲，彎曲性能好和耐油性等特點(diǎn)[3-4]。

為使汽車線束用波紋管起到很好的保護(hù)作用，日系車一般在切斷后的波紋管兩端加保護(hù)套，德系車一般要求切斷位置處于波峰中央處[5]。圖1為汽車線束用波紋管主視圖。表1為普通波紋管的規(guī)格和型號(hào)。

目前一些中小型企業(yè)采用半自動(dòng)方法切割德系汽車線束用波紋管，即利用固定的標(biāo)尺確定波紋管的長(zhǎng)度，采用專用模具初步確定波紋管的軸向位置，手工輔助波紋管的軸向定位與夾緊，保證位置基本不變。這種方法需要初調(diào)的時(shí)間長(zhǎng)，廢品數(shù)量多。由于需要手工移動(dòng)波紋管位置，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，工作效率低，廢品率高，生產(chǎn)安全得不到保障。少數(shù)企業(yè)采用德國(guó)產(chǎn)的全自動(dòng)汽車線束用波紋管切割設(shè)備切割效率高，廢品率低，但設(shè)備價(jià)格高[6-7]。因此，急需開發(fā)一種國(guó)產(chǎn)的全自動(dòng)汽車線束用波紋管切割裝備，達(dá)到切割效率高、廢品率低，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，減少材料浪費(fèi)，降低企業(yè)勞動(dòng)力成本，提高企業(yè)效率和效益。

圖1 汽車線束用波紋管主視圖

表1 普通波紋管的規(guī)格和型號(hào)

1 汽車線束波紋管自動(dòng)加工系統(tǒng)的開發(fā)

1.1 汽車線束波紋管自動(dòng)加工系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)

整套汽車線束波紋管全自動(dòng)切割裝置包括載料裝置、自動(dòng)送料裝置、自動(dòng)切割裝置、自動(dòng)排料裝置四部分。自動(dòng)切割裝置是核心裝備。

自動(dòng)切割裝置涉及的主要技術(shù)內(nèi)容包括：波紋管切割位置的準(zhǔn)確定位技術(shù)的理論研究，波紋管自動(dòng)輸送、波紋管切割位置的準(zhǔn)確定位、波紋管的切割、波紋管加工自動(dòng)計(jì)數(shù)等的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、算法實(shí)現(xiàn)和自動(dòng)控制。

（1）波紋管準(zhǔn)確輸送技術(shù)的理論研究包括理論研究方法的選擇、準(zhǔn)確定位技術(shù)的理論分析、準(zhǔn)確定位算法的實(shí)現(xiàn)。

（2）波紋管的自動(dòng)輸送裝置包括波紋管的輸送裝置、定位裝置、夾緊裝置等。

（3）波紋管切割位置的準(zhǔn)確定位技術(shù)包括波紋管位置動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的研究、波紋管位置動(dòng)態(tài)控制元件的選取、波紋管位置動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

1.2 汽車線束波紋管自動(dòng)載料裝置的開發(fā)

汽車線束用波紋管載料裝置：底板下部四角設(shè)有支承座，可隨時(shí)調(diào)整它的高度和水平，底板中間連接有中空長(zhǎng)方體，長(zhǎng)方體每個(gè)側(cè)表面安裝2臺(tái)電機(jī)，電機(jī)連接蝸輪蝸桿減速器，減速器輸出連接回轉(zhuǎn)筒，將出廠的成捆筒狀汽車線束波紋管套在回轉(zhuǎn)筒上，然后軸向固定。其中減速器選擇蝸輪蝸桿減速器，選擇與之匹配的交流電機(jī)。圖2是汽車線束用波紋管載料裝置的三維效果圖。

圖2 汽車線束用波紋管載料裝置三維效果圖

1.3 汽車線束波紋管自動(dòng)送料裝置的開發(fā)

汽車線束用波紋管送料裝置：將勻速松開的波紋管通過槽輪機(jī)構(gòu)調(diào)整其運(yùn)動(dòng)方向，使其能夠依靠自動(dòng)切割裝置被水平拉動(dòng)、且不能出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。在送料裝置立柱的上下有光電開關(guān)，用于檢測(cè)送料裝置運(yùn)送波紋管輸入和輸出的速度，保證合理速度運(yùn)送。其基本結(jié)構(gòu)是：方形底架上中部設(shè)有立柱，立柱上設(shè)有橫梁，立柱底部和橫梁上設(shè)有導(dǎo)向輪，立柱上均勻設(shè)有安裝光電開關(guān)的螺紋孔，用于等距安裝若干個(gè)接近開關(guān)，根據(jù)管材所處的線速限定區(qū)域檢測(cè)波紋管移動(dòng)的速度，從而使得管材的輸送速度與波紋管切割機(jī)牽引管材的速度相協(xié)調(diào)，避免管材被扯壞或扯斷，也可避免管材輸送速度過快，波紋管切割機(jī)牽引速度過慢而導(dǎo)致管材堆積。

動(dòng)作順序：成捆波紋管套在回轉(zhuǎn)筒上→引波紋管至槽輪機(jī)構(gòu)→繞過槽輪機(jī)構(gòu)至波紋管自動(dòng)切割裝置。

汽車線束用波紋管送料裝置簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖3 汽車線束用波紋管送料裝置簡(jiǎn)圖

1.4 汽車線束波紋管自動(dòng)切割裝置的開發(fā)

1.4.1動(dòng)作順序

波紋管夾緊→波紋管輸送→波紋管隨同輸送裝置移動(dòng)到刀具切割位置→機(jī)械定位裝置定位及調(diào)整→位置傳感器檢測(cè)刀具切割位置是否為波峰→若刀具切割對(duì)準(zhǔn)波峰，刀具切割；若刀具切割未對(duì)準(zhǔn)波峰，刀具相對(duì)于波紋管移動(dòng)到正確位置→刀具切割。

1.4.2波紋管夾緊及牽引機(jī)構(gòu)

波紋管引入：采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)齒形帶的方式牽引波紋管，對(duì)于不同直徑的波紋管，采用調(diào)整齒形帶輪間距的方式。波紋管引入后，以一定速度運(yùn)行，運(yùn)動(dòng)到指定位置后，停止運(yùn)動(dòng)。

1.4.3定位及切割結(jié)構(gòu)

位置傳感器檢測(cè)波紋管波峰波谷位置，若位置傳感器未對(duì)中波紋管波峰位置，位置傳感器與刀具切割裝置小幅度（一個(gè)周期內(nèi)）隨動(dòng)，與波紋管波峰波谷位置對(duì)中后，位置傳感器和刀具位置固定不動(dòng)。其基本實(shí)現(xiàn)方式為：位置傳感器與刀具切割裝置相對(duì)位置不變，被切割的波紋管的長(zhǎng)度或直徑發(fā)生變化時(shí)，通過控制程序自動(dòng)調(diào)整位置傳感器與刀具切割裝置的正確性，如果位置不正確，進(jìn)給電機(jī)運(yùn)動(dòng)，調(diào)整切割位置；首先滿足切割到波峰的要求，再滿足切割長(zhǎng)度要求。針對(duì)波紋管準(zhǔn)確定位，采用機(jī)械結(jié)構(gòu)定位和檢測(cè)元件檢測(cè)相結(jié)合的方法。針對(duì)波紋管波峰位置的在線識(shí)別，采用先檢測(cè)后跟蹤、卡爾曼算法和開發(fā)程序相結(jié)合，解決特征檢測(cè)的可靠性。針對(duì)波紋管波峰位置的閉環(huán)控制算法，采用光電編碼器（初步定位）與激光位移傳感器（精確定位）作為測(cè)試元件，實(shí)現(xiàn)基于伺服控制器的位置閉環(huán)控制。圖4為汽車線束用波紋管自動(dòng)切割裝置的主視圖。

圖4 汽車線束用波紋管自動(dòng)切割裝置

1.5 汽車線束波紋管自動(dòng)排料裝置的開發(fā)

波紋管自動(dòng)排料裝置包括傳送裝置、抓取裝置和裝箱臺(tái)。傳送裝置包括傳送機(jī)架和傳送機(jī)構(gòu)，抓取裝置包括抓取機(jī)構(gòu)和機(jī)械臂，裝箱臺(tái)包括裝箱基臺(tái)和裝箱托架。使用時(shí)，被切斷后的波紋管通過縱向輥輪滑到傳送帶的橡膠隔板中間處，通過傳送帶將波紋管送到抓取機(jī)構(gòu)下方，機(jī)械臂中的提升電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，提升機(jī)構(gòu)向下運(yùn)行，至其抓取范圍內(nèi)，抓取驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行，抓取驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)，提升機(jī)構(gòu)向上運(yùn)行，旋轉(zhuǎn)底座旋轉(zhuǎn)至裝箱托盤上方，在裝箱托架上放入專用束管箱。它具有不損傷波紋管、適應(yīng)不同長(zhǎng)度波紋管裝箱要求，速度和效率穩(wěn)定。圖5為汽車線束波紋管自動(dòng)排料裝置。

1-傳送機(jī)架 2-傳送機(jī)構(gòu) 3-抓取機(jī)構(gòu) 4-機(jī)械臂 5-裝箱臺(tái)

2 結(jié)論

（1）針對(duì)波紋管準(zhǔn)確定位，提出將機(jī)械結(jié)構(gòu)定位和檢測(cè)元件檢測(cè)相結(jié)合的方法。針對(duì)波紋管波峰位置的在線識(shí)別，提出采用先檢測(cè)后跟蹤、卡爾曼跟蹤算法和開發(fā)程序相結(jié)合，解決特征檢測(cè)的可靠性。針對(duì)波紋管波峰位置的閉環(huán)控制算法，采用光電編碼器（初步定位）與激光位移傳感器（精確定位）作為測(cè)試元件，基于伺服控制器的位置閉環(huán)控制保證切割波峰。

（2）開發(fā)的汽車線束波紋管切割機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)，它具有上料自動(dòng)、切割自動(dòng)、快速無損輸送、自動(dòng)檢測(cè)、精確定位等功能。采用高精度PLC控制，操作簡(jiǎn)單；采用步進(jìn)電機(jī)雙動(dòng)力送料；激光位移傳感器對(duì)射檢測(cè)，檢測(cè)快速準(zhǔn)確。

[1] 肖聚亮,閻祥安,王國(guó)棟,賈安東.火焰數(shù)控切管機(jī)割炬軌跡研究及仿真[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2005,4:234-238.

[2] 蔡金萍.基于PLC的金屬切割機(jī)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)金屬通報(bào),2018,6:297-298.

[3] 徐鋒,朱健.自動(dòng)切管機(jī)的軟帶式送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)選型[J].機(jī)械管理開發(fā),2018,11:15-16.

[4] 李應(yīng)峰,馬素珍.全自動(dòng)切管機(jī)運(yùn)動(dòng)控制分析[J].山東工業(yè)技術(shù), 2019,6:170-171.

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[6] 凌淑蘭,王明華.旋管式切管機(jī)的設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].煤礦機(jī)械,2009, 2:30-32.

[7] 賓煥南.半自動(dòng)車銑切管機(jī)[J].金屬加工(冷加工),2009,11:59-62.

Development of Automatic Machining System for Automobile Wiring Harness Corrugated Pipe*

Yan Zhanhui, Liu Dan, Wang Zheng

( Engineering Training Center, Changchun Institute of Technology, Jilin Changchun 130012 )

A set of automatic machining line with loading device, automatic feeding device, automatic cutting device and automatic unloading device for automobile wire harness corrugated pipe is developed. The reject rate is less than 1% and the cutting length deviation is less than 5mm. Compared with the semi-automatic machining method, the production efficiency is significantly improved, and the number of field operators is significantly reduced. The device has the advantages of low price, high automation and low reject rate.

Corrugated pipe; Automatic machining; System; Equipment

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.07.038

TP23

A

1671-7988(2021)07-121-03

TP23

A

1671-7988(2021)07-121-03

閆占輝（1968.8-），男，吉林長(zhǎng)春人，教授，就職于長(zhǎng)春工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，主要從事精密制造工藝及裝備的研究。

吉林省產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究與開發(fā)項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：2019C 038-2）。