全自動(dòng)線束端子插入機(jī)設(shè)計(jì)

吳暉輝，曾憲榮，方王進(jìn)，吳福培

（1.順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣東 佛山 528330；2.佛山市鷹野智能科技有限公司，廣東 佛山 528332；3.汕頭大學(xué)機(jī)械電子工程系，廣東 汕頭 515063）

1 引言

線束是在電子電氣設(shè)備中，連接線路、傳送信號(hào)的組件。線束的加工涉及到裁剪、剝皮、壓著和插入等主要工序，此前大多是采用人工生產(chǎn)或者對(duì)某一部分工序自動(dòng)化生產(chǎn)，最后人工插入和組裝[1-3]。但隨著產(chǎn)品向精密、小巧方向發(fā)展，線材的線徑日趨細(xì)小，部分線徑已經(jīng)低至0.2mm，人工插入和組裝難以為繼，因此，全自動(dòng)端子插入機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。其主要功能是按照工藝流程，選定合適顏色的線材，將其剪斷、剝皮后，壓著端子并將端子按照一定的順序插入到連接器的通孔內(nèi)，是一個(gè)典型的集光、機(jī)、電、氣和自動(dòng)控制技術(shù)于一體的智能裝備。目前，送線、剝線、裁剪和壓著工藝已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但國(guó)內(nèi)還沒(méi)有成熟的能實(shí)現(xiàn)能將多種顏色線材經(jīng)送線、剝線、裁剪和壓著后，插入多種品規(guī)連接器內(nèi)的全自動(dòng)線束端子壓著插入機(jī)器[4]，高速高精度的插入機(jī)主要依靠進(jìn)口。文獻(xiàn)[5]采用了彈性串聯(lián)控制器實(shí)現(xiàn)了線材插入，但是效率太低，耗時(shí)4s才能插入一個(gè)pin位，文獻(xiàn)[6-7]采用了機(jī)械手來(lái)實(shí)現(xiàn)連接器的對(duì)插，其結(jié)構(gòu)復(fù)雜大、耗時(shí)久。鑒于此，課題組與佛山一家企業(yè)合作，歷時(shí)三年，聯(lián)合開發(fā)了一款完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高速高精度線束端子插入機(jī)（后文簡(jiǎn)稱插入機(jī)），文中以該機(jī)型為基礎(chǔ)，討論其機(jī)械部分設(shè)計(jì)。

2 插入機(jī)整體架構(gòu)

插入機(jī)的工作主要是選擇不同顏色的線材經(jīng)裁切后，壓著端子，并按一定的順序插入到連接器中，由上往下，其工作流程，如圖1所示。

圖1 插入機(jī)工作流程圖Fig.1 Work Flow Chart of Terminals Inserting Machine

從工作流程可知，插入機(jī)包含的機(jī)構(gòu)非常多，幾乎每一個(gè)工序都對(duì)應(yīng)著一個(gè)機(jī)構(gòu)，按照工作流程和步驟，將整個(gè)機(jī)械部分依次拆分為若干個(gè)分支機(jī)構(gòu)（外觀檢測(cè)部分是靜止的，未納入機(jī)構(gòu)的范疇），如圖2所示。按照機(jī)構(gòu)組合形式不同，插入機(jī)主要分為轉(zhuǎn)塔型、拱架型兩種類型。轉(zhuǎn)塔型插入機(jī)采用并行處理的方式組織各個(gè)機(jī)構(gòu)，效率高，但是該結(jié)構(gòu)能裁剪的線束長(zhǎng)度有限；拱架型插入機(jī)按照工作流程串行組織各機(jī)構(gòu)，效率相對(duì)較低，但是擴(kuò)展性好，能勝任更多品規(guī)的線材。考慮通用性，我們采用了拱架式，其完整的自動(dòng)插入架構(gòu)，如圖3所示。

圖2 插入機(jī)組成機(jī)構(gòu)Fig.2 Mechanisms of Terminals Inserting Machine

圖3 插入機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Overall Structure of Terminals Inserting Machine

按照工作流程，各個(gè)執(zhí)行工序分支機(jī)構(gòu)從后往前依次對(duì)稱排列，中間用搬線機(jī)構(gòu)穿插銜接。各個(gè)機(jī)構(gòu)其執(zhí)行部分主要依照仿形設(shè)計(jì)法，模擬人的手工設(shè)計(jì)外形，實(shí)現(xiàn)其功能；驅(qū)動(dòng)部分有電動(dòng)和氣動(dòng)兩種形式，可依據(jù)工作要求，選擇合適的運(yùn)動(dòng)部件。

在各個(gè)機(jī)構(gòu)中，選線、裁斷和剝皮機(jī)構(gòu)、插入機(jī)構(gòu)和線束連接器送料機(jī)構(gòu)是核心部分，下面重點(diǎn)介紹其設(shè)計(jì)。

3 插入機(jī)主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 選線、裁斷和剝皮機(jī)構(gòu)

線束產(chǎn)品的規(guī)格往往是多變的，就插入的線材數(shù)量而言，從兩根到二十多根；就顏色而言，從單色到十幾種，不一而足。為了能提高機(jī)器的通用性，需要能支持多種顏色、多根線材的機(jī)構(gòu)，用戶根據(jù)需要選擇線材顏色、數(shù)量和插入順序?？紤]到線材根數(shù)太多，會(huì)導(dǎo)致機(jī)器外型臃腫，根據(jù)市場(chǎng)調(diào)研結(jié)果，文中設(shè)計(jì)了支持8根線材的選線機(jī)構(gòu)，并將裁剪和剝皮功能集中在一處，能滿足市場(chǎng)上主流的線束規(guī)格要求。

圖4（a）給出了選線、裁斷和剝皮機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，包括三個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，兩個(gè)滑塊、選線模組、裁剪刀和剝皮刀和廢料盒等。壓線模組包括八個(gè)過(guò)線通道和八個(gè)壓線氣缸，都安裝在滑塊上。在預(yù)備送線階段，如圖4（b）所示，將八根線材依次放入過(guò)線通道中，并用氣缸將其壓住，露出一點(diǎn)端部；選線時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)滑塊沿Y 向移動(dòng)，需要裁剪那條線，就將模組中的某條線移動(dòng)至裁剪位置處，松開壓線氣缸，拉線裝置夾住線材端部將其前后沿X向拉伸至合適長(zhǎng)度后，壓線氣缸又將其壓緊；之后裁剪氣缸驅(qū)動(dòng)刀具將線材切斷，同時(shí)剝皮電機(jī)驅(qū)動(dòng)剝皮刀具沿正反絲桿合攏，將線材表皮去除，廢料掉落進(jìn)廢料盒。剝皮長(zhǎng)度電機(jī)可以沿X 向調(diào)整剝皮長(zhǎng)度。

圖4 選線、裁斷和剝皮機(jī)構(gòu)Fig.4 Wires Selection，Cutting and Stripping Mechanism

確定外形結(jié)構(gòu)后，接著設(shè)計(jì)并選擇各部分運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的型號(hào)，考慮到精度與壽命要求，整機(jī)所選的電機(jī)為三菱伺服電機(jī)，導(dǎo)軌和絲杠采用的是THK系列型號(hào)。限于篇幅，以選線部分為例，簡(jiǎn)介其設(shè)計(jì)選型過(guò)程。

依據(jù)要求，插入線材的最短時(shí)間為根/1.8s，壓線模組的最大工作行程為138mm，則選線電機(jī)最快移動(dòng)速度Vmax為：

驅(qū)動(dòng)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax=3000r/min，當(dāng)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠副通過(guò)聯(lián)軸器直連時(shí)i=1，則滾珠絲杠的導(dǎo)程Ph為：

考慮電機(jī)的實(shí)際平均轉(zhuǎn)速在2000r/min左右，則導(dǎo)程Ph應(yīng)大于2mm，結(jié)合行程條件，選擇Ph值為6mm。從滿足負(fù)荷、最大加速度和導(dǎo)程等方面考慮，參照THK手冊(cè)，選擇導(dǎo)軌與滾動(dòng)絲杠的組合模組，其型號(hào)為KR2606A-0160-0-10AQ。

經(jīng)測(cè)算整個(gè)選線裝置總質(zhì)量為2.82kg，絲桿公稱直徑為8mm，絲桿長(zhǎng)度為288mm，摩擦系數(shù)0.005，效率η為0.9，移動(dòng)速度為4.6m/min，移動(dòng)時(shí)間1.8s，加減速時(shí)間為0.2s。通過(guò)計(jì)算負(fù)載慣量和扭矩等參數(shù)[8]，確定選線電機(jī)的型號(hào)為三菱HF-KN13JS100。

3.2 插入機(jī)構(gòu)

插入機(jī)構(gòu)是插入機(jī)中最核心的部分，為了讓線材端部順利的插入到連接器的孔洞內(nèi)，需要對(duì)線材做X、Y和Z三個(gè)方向的調(diào)整。端子插入機(jī)構(gòu)包括Z向安裝塊、Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)、Y向安裝板、Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)、X向安裝板、X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)、支撐座和裝配夾等；X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在支撐座上，Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在X向安裝板上，X向安裝板設(shè)在X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)上并受X向驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作X向移動(dòng)，決定待插入端子的左右位置；Y向安裝板設(shè)在Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)上并受Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)作Y向移動(dòng)，決定插入端子的深度；Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在Y向安裝板上，Z向驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)Z向安裝塊在Y向安裝板上作Z向移動(dòng)，決定插入端子的高度，如圖5所示。

圖5 插入機(jī)構(gòu)Fig.5 Inserting Mechanism

裝配夾是插入機(jī)構(gòu)中最精密的部件，裝配夾的夾持對(duì)象為線材，其受力后表面易發(fā)生變形，且夾持力過(guò)大容易造成線材彎曲甚至夾傷，而由于線材的插入端尺寸跟連接器內(nèi)孔尺寸相差較小，假如夾持力過(guò)小，則在插入時(shí)容易線材受到內(nèi)孔孔孔壁的阻力與裝配夾發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。這些都直接影響插入成功與否。因此插入機(jī)構(gòu)的裝配夾在夾持線材時(shí)應(yīng)該具有一定的柔順自適應(yīng)性[9]，仿照人工手指的夾持動(dòng)作，設(shè)計(jì)了裝配夾，如圖6所示。

圖6 裝配夾Fig.6 Manipulator

主要包括后端夾及前端夾，均安裝在Z向安裝塊上。后端夾包括右后半夾、左后半夾，兩者中間有一個(gè)限位塊，用來(lái)控制半夾并攏后，中間的間隙，以適應(yīng)不同直徑的線材，并調(diào)節(jié)夾持力；左右兩個(gè)半夾沿X向相向移動(dòng)就夾住線材，相背運(yùn)動(dòng)就松開線材；為了防止線材前端彎曲，讓前端夾托住線材，使其保持水平狀態(tài)，然后在Y向驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下，將線材插入連接器內(nèi)孔中。

確定結(jié)構(gòu)后，需要設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)部分，前文中已闡述了絲杠、導(dǎo)軌和電機(jī)的選型，此處以左后半夾為例，討論氣動(dòng)元件的設(shè)計(jì)選型。半夾質(zhì)量為0.05kg，壓著端子后的單根線材質(zhì)量會(huì)隨線材的長(zhǎng)度和線徑尺寸而改變，變化范圍為（0.0005～0.006）kg，則總質(zhì)量的最大值為0.056 kg，所需負(fù)載F1：

考慮到驅(qū)動(dòng)力作用的位置是偏心的，與夾子配合的導(dǎo)軌上有偏心的載荷影響，則計(jì)算載荷為：

注意到氣缸僅僅是夾緊線材，沒(méi)有慣性力，則負(fù)載率η設(shè)置為0.75，所需氣缸的理論輸出力為：

氣源工作壓力P的范圍為（0.3～0.6）MPa，則氣缸缸徑范圍：

即缸徑為（1.5～2.2）mm，考慮到線材材質(zhì)比較軟件，且有些材質(zhì)比較光滑，為保證夾持可靠，需要適當(dāng)增加夾持力；此外，夾持線材后，在插入連接器時(shí)，會(huì)碰到內(nèi)壁而產(chǎn)生阻力，因此，適當(dāng)增大缸徑，根據(jù)SMC手冊(cè)，選擇缸徑為6mm的CUJ型雙作用系列氣缸CUJB6-8DM。

3.3 連接器送料機(jī)構(gòu)

連接器送料機(jī)構(gòu)包括進(jìn)料、定位和排出三個(gè)功能。該機(jī)構(gòu)包括翻轉(zhuǎn)電機(jī)、Y向推料氣缸、Y向推料塊、連接器進(jìn)料道、支撐座、X向推料桿、推料桿連接件、X向推料氣缸、連接器夾等部件；支撐座安裝在固定工作臺(tái)上，翻轉(zhuǎn)電機(jī)、Y向推料氣缸及X向推料氣缸均安裝在支撐座上，如圖7所示。

圖7 連接器送料機(jī)構(gòu)Fig.7 Connector Feed Mechanism

供料裝置通過(guò)震動(dòng)的方式，讓連接器依次進(jìn)入連接器進(jìn)料道，然后經(jīng)X向推料氣缸帶動(dòng)X向推料桿將連接器通道的連接器推入到合適位置，之后由設(shè)在支撐座的平臺(tái)上的Y向推料塊推動(dòng)連接器沿Y向移動(dòng)將連接器推入到連接器夾中等待；之后，插入機(jī)構(gòu)中的機(jī)械手夾住線材的端部，然后按照一定的順序水平的插入到位于連接器夾中連接器的插孔中；當(dāng)連接器中的所有的插孔中都插滿了線材，則連接器夾在翻轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)90°，并最終排出。

4 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，裝配了一臺(tái)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)一側(cè)的實(shí)物圖片，如圖8所示。圖8中，左側(cè)的連接器經(jīng)過(guò)振動(dòng)盤后依次進(jìn)入送料機(jī)構(gòu)，并被推送至固定位置。而線束從右側(cè)經(jīng)過(guò)拉線機(jī)構(gòu)后，被裁剪和剝皮，然后壓著端子并經(jīng)過(guò)檢測(cè)合格后，送到插入位置，經(jīng)過(guò)插入機(jī)構(gòu)插入連接器內(nèi)。

圖8 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)Fig.8 The Experimental Inserting Machine

為了保證高速、頻繁操作下的定位精度，運(yùn)動(dòng)控制部分采用的三菱伺服電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器和雷賽的運(yùn)動(dòng)控制器，利用IST與STL指令結(jié)合，將控制分為手動(dòng)和自動(dòng)模式，手動(dòng)模式分為原點(diǎn)回零和單步點(diǎn)動(dòng)；自動(dòng)模式包括單周期和連續(xù)運(yùn)行。其中原點(diǎn)回零用于初始化執(zhí)行機(jī)構(gòu)的狀態(tài)，單步點(diǎn)動(dòng)主要用于設(shè)置插入機(jī)各工序執(zhí)行動(dòng)作的速度、位置、順序以及其他調(diào)試；單步點(diǎn)動(dòng)設(shè)置完成后，即可開始自動(dòng)模式運(yùn)行。

基于實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在visual studio 2013開發(fā)平臺(tái)上，研發(fā)了插入機(jī)軟件控制系統(tǒng)，進(jìn)行了相關(guān)的測(cè)試，達(dá)到的主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示?？梢约庸さ木€材長(zhǎng)度范圍為（76～3000）mm，以為加工的線材長(zhǎng)度為300mm為例，線材的長(zhǎng)度切斷精度±0.1mm，剝皮長(zhǎng)度定位精度±0.1mm，壓著端子重復(fù)定位精度為±0.01，插入定位精度±0.1mm，從選線、切斷、剝皮、壓著端子到最終插入連接器的pin內(nèi)，其生產(chǎn)節(jié)拍為2sec/pin?？梢约庸さ木€材中，線徑最小的為AWG#30線，剝皮后直徑為0.254mm。

表1 插入機(jī)性能Tab.1 Performance of Inserting Machine

5 結(jié)論

（1）通過(guò)分析插入機(jī)的功能要求，設(shè)計(jì)了拱架式全自動(dòng)線束端子插入機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，重點(diǎn)闡述了插入機(jī)的三個(gè)核心組成部分：選線、裁斷和剝皮機(jī)構(gòu)、插入機(jī)構(gòu)和線束連接器送料機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

（2）通過(guò)樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，成功驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的全自動(dòng)線束端子插入機(jī)，具有精度高、速度快的特點(diǎn)，端子插入速度達(dá)到了1800pin/小時(shí)以上，剝皮長(zhǎng)度精度為±0.1mm，插入定位精度為±0.1mm，可以滿足AWG#30號(hào)線（剝皮后線徑0.254mm）的插入要求，能適應(yīng)大部分線束的生產(chǎn)要求。