全自动线束端子插入机设计

吴晖辉，曾宪荣，方王进，吴福培

（1.顺德职业技术学院智能制造学院，广东 佛山 528330；2.佛山市鹰野智能科技有限公司，广东 佛山 528332；3.汕头大学机械电子工程系，广东 汕头 515063）

1 引言

线束是在电子电气设备中，连接线路、传送信号的组件。线束的加工涉及到裁剪、剥皮、压着和插入等主要工序，此前大多是采用人工生产或者对某一部分工序自动化生产，最后人工插入和组装[1-3]。但随着产品向精密、小巧方向发展，线材的线径日趋细小，部分线径已经低至0.2mm，人工插入和组装难以为继，因此，全自动端子插入机应运而生。其主要功能是按照工艺流程，选定合适颜色的线材，将其剪断、剥皮后，压着端子并将端子按照一定的顺序插入到连接器的通孔内，是一个典型的集光、机、电、气和自动控制技术于一体的智能装备。目前，送线、剥线、裁剪和压着工艺已经基本实现自动化，但国内还没有成熟的能实现能将多种颜色线材经送线、剥线、裁剪和压着后，插入多种品规连接器内的全自动线束端子压着插入机器[4]，高速高精度的插入机主要依靠进口。文献[5]采用了弹性串联控制器实现了线材插入，但是效率太低，耗时4s才能插入一个pin位，文献[6-7]采用了机械手来实现连接器的对插，其结构复杂大、耗时久。鉴于此，课题组与佛山一家企业合作，历时三年，联合开发了一款完全自主知识产权的高速高精度线束端子插入机（后文简称插入机），文中以该机型为基础，讨论其机械部分设计。

2 插入机整体架构

插入机的工作主要是选择不同颜色的线材经裁切后，压着端子，并按一定的顺序插入到连接器中，由上往下，其工作流程，如图1所示。

图1 插入机工作流程图Fig.1 Work Flow Chart of Terminals Inserting Machine

从工作流程可知，插入机包含的机构非常多，几乎每一个工序都对应着一个机构，按照工作流程和步骤，将整个机械部分依次拆分为若干个分支机构（外观检测部分是静止的，未纳入机构的范畴），如图2所示。按照机构组合形式不同，插入机主要分为转塔型、拱架型两种类型。转塔型插入机采用并行处理的方式组织各个机构，效率高，但是该结构能裁剪的线束长度有限；拱架型插入机按照工作流程串行组织各机构，效率相对较低，但是扩展性好，能胜任更多品规的线材。考虑通用性，我们采用了拱架式，其完整的自动插入架构，如图3所示。

图2 插入机组成机构Fig.2 Mechanisms of Terminals Inserting Machine

图3 插入机整体结构图Fig.3 Overall Structure of Terminals Inserting Machine

按照工作流程，各个执行工序分支机构从后往前依次对称排列，中间用搬线机构穿插衔接。各个机构其执行部分主要依照仿形设计法，模拟人的手工设计外形，实现其功能；驱动部分有电动和气动两种形式，可依据工作要求，选择合适的运动部件。

在各个机构中，选线、裁断和剥皮机构、插入机构和线束连接器送料机构是核心部分，下面重点介绍其设计。

3 插入机主要机构设计

3.1 选线、裁断和剥皮机构

线束产品的规格往往是多变的，就插入的线材数量而言，从两根到二十多根；就颜色而言，从单色到十几种，不一而足。为了能提高机器的通用性，需要能支持多种颜色、多根线材的机构，用户根据需要选择线材颜色、数量和插入顺序。考虑到线材根数太多，会导致机器外型臃肿，根据市场调研结果，文中设计了支持8根线材的选线机构，并将裁剪和剥皮功能集中在一处，能满足市场上主流的线束规格要求。

图4（a）给出了选线、裁断和剥皮机构的结构，包括三个驱动电机，两个滑块、选线模组、裁剪刀和剥皮刀和废料盒等。压线模组包括八个过线通道和八个压线气缸，都安装在滑块上。在预备送线阶段，如图4（b）所示，将八根线材依次放入过线通道中，并用气缸将其压住，露出一点端部；选线时，电机驱动滑块沿Y 向移动，需要裁剪那条线，就将模组中的某条线移动至裁剪位置处，松开压线气缸，拉线装置夹住线材端部将其前后沿X向拉伸至合适长度后，压线气缸又将其压紧；之后裁剪气缸驱动刀具将线材切断，同时剥皮电机驱动剥皮刀具沿正反丝杆合拢，将线材表皮去除，废料掉落进废料盒。剥皮长度电机可以沿X 向调整剥皮长度。

图4 选线、裁断和剥皮机构Fig.4 Wires Selection，Cutting and Stripping Mechanism

确定外形结构后，接着设计并选择各部分运动机构的型号，考虑到精度与寿命要求，整机所选的电机为三菱伺服电机，导轨和丝杠采用的是THK系列型号。限于篇幅，以选线部分为例，简介其设计选型过程。

依据要求，插入线材的最短时间为根/1.8s，压线模组的最大工作行程为138mm，则选线电机最快移动速度Vmax为：

驱动电机最高转速nmax=3000r/min，当电动机与滚珠丝杠副通过联轴器直连时i=1，则滚珠丝杠的导程Ph为：

考虑电机的实际平均转速在2000r/min左右，则导程Ph应大于2mm，结合行程条件，选择Ph值为6mm。从满足负荷、最大加速度和导程等方面考虑，参照THK手册，选择导轨与滚动丝杠的组合模组，其型号为KR2606A-0160-0-10AQ。

经测算整个选线装置总质量为2.82kg，丝杆公称直径为8mm，丝杆长度为288mm，摩擦系数0.005，效率η为0.9，移动速度为4.6m/min，移动时间1.8s，加减速时间为0.2s。通过计算负载惯量和扭矩等参数[8]，确定选线电机的型号为三菱HF-KN13JS100。

3.2 插入机构

插入机构是插入机中最核心的部分，为了让线材端部顺利的插入到连接器的孔洞内，需要对线材做X、Y和Z三个方向的调整。端子插入机构包括Z向安装块、Z向驱动电机、Y向安装板、Y向驱动电机、X向安装板、X向驱动电机、支撑座和装配夹等；X向驱动电机安装在支撑座上，Y向驱动电机安装在X向安装板上，X向安装板设在X向驱动电机上并受X向驱动电机驱动作X向移动，决定待插入端子的左右位置；Y向安装板设在Y向驱动电机上并受Y向驱动电机驱动作Y向移动，决定插入端子的深度；Z向驱动电机安装在Y向安装板上，Z向驱动电机带动Z向安装块在Y向安装板上作Z向移动，决定插入端子的高度，如图5所示。

图5 插入机构Fig.5 Inserting Mechanism

装配夹是插入机构中最精密的部件，装配夹的夹持对象为线材，其受力后表面易发生变形，且夹持力过大容易造成线材弯曲甚至夹伤，而由于线材的插入端尺寸跟连接器内孔尺寸相差较小，假如夹持力过小，则在插入时容易线材受到内孔孔孔壁的阻力与装配夹发生相对滑动。这些都直接影响插入成功与否。因此插入机构的装配夹在夹持线材时应该具有一定的柔顺自适应性[9]，仿照人工手指的夹持动作，设计了装配夹，如图6所示。

图6 装配夹Fig.6 Manipulator

主要包括后端夹及前端夹，均安装在Z向安装块上。后端夹包括右后半夹、左后半夹，两者中间有一个限位块，用来控制半夹并拢后，中间的间隙，以适应不同直径的线材，并调节夹持力；左右两个半夹沿X向相向移动就夹住线材，相背运动就松开线材；为了防止线材前端弯曲，让前端夹托住线材，使其保持水平状态，然后在Y向驱动电机的带动下，将线材插入连接器内孔中。

确定结构后，需要设计驱动部分，前文中已阐述了丝杠、导轨和电机的选型，此处以左后半夹为例，讨论气动元件的设计选型。半夹质量为0.05kg，压着端子后的单根线材质量会随线材的长度和线径尺寸而改变，变化范围为（0.0005～0.006）kg，则总质量的最大值为0.056 kg，所需负载F1：

考虑到驱动力作用的位置是偏心的，与夹子配合的导轨上有偏心的载荷影响，则计算载荷为：

注意到气缸仅仅是夹紧线材，没有惯性力，则负载率η设置为0.75，所需气缸的理论输出力为：

气源工作压力P的范围为（0.3～0.6）MPa，则气缸缸径范围：

即缸径为（1.5～2.2）mm，考虑到线材材质比较软件，且有些材质比较光滑，为保证夹持可靠，需要适当增加夹持力；此外，夹持线材后，在插入连接器时，会碰到内壁而产生阻力，因此，适当增大缸径，根据SMC手册，选择缸径为6mm的CUJ型双作用系列气缸CUJB6-8DM。

3.3 连接器送料机构

连接器送料机构包括进料、定位和排出三个功能。该机构包括翻转电机、Y向推料气缸、Y向推料块、连接器进料道、支撑座、X向推料杆、推料杆连接件、X向推料气缸、连接器夹等部件；支撑座安装在固定工作台上，翻转电机、Y向推料气缸及X向推料气缸均安装在支撑座上，如图7所示。

图7 连接器送料机构Fig.7 Connector Feed Mechanism

供料装置通过震动的方式，让连接器依次进入连接器进料道，然后经X向推料气缸带动X向推料杆将连接器通道的连接器推入到合适位置，之后由设在支撑座的平台上的Y向推料块推动连接器沿Y向移动将连接器推入到连接器夹中等待；之后，插入机构中的机械手夹住线材的端部，然后按照一定的顺序水平的插入到位于连接器夹中连接器的插孔中；当连接器中的所有的插孔中都插满了线材，则连接器夹在翻转电机的驱动下转动90°，并最终排出。

4 样机实验与结果分析

根据设计方案，装配了一台实验样机，样机一侧的实物图片，如图8所示。图8中，左侧的连接器经过振动盘后依次进入送料机构，并被推送至固定位置。而线束从右侧经过拉线机构后，被裁剪和剥皮，然后压着端子并经过检测合格后，送到插入位置，经过插入机构插入连接器内。

图8 实验样机Fig.8 The Experimental Inserting Machine

为了保证高速、频繁操作下的定位精度，运动控制部分采用的三菱伺服电机、驱动器和雷赛的运动控制器，利用IST与STL指令结合，将控制分为手动和自动模式，手动模式分为原点回零和单步点动；自动模式包括单周期和连续运行。其中原点回零用于初始化执行机构的状态，单步点动主要用于设置插入机各工序执行动作的速度、位置、顺序以及其他调试；单步点动设置完成后，即可开始自动模式运行。

基于实验样机，在visual studio 2013开发平台上，研发了插入机软件控制系统，进行了相关的测试，达到的主要技术指标如表1所示。可以加工的线材长度范围为（76～3000）mm，以为加工的线材长度为300mm为例，线材的长度切断精度±0.1mm，剥皮长度定位精度±0.1mm，压着端子重复定位精度为±0.01，插入定位精度±0.1mm，从选线、切断、剥皮、压着端子到最终插入连接器的pin内，其生产节拍为2sec/pin。可以加工的线材中，线径最小的为AWG#30线，剥皮后直径为0.254mm。

表1 插入机性能Tab.1 Performance of Inserting Machine

5 结论

（1）通过分析插入机的功能要求，设计了拱架式全自动线束端子插入机的整体结构，重点阐述了插入机的三个核心组成部分：选线、裁断和剥皮机构、插入机构和线束连接器送料机构的设计。

（2）通过样机实验，成功验证所设计的全自动线束端子插入机，具有精度高、速度快的特点，端子插入速度达到了1800pin/小时以上，剥皮长度精度为±0.1mm，插入定位精度为±0.1mm，可以满足AWG#30号线（剥皮后线径0.254mm）的插入要求，能适应大部分线束的生产要求。