汽车线束波纹管自动加工系统的开发

前言

汽车电路是汽车的重要组成部分，而汽车电路中的功能与信号的传递是靠汽车线束搭桥连接起来的，汽车线束固定于整个车体上，线束的损坏直接影响汽车电路性能。汽车用低压电线束技术条件（QC/T29106-2004）标准中4.11~4.15条款规定：汽车线束应具有耐高低温性能，耐温度、湿度循环变化性能，耐振动性能，耐烟雾性能和耐工业溶剂性能。因此，线束的外保护起着至关重要的作用，合理的线束外保护材料和包扎方式不但可以保证线束品质，而且可以降低成本，提高经济效益。

汽车线束用波纹管是由PA（尼龙6）、PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）等材料加热挤出成型，广泛应用于机械设备和汽车等行业，起保护线束的作用。波纹管工作温度一般为–40℃~＋130℃，短时可达＋140℃。内部和外表均为波浪形，具有柔韧性好，抗扭曲，弯曲性能好和耐油性等特点。

为使汽车线束用波纹管起到很好的保护作用，日系车一般在切断后的波纹管两端加保护套，德系车一般要求切断位置处于波峰中央处。图1 为汽车线束用波纹管主视图。表1 为普通波纹管的规格和型号。

目前一些中小型企业采用半自动方法切割德系汽车线束用波纹管，即利用固定的标尺确定波纹管的长度，采用专用模具初步确定波纹管的轴向位置，手工辅助波纹管的轴向定位与夹紧，保证位置基本不变。这种方法需要初调的时间长，废品数量多。由于需要手工移动波纹管位置，工人劳动强度大，工作效率低，废品率高，生产安全得不到保障。少数企业采用德国产的全自动汽车线束用波纹管切割设备切割效率高，废品率低，但设备价格高。因此，急需开发一种国产的全自动汽车线束用波纹管切割装备，达到切割效率高、废品率低，实现自动化生产，减少材料浪费，降低企业劳动力成本，提高企业效率和效益。

图1 汽车线束用波纹管主视图

表1 普通波纹管的规格和型号 

1 汽车线束波纹管自动加工系统的开发

1.1 汽车线束波纹管自动加工系统开发技术

整套汽车线束波纹管全自动切割装置包括载料装置、自动送料装置、自动切割装置、自动排料装置四部分。自动切割装置是核心装备。

自动切割装置涉及的主要技术内容包括：波纹管切割位置的准确定位技术的理论研究，波纹管自动输送、波纹管切割位置的准确定位、波纹管的切割、波纹管加工自动计数等的机械结构设计、算法实现和自动控制。

（1）波纹管准确输送技术的理论研究包括理论研究方法的选择、准确定位技术的理论分析、准确定位算法的实现。

（2）波纹管的自动输送装置包括波纹管的输送装置、定位装置、夹紧装置等。

（3）波纹管切割位置的准确定位技术包括波纹管位置动态控制技术的研究、波纹管位置动态控制元件的选取、波纹管位置动态控制系统的设计。

1.2 汽车线束波纹管自动载料装置的开发

汽车线束用波纹管载料装置：底板下部四角设有支承座，可随时调整它的高度和水平，底板中间连接有中空长方体，长方体每个侧表面安装2 台电机，电机连接蜗轮蜗杆减速器，减速器输出连接回转筒，将出厂的成捆筒状汽车线束波纹管套在回转筒上，然后轴向固定。其中减速器选择蜗轮蜗杆减速器，选择与之匹配的交流电机。图2 是汽车线束用波纹管载料装置的三维效果图。

图2 汽车线束用波纹管载料装置三维效果图

1.3 汽车线束波纹管自动送料装置的开发

汽车线束用波纹管送料装置：将匀速松开的波纹管通过槽轮机构调整其运动方向，使其能够依靠自动切割装置被水平拉动、且不能出现卡死现象。在送料装置立柱的上下有光电开关，用于检测送料装置运送波纹管输入和输出的速度，保证合理速度运送。其基本结构是：方形底架上中部设有立柱，立柱上设有横梁，立柱底部和横梁上设有导向轮，立柱上均匀设有安装光电开关的螺纹孔，用于等距安装若干个接近开关，根据管材所处的线速限定区域检测波纹管移动的速度，从而使得管材的输送速度与波纹管切割机牵引管材的速度相协调，避免管材被扯坏或扯断，也可避免管材输送速度过快，波纹管切割机牵引速度过慢而导致管材堆积。

动作顺序：成捆波纹管套在回转筒上→引波纹管至槽轮机构→绕过槽轮机构至波纹管自动切割装置。汽车线束用波纹管送料装置简图如图3 所示。

图3 汽车线束用波纹管送料装置简图

1.4 汽车线束波纹管自动切割装置的开发

1.4.1 动作顺序

波纹管夹紧→波纹管输送→波纹管随同输送装置移动到刀具切割位置→机械定位装置定位及调整→位置传感器检测刀具切割位置是否为波峰→若刀具切割对准波峰，刀具切割；若刀具切割未对准波峰，刀具相对于波纹管移动到正确位置→刀具切割。

1.4.2 波纹管夹紧及牵引机构

波纹管引入：采用步进电机带动齿形带的方式牵引波纹管，对于不同直径的波纹管，采用调整齿形带轮间距的方式。波纹管引入后，以一定速度运行，运动到指定位置后，停止运动。

1.4.3 定位及切割结构

位置传感器检测波纹管波峰波谷位置，若位置传感器未对中波纹管波峰位置，位置传感器与刀具切割装置小幅度（一个周期内）随动，与波纹管波峰波谷位置对中后，位置传感器和刀具位置固定不动。其基本实现方式为：位置传感器与刀具切割装置相对位置不变，被切割的波纹管的长度或直径发生变化时，通过控制程序自动调整位置传感器与刀具切割装置的正确性，如果位置不正确，进给电机运动，调整切割位置；首先满足切割到波峰的要求，再满足切割长度要求。针对波纹管准确定位，采用机械结构定位和检测元件检测相结合的方法。针对波纹管波峰位置的在线识别，采用先检测后跟踪、卡尔曼算法和开发程序相结合，解决特征检测的可靠性。针对波纹管波峰位置的闭环控制算法，采用光电编码器（初步定位）与激光位移传感器（精确定位）作为测试元件，实现基于伺服控制器的位置闭环控制。图4 为汽车线束用波纹管自动切割装置的主视图。

图4 汽车线束用波纹管自动切割装置

1.5 汽车线束波纹管自动排料装置的开发

波纹管自动排料装置包括传送装置、抓取装置和装箱台。传送装置包括传送机架和传送机构，抓取装置包括抓取机构和机械臂，装箱台包括装箱基台和装箱托架。使用时，被切断后的波纹管通过纵向辊轮滑到传送带的橡胶隔板中间处，通过传送带将波纹管送到抓取机构下方，机械臂中的提升电机驱动丝杠旋转，提升机构向下运行，至其抓取范围内，抓取驱动电机运行，抓取驱动电机通过传动装置转动，提升机构向上运行，旋转底座旋转至装箱托盘上方，在装箱托架上放入专用束管箱。它具有不损伤波纹管、适应不同长度波纹管装箱要求，速度和效率稳定。图5 为汽车线束波纹管自动排料装置。

1-传送机架 2-传送机构 3-抓取机构 4-机械臂 5-装箱台

图5 汽车线束波纹管自动排料装置

2 结论

（1）针对波纹管准确定位，提出将机械结构定位和检测元件检测相结合的方法。针对波纹管波峰位置的在线识别，提出采用先检测后跟踪、卡尔曼跟踪算法和开发程序相结合，解决特征检测的可靠性。针对波纹管波峰位置的闭环控制算法，采用光电编码器（初步定位）与激光位移传感器（精确定位）作为测试元件，基于伺服控制器的位置闭环控制保证切割波峰。

（2）开发的汽车线束波纹管切割机自动控制系统，它具有上料自动、切割自动、快速无损输送、自动检测、精确定位等功能。采用高精度PLC 控制，操作简单；采用步进电机双动力送料；激光位移传感器对射检测，检测快速准确。

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