El proceso sorprendentemente manual de construcción de arneses de cables automotrices

Incluso desde los primeros días de la era del automóvil, los automóviles y camiones han sido híbridos de diseño mecánico y eléctrico. Por cada pistón que se desliza hacia arriba y hacia abajo en un cilindro, hay una bujía que debe encenderse en el momento justo para que el motor funcione, y es mejor que pisar el pedal del freno haga que las luces de freno se enciendan al mismo tiempo. la presión hidráulica aprieta los rotores de las ruedas entre las pastillas de freno.

Sin conexiones eléctricas, un vehículo de motor útil es una imposibilidad práctica. Incluso mucho antes de que la electricidad comenzara a convertirse en el combustible elegido por los vehículos, los cables que conectan las computadoras, los sensores, los actuadores y los indicadores necesarios para hacer funcionar los sistemas de un vehículo se complicaban cada vez más cada año. Después del motor y el chasis, el cableado y la electrónica de un automóvil son el tercer componente más caro, y se estima que para 2030, la mitad del costo promedio de un vehículo estará bloqueado en su sistema eléctrico, frente al 30% en 2010.

Asegurarse de que todas esas señales lleguen a donde van, y hacerlo de una manera segura y confiable, es el trabajo de los arneses de cables de un vehículo, los haces de cables que aparentemente ocupan todas las áreas posibles de un automóvil moderno. El diseño y la fabricación de arneses de cables es un proceso complejo que depende de un software especializado, un grado de automatización y una cantidad sorprendente de mano de obra.

La idea de este artículo surgió de una conversación que tuve con Elliot Williams y una mención casual de una conversación que tuvo con un ingeniero que crea software para diseñar arneses de cables para automóviles. Mi primer pensamiento fue: "¿Hay software para hacer eso?" que fue seguido rápidamente por "¡Por supuesto que hay software para hacer eso!". El cableado necesario para hacer funcionar un vehículo moderno no es algo que se pueda hacer ad hoc: los arneses de cables están altamente diseñados, tanto para manejar las demandas que se les impondrán eléctricamente como mecánicamente para no solo caber en el espacio disponible sino también para sobrevivir a los rigores de quizás varias décadas de uso en condiciones ambientales desafiantes.

Los arneses de cables también deben poder fabricarse como componentes separados. La fabricación de automóviles y camiones es cada vez más solo un proceso de ensamblaje final, donde los trabajadores agregan piezas fabricadas por fabricantes contratados al marco de un vehículo a medida que avanza en la línea. Y, de hecho, los arneses de cables se encuentran entre los primeros componentes agregados al vehículo naciente, lo que es evidencia de su importancia para el producto terminado y explica cuán difícil puede ser acceder a algunos de ellos si necesitan servicio más adelante. .

El diseño de un arnés de cables comienza de la misma manera que comienza cualquier diseño de circuito complejo: con un esquema. En la mayoría de los vehículos modernos, prácticamente todo se comunica con uno o más de quizás docenas de módulos de control electrónico, dispersos por todo el vehículo para controlar todo, desde el tiempo de encendido y la inyección de combustible hasta los controles HVAC y la configuración del sistema de infoentretenimiento. Los arneses de cables deben diseñarse para cada ECM, para proporcionar conexiones de alimentación y datos a cada sensor y actuador, teniendo en cuenta el tamaño del cable para la carga, proporcionando las conexiones a tierra adecuadas y asegurándose de que se utilicen los conectores adecuados.

Si bien el proceso de diseño inicial de un arnés de cables puede utilizar herramientas EDA más o menos estándar, eventualmente la representación esquemática bidimensional del arnés debe traducirse a la estructura tridimensional del vehículo. Para ese trabajo, se emplean herramientas EDA y CAD más especializadas. Un gran jugador en este mundo parece ser CATIA de Dassault Systèmes, que tiene las herramientas necesarias no solo para crear el esquema 2D sino también para traducirlo al espacio 3D del chasis de un vehículo. Estas herramientas le permiten al diseñador crear paquetes de cables, agregar conectores, definir ramificaciones fuera del paquete principal, establecer las rutas sobre las cuales se colocará cada paquete y buscar cualquier conflicto entre el arnés y el resto de la estructura del vehículo. . También permiten que el diseñador especifique cómo se unirán los cables (envoltura de cinta versus telar de cables, por ejemplo) y dónde y cómo se conectará el arnés al vehículo.

La restricción física del arnés trae a colación otra consideración de diseño importante: la holgura. Es fundamental generar la cantidad correcta de holgura en cada paquete y rama de un arnés de cables. Demasiada holgura es un desperdicio, tanto en términos del cobre necesario para el cable adicional como en términos de menor eficiencia de combustible gracias al peso adicional. El exceso de holgura también puede provocar daños físicos en el arnés debido a la abrasión en la carrocería del vehículo o en los miembros del bastidor, o al engancharse en los peligros de la carretera o incluso al ser pisado por los pasajeros. La holgura insuficiente también es un problema: los cables que no tienen algo de flexibilidad pueden estirarse y romperse a medida que el chasis del vehículo se retuerce y se flexiona, y los cables que están demasiado apretados pueden dificultar la desconexión de los conectores para su reparación. Las herramientas Harness EDA son capaces de calcular la cantidad correcta de holgura para un paquete y de colocar sujetadores y restricciones en el lugar correcto para asegurarse de que los cables se flexionen lo suficiente, pero no demasiado.

Una vez que se finaliza el modelo 3D del arnés, el diseño debe traducirse en algo que se pueda fabricar. Y dado que los principales métodos de fabricación utilizados para los arneses de cables se basan en el uso de tablas de clavos, más sobre esto a continuación, el minucioso diseño 3D debe volver a aplanarse en un dibujo 2D. CATIA tiene herramientas automatizadas para aplanar, con el resultado final de un dibujo 2D que detalla exactamente dónde irá cada cable en un paquete, en qué pin en qué conector terminará y dónde y qué tipo de accesorios, como clips de retención, ojales , se agregarán bridas para cables o manguitos de protección contra la abrasión. El resultado del proceso de aplanamiento representa un conjunto completo de instrucciones de trabajo que se pueden enviar a un fabricante por contrato.

Con lo automatizada que se ha vuelto casi toda la fabricación, especialmente para los vehículos de motor, donde no son infrecuentes las series de producción de cientos de miles, uno pensaría que la fabricación de arneses de cables debe estar completamente automatizada. Después de todo, ¿cómo se puede esperar que un fabricante por contrato se mantenga al día con el volumen de arneses que necesita una planta de automóviles moderna, especialmente con metodologías esbeltas y producción justo a tiempo? Seguramente debe haber máquinas CNC masivas que usen las instrucciones de trabajo para enrollar cables y agruparlos, ¿verdad?

Equivocado. Después de la fase de diseño, casi toda la fabricación de arneses de cables es estrictamente una empresa práctica. Resulta que la destreza humana y la coordinación ojo-mano son realmente difíciles de igualar con los robots. Las plantas de mazos de cables emplean a miles de trabajadores para ensamblar a mano casi todas las piezas de un mazo de cables. Sí, hay herramientas para ayudar, pero la mayoría de ellas se usan para cortar, pelar, terminar y enrollar el cable que eventualmente usarán los trabajadores humanos para construir el arnés, un cable a la vez.

La forma tradicional de construir un arnés de cables es sobre una tabla de clavos. También llamada placa de forma o placa de arnés, es esencialmente una gran superficie plana a la que se adjunta una variedad de accesorios para sujetar temporalmente cables y conectores. Los accesorios están dispuestos para representar el diseño aplanado del arnés, y las instrucciones impresas en el tablero muestran qué cables deben enrutarse y dónde. Las tablas generalmente se trabajan verticalmente, inclinándose hacia atrás en un ligero ángulo para evitar que los cables se caigan antes de asegurarlos.

Un trabajador rara vez fabrica un arnés de cables completo. En cambio, una cadena de tablas de clavos idénticas se enrolla alrededor del piso de la fábrica en un carrusel motorizado, moviéndose lenta y constantemente de un trabajador a otro. Cada trabajador agrega un conjunto específico de cables al arnés en crecimiento antes de que el tablero se mueva al siguiente trabajador con un conjunto diferente de tareas. Además de colocar los cables, algunos trabajadores son responsables de asegurar los paquetes con bridas para cables, agregar fundas protectoras o envolver las partes del paquete con cinta de telar.

Son estas habilidades motoras finas las que hacen que la automatización completa de la fabricación de arneses de cables sea una propuesta difícil. Enhebrar cables a través de un telar de alambre de plástico es una tarea trivial para la mayoría de los humanos, pero sería difícil construir un robot para hacerlo. Sin embargo, vale la pena señalar que esto es cierto principalmente porque hay muchas personas dispuestas a hacer ese trabajo por salarios relativamente bajos. Empresas como Yazaki, que actualmente tiene alrededor del 30 % del mercado mundial de producción de arneses de cables, emplean a cientos de miles de personas en todo el mundo, especialmente en áreas en desarrollo. Las fuerzas económicas actualmente favorecen la continuación de este modelo, pero como hemos visto una y otra vez, eventualmente todos quieren poder comprar las cosas que están haciendo para otras personas, por lo que la oferta de trabajadores dispuestos a hacer este tipo de trabajo para salarios bajos es limitada. Tal vez entonces tenga sentido invertir en la automatización completa en toda la cadena de producción de arneses de cables.