El proceso sorprendentemente manual de construcción de mazos de cables para automóviles

Oct 10, 2023

Incluso desde los primeros días de la era del automóvil, los automóviles y los 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 al pisar el pedal del freno será mejor 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 prácticamente imposible. Incluso mucho antes de que la electricidad comenzara a convertirse en el combustible preferido para los vehículos, los cables que conectan las computadoras, sensores, actuadores e indicadores necesarios para hacer funcionar los sistemas de un vehículo se volvían cada vez más complicados 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 encerrado en su sistema eléctrico, en comparación con el 30% en 2010.

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

La idea de este artículo surgió de una conversación que tuve con Elliot Williams y de una mención casual de una conversación que tuvo con un ingeniero que fabrica software para diseñar mazos de cables para automóviles. Mi primer pensamiento fue: "¿Existe algún software para hacer eso?" a lo que rápidamente siguió "¡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 mazos 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 mazos de cables también deben poder fabricarse como componentes separados. La fabricación de automóviles y camiones es cada vez más sólo un proceso de ensamblaje final, donde los trabajadores agregan piezas fabricadas por fabricantes contratados al chasis de un vehículo a medida que avanza por la línea. Y, de hecho, los mazos de cables se encuentran entre los primeros componentes agregados al vehículo naciente, lo que es evidencia de su importancia para el producto terminado y también explica lo difícil que puede ser acceder a algunos de ellos si es necesario realizarles mantenimiento más adelante. .

El diseño de un mazo de cables comienza prácticamente de la misma manera que comienza cualquier diseño de circuito complejo: con un esquema. En la mayoría de los vehículos modernos, casi todo habla con uno o más de quizás docenas de módulos de control electrónico, repartidos 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 información y entretenimiento. Se deben diseñar mazos de cables 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 conexiones a tierra adecuadas y asegurándose de que se utilicen los conectores adecuados.

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

La restricción física del arnés plantea otra consideración de diseño importante: la holgura. Es fundamental dejar la cantidad correcta de holgura en cada haz y rama de un mazo 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. Un 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 obstáculos de la carretera o incluso al ser pisado por los pasajeros. La holgura insuficiente también es un problema: los cables que no tienen cierta flexibilidad pueden estirarse y romperse a medida que el bastidor del vehículo se tuerce y flexiona, y los cables que están demasiado apretados pueden dificultar la desconexión de los conectores para realizar reparaciones. Las herramientas EDA de arnés son capaces de calcular la cantidad correcta de holgura para un paquete y de colocar sujetadores y restricciones en el lugar correcto para garantizar que los cables se flexionen lo suficiente, pero no demasiado.

Una vez finalizado el modelo 3D del arnés, el diseño debe traducirse en algo que pueda fabricarse. Y dado que los principales métodos de fabricación utilizados para los mazos de cables se basan en el uso de tablas de clavos (más sobre esto a continuación), el minucioso diseño 3D debe aplanarse nuevamente en un dibujo 2D. CATIA tiene herramientas automatizadas para aplanar, con el resultado final siendo un dibujo 2D que detalla exactamente dónde irá cada cable en un paquete, en qué pin terminará y dónde y qué tipo de accesorios, como clips de retención, ojales. Se añadirán bridas para cables o fundas protectoras contra la abrasión. El resultado del proceso de aplanamiento representa un conjunto completo de instrucciones de trabajo que se pueden enviar a un fabricante contratado.

Con lo automatizada que se ha vuelto casi toda la fabricación, especialmente la de vehículos de motor, donde no son infrecuentes las tiradas de producción de cientos de miles, se podría pensar que la fabricación de mazos de cables debe estar completamente automatizada. Después de todo, ¿cómo podría esperarse que un fabricante subcontratado mantuviera el volumen de arneses que necesita una planta de automóviles moderna, especialmente con metodologías ajustadas y producción justo a tiempo? Seguramente debe haber enormes máquinas CNC que utilizan las instrucciones de trabajo para enrollar los cables y agruparlos todos juntos, ¿verdad?

Equivocado. Después de la fase de diseño, casi toda la fabricación de mazos 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, existen herramientas que ayudan, pero la mayoría de ellas se utilizan para cortar, pelar, terminar y enrollar cables que eventualmente serán utilizados por los trabajadores humanos para construir el arnés, un cable a la vez.

La forma tradicional de construir un mazo de cables es sobre una tabla de clavos. También llamado tablero de forma o tablero de arnés, es esencialmente una gran superficie plana a la que se unen 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 se deben enrutar 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 solo trabajador rara vez fabrica un mazo 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 la placa pase 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 telar.

Son estas habilidades motoras finas las que hacen que la automatización total de la fabricación de mazos de cables sea una propuesta difícil. Pasar 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 realizar ese trabajo por salarios relativamente bajos. Empresas como Yazaki, que actualmente posee alrededor del 30% del mercado mundial de producción de mazos de cables, emplea a cientos de miles de personas en todo el mundo, particularmente 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. Quizás entonces tenga sentido invertir en una automatización total a lo largo de toda la cadena de producción de mazos de cables.