機電一體化技術(shù)在汽車智能制造中的運用

胡希偉 趙宇飛

摘要：隨著汽車智能化進(jìn)程的顯著加快，汽車智能輔助駕駛、主動安全、自動駕駛，乃至于智能網(wǎng)聯(lián)等已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展的前沿必然趨勢。因此為了適應(yīng)汽車智能化的進(jìn)程，并滿足不斷提高的產(chǎn)品質(zhì)量需求以及產(chǎn)品開發(fā)周期的快速迭代，汽車智能制造產(chǎn)品的研發(fā)目前正承受著來自各方的壓力。如何快速的推出滿足市場需求的高質(zhì)量汽車制造機電一體化技術(shù)并滿足各種測試及迭代需求，是目前研發(fā)的重點和難點。

Abstract： With the remarkable acceleration of the process of automobile intelligence， intelligent assisted driving， active safety， automatic driving， and even intelligent network has become the inevitable trend in the forefront of the development of automobile technology. Therefore， in order to adapt to the process of automotive intelligence， and meet the constantly improving product quality requirements and rapid iteration of product development cycle， the research and development of automotive intelligent manufacturing products is currently under pressure from all sides. How to quickly launch high-quality automotive manufacturing mechatronics technology to meet market demand and meet various testing and iteration needs is the focus and difficulty of current research and development.

關(guān)鍵詞：機電一體化;汽車制造;智能制造

Key words： mechatronics;automobile manufacturing;intelligent manufacturing

中圖分類號：F275.3 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0181-03

0 ?引言

智能制造裝備是我國高端裝備制造業(yè)的重點發(fā)展方向。汽車工業(yè)是對智能裝備制造業(yè)要求最高的領(lǐng)域之一。汽車智能裝備制造可以分為整車制造裝備和零部件制造裝備，廣泛應(yīng)用于汽車制造沖壓、車身成型、涂裝和總裝四大工藝環(huán)節(jié)?？傮w而言，四大環(huán)節(jié)智能裝備系統(tǒng)及其關(guān)鍵零部件，仍依賴工業(yè)發(fā)達(dá)國家，中國汽車制造智能裝備市場目前仍以外資占主導(dǎo)地位。因此，2017 年工信部、發(fā)改委和科技部出臺《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確先進(jìn)裝備是建設(shè)汽車強國的重要支撐，大力發(fā)展汽車工業(yè)先進(jìn)制造裝備。汽車行業(yè)是制造業(yè)中自動化和信息化程度最高的，在全球的工業(yè)機器人，有 35% 都是應(yīng)用在汽車行業(yè)中的。由此可見，企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的號角早已吹響，技術(shù)人員身處數(shù)字經(jīng)濟時代的前沿，對企業(yè)未來的探索是當(dāng)下的使命，科技創(chuàng)新顯然是重中之重。多云治理、數(shù)據(jù)安全、通訊等成為企業(yè)創(chuàng)新改革的重要衡量。

1 ?機電一體化概述

機電一體化是一種綜合的工業(yè)技術(shù)，通過將最有效的開發(fā)實踐和技術(shù)融和到精簡設(shè)計、樣機研究和系統(tǒng)發(fā)布中，以此來提升整個設(shè)計過程。正是各種各樣的機電一體化設(shè)備，才使我們的生活產(chǎn)生了翻天覆地的變化，“機電一體化”也成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的代名詞，對于機電一體化技術(shù)的應(yīng)用，是現(xiàn)在的制造業(yè)的一個非常重要的發(fā)展標(biāo)志，無論是過去的傳統(tǒng)制造業(yè)，還是立足于工業(yè)4.0的智能工廠和數(shù)字工廠，從生產(chǎn)設(shè)備的硬件配置來說，機電一體化技術(shù)絕對是核心應(yīng)用。我們夢想中的那些“黑燈工廠”，“智能工廠”，“機器替人”，其實都是生產(chǎn)設(shè)備軟硬件有機結(jié)合的結(jié)果。其中，硬件設(shè)備大量升級的改進(jìn)，就是機電一體化技術(shù)的綜合應(yīng)用的結(jié)果，特別是隨著工業(yè)控制軟件技術(shù)的發(fā)展，越來越多的控制技術(shù)被踐行和落地，也使得很多現(xiàn)代化的加工模式和手段得以成型，再配合非標(biāo)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，在很多加工工位上，都可以實現(xiàn)顛覆傳統(tǒng)的高效加工模式。很多在傳統(tǒng)制造業(yè)企業(yè)加工過程中需要依靠工人的技術(shù)和經(jīng)驗去保證質(zhì)量的工序，完全可以通過機電一體化的先進(jìn)設(shè)備來代替人工完成，而且效率更高，質(zhì)量更好，成本更低。而傳統(tǒng)的技術(shù)人員也逐漸的淪為加工生產(chǎn)中的協(xié)助者和調(diào)度者，他們不再是產(chǎn)品質(zhì)量的決定因素，他們更多的是在做資源配置和協(xié)調(diào)的作用，是以一個輔助者的身份在出現(xiàn)。所以對于機電一體化的大力推廣和應(yīng)用真正顛覆我們整個制造業(yè)的生產(chǎn)模式，這不再是一種單純的趨勢，更是一個不可否認(rèn)的事實。

2 ?機電一體化技術(shù)在汽車智能制造中的應(yīng)用

目前，我國汽車工業(yè)在推進(jìn)智能制造方面取得了積極的進(jìn)展和成果。工信部啟動智能制造試點示范專項行動，推動創(chuàng)新，增強智能制造核心設(shè)備自主供應(yīng)能力，不斷完善智能制造標(biāo)準(zhǔn)體系，逐步鞏固工業(yè)軟件等基礎(chǔ)保障能力，通過示范建設(shè)綜合服務(wù)，通過集成應(yīng)用提高新模型應(yīng)用水平的能力。專項行動實施三年來，共支持汽車行業(yè)智能制造試點示范項目33個，占支持項目的16%，涵蓋傳統(tǒng)和新能源汽車、乘用車、商用車、客車、以及智能聯(lián)網(wǎng)車輛等領(lǐng)域。除發(fā)動機、變速器、底盤系統(tǒng)、動力電池、汽車電子、車輪、輪胎、汽車玻璃等關(guān)鍵部件外，項目取得了顯著成效，示范驅(qū)動和綜合應(yīng)用輻射放大效應(yīng)十分突出。

2.1 電子制動系統(tǒng)

電子制動系統(tǒng)（Electronic Braking System，EBS）集成了電控氣壓制動系統(tǒng)（Electro-Pneumatic Brake，EPB）、防抱制動系統(tǒng)（Antilock Braking System，ABS）和驅(qū)動防滑系統(tǒng)（Anti-Spin Regulator，ASR）三個子功能。近年來，國內(nèi)零部件企業(yè)（亞太股份、力邦、伯特利等）在EPB研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化上取得了較大的進(jìn)展，隨著電動汽車的快速發(fā)展，EPB的普及程度越來越高，競爭日趨激烈，如何在不犧牲產(chǎn)品功能、特性、結(jié)構(gòu)的前提下，縮減成本和降低系統(tǒng)復(fù)雜性，一直是零部件企業(yè)面臨的問題。在這樣的背景下，遵循德國VDA305-100規(guī)范，TRW率先提出了“EPBi”的概念，即集成化電子駐車系統(tǒng)，如圖1所示。

2.2 智能自動化柔性生產(chǎn)技術(shù)

柔性制造系統(tǒng)是為了適應(yīng)復(fù)雜制造任務(wù)而產(chǎn)生的。隨著市場需求的變化，自動化、信息技術(shù)和管理科學(xué)的發(fā)展，柔性生產(chǎn)已經(jīng)逐漸覆蓋了工業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域。柔性制造就是讓企業(yè)生產(chǎn)可以快速響應(yīng)市場的需求變化，并且消除冗余損耗，最終達(dá)到企業(yè)效益最大化的效果。一方面，計算機輔助化、人工智能、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以及模糊控制技術(shù)等先進(jìn)的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于柔性化制造技術(shù)，使得柔性化制造技術(shù)得到很大的發(fā)展。另一方面，隨著柔性化制造技術(shù)的成熟和規(guī)?；?，柔化工藝裝備的成本正逐步降低。比如機器人的成本得到很大程度的降低，這就使機器人的應(yīng)用得到迅速普及。福特公司計劃在未來幾年內(nèi)，將全球工廠的焊裝線逐步采用全機器人焊接，國內(nèi)主機廠在這方面也有了長足的進(jìn)步。此外，為了解決柔性化制造設(shè)備投資費用高的問題，各汽車廠正通過提高對產(chǎn)品設(shè)計的平臺化、模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的要求，來減少通用化、自動化、智能化的柔性化工藝裝備投入，這樣就可以最大程度的保證在低工藝裝備投資的條件下，最大程度的實現(xiàn)產(chǎn)品的個性化。如果平臺化做得好，整個工藝裝備的投資可以節(jié)省80%以上。

2.3 協(xié)作機器人的普及化

為應(yīng)對汽車行業(yè)升級變革需求，協(xié)作機器人與汽車制造展開深度聯(lián)合創(chuàng)新，基于協(xié)作機器人平臺和擰緊技術(shù)平臺共同開發(fā)出柔性化智能擰緊裝配系統(tǒng)，實現(xiàn)了在復(fù)雜裝配環(huán)境下進(jìn)行人機協(xié)作，全面提升裝配效率和生產(chǎn)質(zhì)量。盡管汽車行業(yè)高度自動化，但仍有逐步增長的巨大潛力。協(xié)作式機器人正在推動整個汽車行業(yè)的效率提升，其應(yīng)用領(lǐng)域包括機床裝載、檢驗，以及動力總成、電子器件和內(nèi)飾的裝配。從供應(yīng)鏈中的一級OEM到承包商，靈活、經(jīng)濟高效的協(xié)作式機器人正在提高一系列次總成、模塊和系統(tǒng)的產(chǎn)量，并確保一致性。易于部署和重新部署的協(xié)作式機器人很好地解決了行業(yè)對定制化和快速響應(yīng)消費者需求變化的需要。協(xié)作式機器人可以與員工并肩作業(yè)，提高員工產(chǎn)出，確保一致性，并允許他們在單個工作區(qū)域中處理更多生產(chǎn)流程中的部分工作。傳統(tǒng)自動化只能以全有或全無的方式實施，而協(xié)作式機器人可以讓汽車制造商對特定任務(wù)進(jìn)行自動化，并迅速實現(xiàn)投資回報。

3 ?機電一體化技術(shù)的特點

機電一體化技術(shù)的特征是在機電一體化概念的基礎(chǔ)上，強調(diào)了光、光電子、激光和光纖通信等技術(shù)的作用，屬于應(yīng)用領(lǐng)域更為寬闊的機電一體化技術(shù)。與傳統(tǒng)的機械產(chǎn)品相比較，機電一體化產(chǎn)品具有以下技術(shù)特征：①體積小、重量輕、成本低、適應(yīng)性強、操作方便;②高精度、多功能、部分硬件軟件化、智能化;③高可靠性、高穩(wěn)定性、長壽命;④衍生出許多新產(chǎn)品;⑤綜合性和系統(tǒng)性;⑥產(chǎn)品技術(shù)層次多，應(yīng)用范圍廣等特點。

機電一體化是一種能夠開發(fā)智能制造新生產(chǎn)模式的技術(shù)。其核心技術(shù)主要由六大部分組成：①機械技術(shù)：它是機電一體化的基礎(chǔ)。機械技術(shù)的重點在于如何適應(yīng)機電一體化技術(shù)。其高新技術(shù)更新了觀念，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、材料、性能的變化，滿足了減輕重量、減小體積、提高精度、提高剛度、提高性能的要求。②計算機與信息技術(shù)：其中，信息交換、訪問、計算、判斷與決策、人工智能技術(shù)、專家系統(tǒng)技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都是計算機信息處理技術(shù)。③系統(tǒng)技術(shù)：基于總體概念組織和應(yīng)用各種相關(guān)技術(shù)，從總體角度和系統(tǒng)目標(biāo)出發(fā)，將總體分解為若干相互關(guān)聯(lián)的功能單元。接口技術(shù)是系統(tǒng)技術(shù)的一個重要方面，它保證了系統(tǒng)各部分的有機連接。④自動控制技術(shù)：范圍很廣，在控制理論的指導(dǎo)下進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，設(shè)計的系統(tǒng)仿真、現(xiàn)場調(diào)試、控制技術(shù)包括高精度定位控制、速度控制、自適應(yīng)控制、自診斷校正、補償、再現(xiàn)等，檢索等。⑤傳感器檢測技術(shù)：是系統(tǒng)的接收器，實現(xiàn)自動控制和自動調(diào)整的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。功能越強，系統(tǒng)的自動化程度越高。⑥伺服傳動技術(shù)：包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置。伺服系統(tǒng)是實現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)換為機械動作以及系統(tǒng)性能動態(tài)的轉(zhuǎn)換裝置和部件，控制質(zhì)量和功能具有決定性影響。

智能制造定義為基于新一代信息技術(shù)，貫穿設(shè)計、生產(chǎn)、管理、服務(wù)等制造活動各個環(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準(zhǔn)控制自執(zhí)行等功能的先進(jìn)制造過程、系統(tǒng)與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關(guān)鍵制造環(huán)節(jié)智能化為核心，以端到端數(shù)據(jù)流為基礎(chǔ)、以網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)為支撐等特征。由此看來，機電一體化對智能制造的重要性。

4 ?機電一體化技術(shù)在汽車智能制造中的案例分析

自工業(yè)4.0概念誕生以來，以智能制造為主導(dǎo)的第四次工業(yè)革命蓬勃興起，智能工廠將成為未來工業(yè)體系的關(guān)鍵。在智能工廠中，人、機器和資源就像在網(wǎng)絡(luò)平臺上一樣。每個人都可以相互溝通和合作，高效、方便地完成繁重的生產(chǎn)任務(wù)。智能工廠能夠根據(jù)企業(yè)不斷變化的需求進(jìn)行開發(fā)和發(fā)展，引入更具預(yù)測性和響應(yīng)性的操作和維護(hù)方法、新工藝或技術(shù)，或生產(chǎn)過程中的準(zhǔn)實時變化。憑借更強大的計算和分析能力，以及更廣泛的智能互聯(lián)資產(chǎn)生態(tài)系統(tǒng)，智能工廠可以讓公司以過去相對困難甚至不可能的方式適應(yīng)變化。智能生產(chǎn)涉及利用高科技技術(shù)實現(xiàn)整個生產(chǎn)能力的智能化生產(chǎn)調(diào)度、自動物料配送、狀態(tài)跟蹤、優(yōu)化控制、智能調(diào)度、設(shè)備運行狀態(tài)監(jiān)控、質(zhì)量追溯與管理、車間績效等。對異常生產(chǎn)、設(shè)備、質(zhì)量進(jìn)行正確判斷和處理，實現(xiàn)生產(chǎn)執(zhí)行與運營管理、研發(fā)設(shè)計、智能設(shè)備的集成;實現(xiàn)設(shè)計與制造一體化，管理與控制一體化。

4.1 寶沃：中德智造示范工廠

Borgward Smart Factory擁有全球首條8款柔性生產(chǎn)線，可實現(xiàn)多車型協(xié)同生產(chǎn)，同時具備強大靈活的生產(chǎn)性能，可創(chuàng)造個性化定制車型的生產(chǎn)和開發(fā)，包括沖壓、焊接、噴漆、總裝、檢驗和物流的六個過程。工廠擁有222套柔性數(shù)控機器人定位系統(tǒng)，可滿足不同車體在同一生產(chǎn)線上的定位;配合17套集中式色彩供應(yīng)系統(tǒng)，可快速滿足客戶定制需求。同時，Borgward Smart Factory在追求卓越生產(chǎn)的同時，以5000多個車身焊接點、誤差小于0.3mm的零件精度、22000多個車輛測量點、290多種內(nèi)飾配件引領(lǐng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。精細(xì)的搭配可以保證車輛從內(nèi)到外的精致外觀。此外，嚴(yán)格、防滴漏的全面檢查擁有三條國際領(lǐng)先的所有項目檢查線，1075個車輛檢查項目嚴(yán)格防范車輛質(zhì)量問題，14種類型的100%全譜道路測試和盲點雨水測試下的360度檢查，為了順利出廠，車輛將經(jīng)受嚴(yán)格的測試。在生產(chǎn)過程中，寶沃以夯實的精密工藝將品質(zhì)注入產(chǎn)品核心。工藝、材料及外觀設(shè)計非常好，間隙尺寸達(dá)到了生產(chǎn)過程中最先進(jìn)的測量技術(shù)的高端標(biāo)準(zhǔn)。寶沃在創(chuàng)紀(jì)錄的時間內(nèi)建造了相當(dāng)于29個足球場面積的汽車工廠，這一成就是相當(dāng)震撼的。

4.2 法士特：“智能生產(chǎn)系統(tǒng)”自主造

在工業(yè)4.0時代，智能工廠非常流行。法士特作為商用車傳動系統(tǒng)行業(yè)的領(lǐng)導(dǎo)者和變速器制造專家，依靠科技進(jìn)步和自主創(chuàng)新，緊跟全球前沿技術(shù)，不斷加快生產(chǎn)自動化和智能化的發(fā)展。獨特的“智能制造”方法。精益生產(chǎn)在德國被列為構(gòu)成未來智能工廠的四大模塊之一。精益生產(chǎn)也是中國企業(yè)實施工業(yè)4.0、加快轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)和保障。早在2009年，法士特公司就正式啟動了“科學(xué)改進(jìn)、效率改進(jìn)和成本降低（KTJ）”活動，全面實施精益生產(chǎn)。精益生產(chǎn)方法中的流暢流程是生產(chǎn)線優(yōu)化的基礎(chǔ)。法士特要求以“一個流程”的概念進(jìn)行生產(chǎn)布局。在實施初期，對包括第五車間12速裝配線、第三齒輪聯(lián)接車間中間軸、1124、滑套、分箱主軸和第二軸在內(nèi)的6條生產(chǎn)線進(jìn)行了精煉和成功改造。這些生產(chǎn)線通過實施“一流式生產(chǎn)”進(jìn)行改造，生產(chǎn)線依靠工序間滑道進(jìn)行單件轉(zhuǎn)移，無需手推車，零件從進(jìn)線到出線的加工周期大大縮短。搬運次數(shù)大大減少，在線物流順暢，不僅減少了碰撞，而且及時發(fā)現(xiàn)問題，降低了批量質(zhì)量事故的概率。

通過大規(guī)模精益改造，大大提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了人力資源，減少了工序間的工作量，人均效率提高了30%以上，為自動化生產(chǎn)打下了堅實的基礎(chǔ)。自動懸臂裝配線（J-hook Assembly Line）結(jié)合工業(yè)自動控制、通訊、智能機器人、定扭矩擰緊、信息控制、檢測等技術(shù)，實現(xiàn)多工位自動裝配。裝配線具有自動操作、停止、翻轉(zhuǎn)、提升、精確定位和安全保護(hù)功能。該機器人實現(xiàn)了柔性變螺距擰緊、自動涂膠、送絲和精密裝配等功能。在線壓裝消除了軸承敲擊造成的質(zhì)量風(fēng)險。航空物流系統(tǒng)連接到清洗機，并自動將零件運輸?shù)窖b配站，以消除零件碰撞。配備六自由度機器人，實現(xiàn)產(chǎn)品流程在線自動檢測和自動控制，可完成多個產(chǎn)品的混線柔性裝配，實現(xiàn)單一配送模式。一次性包裝合格率提高3%，流水線生產(chǎn)能力提高25%，占地面積節(jié)約27%，有效降低了工人的勞動強度，大大提高了產(chǎn)品裝配的自動化、智能化水平。

5 ?機電一體化技術(shù)在汽車智能制造中的意義

機電一體化技術(shù)應(yīng)用于汽車智能制造中是人類科技進(jìn)步到了一個新高度的時代產(chǎn)物，現(xiàn)在大家都在這個方向努力尋求技術(shù)突破，但是對汽車工業(yè)而言，無論是傳統(tǒng)汽車企業(yè)還是所謂的新型汽車企業(yè)都很難跨越百年汽車產(chǎn)業(yè)所必須具備的基本能力，機電一體化技術(shù)中耐久性、舒適性、可靠性等各種性能指標(biāo)保證能力的形成都需要時間的沉淀，非一日之功。在汽車智能制造系統(tǒng)中，機電一體化技術(shù)可以體現(xiàn)出許多優(yōu)勢。首先，采用機電一體化控制技術(shù)可以提高系統(tǒng)各方面的性能。與傳統(tǒng)的自動化控制系統(tǒng)相比，機電一體化控制系統(tǒng)更加智能化。智能控制技術(shù)的應(yīng)用作為未來微電子工業(yè)和機械工業(yè)的主要發(fā)展方向，可以幫助機電一體化系統(tǒng)消除中間模型分析環(huán)節(jié)，并結(jié)合外部環(huán)境的變化趨勢調(diào)整控制指令，最后在控制器的共同作用下，在外部環(huán)境中完成控制任務(wù)，提高機電系統(tǒng)的精度。其次，智能控制技術(shù)在提高工作效率方面也能發(fā)揮不可磨滅的作用。通過智能控制技術(shù)，系統(tǒng)能快速進(jìn)入工作狀態(tài)，避免因人工操作不利因素造成的誤差或損失，影響工作效率。最后，智能控制技術(shù)的應(yīng)用可以提高機電一體化系統(tǒng)的安全性和可靠性。只要輸入指令，系統(tǒng)就可以按照指令工作并遵循流程?？蓪υO(shè)備的結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和控制，實現(xiàn)對操作系統(tǒng)的有效智能控制。最大限度地提高機電一體化系統(tǒng)的安全性和可靠性。

6 ?結(jié)束語

在“中國制造2025”和“工業(yè)4.0”背景下，中國現(xiàn)在從制造大國向制造強國轉(zhuǎn)變，要生產(chǎn)出一個高附加值的產(chǎn)品需要優(yōu)質(zhì)的原材料和零部件、配套人員及管理，同時智能連接器方案、工業(yè)機器人作為智能設(shè)備，在“智能工廠”模式中起到關(guān)鍵作用。在全球節(jié)能減排、綠色發(fā)展的大背景下，結(jié)合新一輪的科技革命推動，智能制造已成為汽車制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，為我國汽車制造業(yè)突破增長瓶頸，實現(xiàn)設(shè)計、制造和服務(wù)一體化，實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級提供了重要途徑。加強對智能制造技術(shù)專業(yè)人才的培養(yǎng)成為促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保證。

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