机电一体化技术在汽车智能制造中的运用

胡希伟 赵宇飞

摘要：随着汽车智能化进程的显著加快，汽车智能辅助驾驶、主动安全、自动驾驶，乃至于智能网联等已经成为汽车技术發展的前沿必然趋势。因此为了适应汽车智能化的进程，并满足不断提高的产品质量需求以及产品开发周期的快速迭代，汽车智能制造产品的研发目前正承受着来自各方的压力。如何快速的推出满足市场需求的高质量汽车制造机电一体化技术并满足各种测试及迭代需求，是目前研发的重点和难点。

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.

关键词：机电一体化;汽车制造;智能制造

Key words： mechatronics;automobile manufacturing;intelligent manufacturing

中图分类号：F275.3                                     文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0181-03

0  引言

智能制造装备是我国高端装备制造业的重点发展方向。汽车工业是对智能装备制造业要求最高的领域之一。汽车智能装备制造可以分为整车制造装备和零部件制造装备，广泛应用于汽车制造冲压、车身成型、涂装和总装四大工艺环节。总体而言，四大环节智能装备系统及其关键零部件，仍依赖工业发达国家，中国汽车制造智能装备市场目前仍以外资占主导地位。因此，2017 年工信部、发改委和科技部出台《汽车产业中长期发展规划》，明确先进装备是建设汽车强国的重要支撑，大力发展汽车工业先进制造装备。汽车行业是制造业中自动化和信息化程度最高的，在全球的工业机器人，有 35% 都是应用在汽车行业中的。由此可见，企业数字化转型的号角早已吹响，技术人员身处数字经济时代的前沿，对企业未来的探索是当下的使命，科技创新显然是重中之重。多云治理、数据安全、通讯等成为企业创新改革的重要衡量。

1  机电一体化概述

机电一体化是一种综合的工业技术，通过将最有效的开发实践和技术融和到精简设计、样机研究和系统发布中，以此来提升整个设计过程。正是各种各样的机电一体化设备，才使我们的生活产生了翻天覆地的变化，“机电一体化”也成为现代工业生产的代名词，对于机电一体化技术的应用，是现在的制造业的一个非常重要的发展标志，无论是过去的传统制造业，还是立足于工业4.0的智能工厂和数字工厂，从生产设备的硬件配置来说，机电一体化技术绝对是核心应用。我们梦想中的那些“黑灯工厂”，“智能工厂”，“机器替人”，其实都是生产设备软硬件有机结合的结果。其中，硬件设备大量升级的改进，就是机电一体化技术的综合应用的结果，特别是随着工业控制软件技术的发展，越来越多的控制技术被践行和落地，也使得很多现代化的加工模式和手段得以成型，再配合非标的机械结构设计，在很多加工工位上，都可以实现颠覆传统的高效加工模式。很多在传统制造业企业加工过程中需要依靠工人的技术和经验去保证质量的工序，完全可以通过机电一体化的先进设备来代替人工完成，而且效率更高，质量更好，成本更低。而传统的技术人员也逐渐的沦为加工生产中的协助者和调度者，他们不再是产品质量的决定因素，他们更多的是在做资源配置和协调的作用，是以一个辅助者的身份在出现。所以对于机电一体化的大力推广和应用真正颠覆我们整个制造业的生产模式，这不再是一种单纯的趋势，更是一个不可否认的事实。

2  机电一体化技术在汽车智能制造中的应用

目前，我国汽车工业在推进智能制造方面取得了积极的进展和成果。工信部启动智能制造试点示范专项行动，推动创新，增强智能制造核心设备自主供应能力，不断完善智能制造标准体系，逐步巩固工业软件等基础保障能力，通过示范建设综合服务，通过集成应用提高新模型应用水平的能力。专项行动实施三年来，共支持汽车行业智能制造试点示范项目33个，占支持项目的16%，涵盖传统和新能源汽车、乘用车、商用车、客车、以及智能联网车辆等领域。除发动机、变速器、底盘系统、动力电池、汽车电子、车轮、轮胎、汽车玻璃等关键部件外，项目取得了显著成效，示范驱动和综合应用辐射放大效应十分突出。

2.1 电子制动系统

电子制动系统（Electronic Braking System，EBS）集成了电控气压制动系统（Electro-Pneumatic Brake，EPB）、防抱制动系统（Antilock Braking System，ABS）和驱动防滑系统（Anti-Spin Regulator，ASR）三个子功能。近年来，国内零部件企业（亚太股份、力邦、伯特利等）在EPB研发与产业化上取得了较大的进展，随着电动汽车的快速发展，EPB的普及程度越来越高，竞争日趋激烈，如何在不牺牲产品功能、特性、结构的前提下，缩减成本和降低系统复杂性，一直是零部件企业面临的问题。在这样的背景下，遵循德国VDA305-100规范，TRW率先提出了“EPBi”的概念，即集成化电子驻车系统，如图1所示。

2.2 智能自动化柔性生产技术

柔性制造系统是为了适应复杂制造任务而产生的。随着市场需求的变化，自动化、信息技术和管理科学的发展，柔性生产已经逐渐覆盖了工业生产的各个领域。柔性制造就是让企业生产可以快速响应市场的需求变化，并且消除冗余损耗，最终达到企业效益最大化的效果。一方面，计算机辅助化、人工智能、人工神经网络以及模糊控制技术等先进的技术被广泛应用于柔性化制造技术，使得柔性化制造技术得到很大的发展。另一方面，随着柔性化制造技术的成熟和规模化，柔化工艺装备的成本正逐步降低。比如机器人的成本得到很大程度的降低，这就使机器人的应用得到迅速普及。福特公司计划在未来几年内，将全球工厂的焊装线逐步采用全机器人焊接，国内主机厂在这方面也有了长足的进步。此外，为了解决柔性化制造设备投资费用高的问题，各汽车厂正通过提高对产品设计的平台化、模块化、标准化的要求，来减少通用化、自动化、智能化的柔性化工艺装备投入，这样就可以最大程度的保证在低工艺装备投资的条件下，最大程度的实现产品的个性化。如果平台化做得好，整个工艺装备的投资可以节省80%以上。

2.3 协作机器人的普及化

为应对汽车行业升级变革需求，协作机器人与汽车制造展开深度联合创新，基于协作机器人平台和拧紧技术平台共同开发出柔性化智能拧紧装配系统，实现了在复杂装配环境下进行人机协作，全面提升装配效率和生产质量。尽管汽车行业高度自动化，但仍有逐步增长的巨大潜力。协作式机器人正在推动整个汽车行业的效率提升，其应用领域包括机床装载、检验，以及动力总成、电子器件和内饰的装配。从供应链中的一级OEM到承包商，灵活、经济高效的协作式机器人正在提高一系列次总成、模块和系统的产量，并确保一致性。易于部署和重新部署的协作式机器人很好地解决了行业对定制化和快速响应消费者需求变化的需要。协作式机器人可以与员工并肩作业，提高员工产出，确保一致性，并允许他们在单个工作区域中处理更多生产流程中的部分工作。传统自动化只能以全有或全无的方式实施，而协作式机器人可以让汽车制造商对特定任务进行自动化，并迅速实现投资回报。

3  机电一体化技术的特点

机电一体化技术的特征是在机电一体化概念的基础上，强调了光、光电子、激光和光纤通信等技术的作用，属于应用领域更为宽阔的机电一体化技术。与传统的机械产品相比较，机电一体化产品具有以下技术特征：①体积小、重量轻、成本低、适应性强、操作方便;②高精度、多功能、部分硬件软件化、智能化;③高可靠性、高稳定性、长寿命;④衍生出许多新产品;⑤综合性和系统性;⑥产品技术层次多，应用范围广等特点。

机电一体化是一种能够开发智能制造新生产模式的技术。其核心技术主要由六大部分组成：①机械技术：它是机电一体化的基础。机械技术的重点在于如何适应机电一体化技术。其高新技术更新了观念，实现了结构、材料、性能的变化，满足了减轻重量、减小体积、提高精度、提高刚度、提高性能的要求。②计算机与信息技术：其中，信息交换、访问、计算、判断与决策、人工智能技术、专家系统技术、神经网络技术都是计算机信息处理技术。③系统技术：基于总体概念组织和应用各种相关技术，从总体角度和系统目标出发，将总体分解为若干相互关联的功能单元。接口技术是系统技术的一个重要方面，它保证了系统各部分的有机连接。④自动控制技术：范围很广，在控制理论的指导下进行系统设计，设计的系统仿真、现场调试、控制技术包括高精度定位控制、速度控制、自适应控制、自诊断校正、补偿、再现等，检索等。⑤传感器检测技术：是系统的接收器，实现自动控制和自动调整的关键环节。功能越强，系统的自动化程度越高。⑥伺服传动技术：包括电动、气动、液压等各种类型的传动装置。伺服系统是实现电信号转换为机械动作以及系统性能动态的转换装置和部件，控制质量和功能具有决定性影响。

智能制造定义为基于新一代信息技术，贯穿设计、生产、管理、服务等制造活动各个环节，具有信息深度自感知、智慧优化自决策、精准控制自执行等功能的先进制造过程、系统与模式的总称。具有以智能工厂为载体，以关键制造环节智能化为核心，以端到端数据流为基础、以网络互联为支撑等特征。由此看来，机电一体化对智能制造的重要性。

4  机电一体化技术在汽车智能制造中的案例分析

自工业4.0概念誕生以来，以智能制造为主导的第四次工业革命蓬勃兴起，智能工厂将成为未来工业体系的关键。在智能工厂中，人、机器和资源就像在网络平台上一样。每个人都可以相互沟通和合作，高效、方便地完成繁重的生产任务。智能工厂能够根据企业不断变化的需求进行开发和发展，引入更具预测性和响应性的操作和维护方法、新工艺或技术，或生产过程中的准实时变化。凭借更强大的计算和分析能力，以及更广泛的智能互联资产生态系统，智能工厂可以让公司以过去相对困难甚至不可能的方式适应变化。智能生产涉及利用高科技技术实现整个生产能力的智能化生产调度、自动物料配送、状态跟踪、优化控制、智能调度、设备运行状态监控、质量追溯与管理、车间绩效等。对异常生产、设备、质量进行正确判断和处理，实现生产执行与运营管理、研发设计、智能设备的集成;实现设计与制造一体化，管理与控制一体化。

4.1 宝沃：中德智造示范工厂

Borgward Smart Factory拥有全球首条8款柔性生产线，可实现多车型协同生产，同时具备强大灵活的生产性能，可创造个性化定制车型的生产和开发，包括冲压、焊接、喷漆、总装、检验和物流的六个过程。工厂拥有222套柔性数控机器人定位系统，可满足不同车体在同一生产线上的定位;配合17套集中式色彩供应系统，可快速满足客户定制需求。同时，Borgward Smart Factory在追求卓越生产的同时，以5000多个车身焊接点、误差小于0.3mm的零件精度、22000多个车辆测量点、290多种内饰配件引领行业标准。精细的搭配可以保证车辆从内到外的精致外观。此外，严格、防滴漏的全面检查拥有三条国际领先的所有项目检查线，1075个车辆检查项目严格防范车辆质量问题，14种类型的100%全谱道路测试和盲点雨水测试下的360度检查，为了顺利出厂，车辆将经受严格的测试。在生产过程中，宝沃以夯实的精密工艺将品质注入产品核心。工艺、材料及外观设计非常好，间隙尺寸达到了生产过程中最先进的测量技术的高端标准。宝沃在创纪录的时间内建造了相当于29个足球场面积的汽车工厂，这一成就是相当震撼的。

4.2 法士特：“智能生产系统”自主造

在工業4.0时代，智能工厂非常流行。法士特作为商用车传动系统行业的领导者和变速器制造专家，依靠科技进步和自主创新，紧跟全球前沿技术，不断加快生产自动化和智能化的发展。独特的“智能制造”方法。精益生产在德国被列为构成未来智能工厂的四大模块之一。精益生产也是中国企业实施工业4.0、加快转型升级的基础和保障。早在2009年，法士特公司就正式启动了“科学改进、效率改进和成本降低（KTJ）”活动，全面实施精益生产。精益生产方法中的流畅流程是生产线优化的基础。法士特要求以“一个流程”的概念进行生产布局。在实施初期，对包括第五车间12速装配线、第三齿轮联接车间中间轴、1124、滑套、分箱主轴和第二轴在内的6条生产线进行了精炼和成功改造。这些生产线通过实施“一流式生产”进行改造，生产线依靠工序间滑道进行单件转移，无需手推车，零件从进线到出线的加工周期大大缩短。搬运次数大大减少，在线物流顺畅，不仅减少了碰撞，而且及时发现问题，降低了批量质量事故的概率。

通过大规模精益改造，大大提高了生产效率，节约了人力资源，减少了工序间的工作量，人均效率提高了30%以上，为自动化生产打下了坚实的基础。自动悬臂装配线（J-hook Assembly Line）结合工业自动控制、通讯、智能机器人、定扭矩拧紧、信息控制、检测等技术，实现多工位自动装配。装配线具有自动操作、停止、翻转、提升、精确定位和安全保护功能。该机器人实现了柔性变螺距拧紧、自动涂胶、送丝和精密装配等功能。在线压装消除了轴承敲击造成的质量风险。航空物流系统连接到清洗机，并自动将零件运输到装配站，以消除零件碰撞。配备六自由度机器人，实现产品流程在线自动检测和自动控制，可完成多个产品的混线柔性装配，实现单一配送模式。一次性包装合格率提高3%，流水线生产能力提高25%，占地面积节约27%，有效降低了工人的劳动强度，大大提高了产品装配的自动化、智能化水平。

5  机电一体化技术在汽车智能制造中的意义

机电一体化技术应用于汽车智能制造中是人类科技进步到了一个新高度的时代产物，现在大家都在这个方向努力寻求技术突破，但是对汽车工业而言，无论是传统汽车企业还是所谓的新型汽车企业都很难跨越百年汽车产业所必须具备的基本能力，机电一体化技术中耐久性、舒适性、可靠性等各种性能指标保证能力的形成都需要时间的沉淀，非一日之功。在汽车智能制造系统中，机电一体化技术可以体现出许多优势。首先，采用机电一体化控制技术可以提高系统各方面的性能。与传统的自动化控制系统相比，机电一体化控制系统更加智能化。智能控制技术的应用作为未来微电子工业和机械工业的主要发展方向，可以帮助机电一体化系统消除中间模型分析环节，并结合外部环境的变化趋势调整控制指令，最后在控制器的共同作用下，在外部环境中完成控制任务，提高机电系统的精度。其次，智能控制技术在提高工作效率方面也能发挥不可磨灭的作用。通过智能控制技术，系统能快速进入工作状态，避免因人工操作不利因素造成的误差或损失，影响工作效率。最后，智能控制技术的应用可以提高机电一体化系统的安全性和可靠性。只要输入指令，系统就可以按照指令工作并遵循流程。可对设备的结构进行调整和控制，实现对操作系统的有效智能控制。最大限度地提高机电一体化系统的安全性和可靠性。

6  结束语

在“中国制造2025”和“工业4.0”背景下，中国现在从制造大国向制造强国转变，要生产出一个高附加值的产品需要优质的原材料和零部件、配套人员及管理，同时智能连接器方案、工业机器人作为智能设备，在“智能工厂”模式中起到关键作用。在全球节能减排、绿色发展的大背景下，结合新一轮的科技革命推动，智能制造已成为汽车制造产业发展的战略方向，为我国汽车制造业突破增长瓶颈，实现设计、制造和服务一体化，实现产业升级提供了重要途径。加强对智能制造技术专业人才的培养成为促进汽车产业发展的重要保证。

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