汽车机械智能制造及自动化技术研究

关键词：汽车设计制造；自动化技术；数控技术；精密定位技术

中图分类号：U466 文献标识码：A

0 引言

由于设备的限制，传统的汽车机械制造依赖大量人力和时间来完成生产过程中的重复任务，这导致了汽车机械制造生产效率不高。机械制造需要大量的原材料，由于制造工艺的不足，在整个生产链中许多资源未能得到充分利用，不仅浪费了宝贵资源，还会对环境造成负面影响。此外，汽车机械制造过程中还存在形状位置误差、表面粗糙度、材料缺陷、焊接缺陷和喷涂污染等问题，严重影响汽车的质量和安全[1]。

将自动化技术引入汽车机械制造，显著改善了汽车生产水平。通过自动化控制系统操控机械设备完成一系列的汽车机械生产过程，同时利用计算机系统联合传感器，对生产过程实施全方位监测。

1 汽车机械制造中自动化技术的重要性

1.1 提升生产效率

汽车设计师借助AutoCAD 绘图软件和计算机辅助制造技术建立三维汽车模型，进行仿真分析，进而缩短设计周期。自动化设备和生产线的引入，能实现零配件高速连续生产，还能实现零配件自动化组装和测试，最终显著提升生产效率，缩短汽车制造周期。自动化技术可大大减少人工介入，严格控制人工操作引起的误差，确保汽车生产的稳定性和生产速度。

1.2 降低生产成本

自动化技术更多地依赖机械设备和自动控制系统，降低了整个生产中人力操作，极大地减少了人工成本以及其附带的培训、维护等费用。自动化生产线通过集合各种资源来精准控制汽车生产过程，减少了原材料的废品率，提升了原材料的利用率，从而降低材料成本。此外，自动化技术还能缩短生产周期、降低设备故障发生率，达到降低成本的目的[2]。

1.3 提升汽车质量和安全性

机械设备联合配备传感器的检测设备，可以实时地全方位检测零配件生产过程的重量、尺寸等（尤其是形状复杂的零配件），及时检测出零配件误差和缺陷，及时纠正，确保零部件质量。在汽车零部件组装时，通过精准控制零部件位置，保证高度的一致性和精度，极大地减小因人工操作引起的误差，保证汽车生产过程中质量符合设计要求。

1.4 提升工作安全性及利于环保

传统汽车制造过于依赖人工，操作人员往往要开展长时间、高强度的重复性劳动，容易因操作失误导致安全事故。此外，操作人员在进行喷涂、焊接工作时，受高温环境和有害气体影响，不仅污染环境还容易引起操作人员健康问题。采用自动化技术可以极大降低人工操作导致的事故发生率，而智能喷涂系统不仅可以减少操作人员接触有害气体，还能减少有害气体的排放，节能又环保。

2 自动化技术在汽车制造中的应用

2.1 数控加工技术应用

数控加工技术是自动化的核心和基础，在汽车生产时，通过精准的数控机床能生产出复杂形状的零部件。将编程应用到数控系统中，通过控制机器人、机床等实现钻孔、铣削和车削等操作。例如，通过数控钻床将钻头钻进工件形成钻孔，可以精准控制钻孔的定位和尺寸；通过数控铣床用铣刀切削工件，加工出所需形状的零件；通过数控车床对工件尺寸、轮廓进行精准加工。高性能数控系统通过设定参数能精准控制零部件形状和尺寸，实现复杂曲面零部件精准加工需求，进而提升零部件加工效率。此外，现代化数控加工技术不仅能减少汽车生产过程中材料的浪费，节约成本，还能提升生产线的自动化程度，保证生产出高质量的汽车。

2.2 精密加工技术

2.2.1 激光拼焊

激光拼焊技术（图1）是指通过激光将两块不同性能的材料焊接成整体，用于生产结构优、质量轻以及性能佳的汽车零部件。激光焊接不是采用传统的搭接方式，而是通过对接方式进行焊接，因而具有众多优势，如焊缝高度不提高、焊缝区域体积变小、热影响区小等。同时，激光拼焊技术的采用会摒弃传统工艺所用的密封胶，减小对环境的污染，更加环保[3]。

2.2.2 三维激光切割技术

三维激光切割技术是指通过带有专用激光头的激光切割机对三维加工对象进行加工，采用自动机器人和专业高精度激光头，激光输出功率稳定，加工范围大。它可以精确切割不同厚度的金属材料，如金属板和不锈钢。在汽车制造中，传统的直接冲压加工方式消耗大量的磨具，在加工过程中需要经常维修甚至更换模具，生产效率低、成本高，而激光切割技术则可以替代一些模具的使用。

汽车生产中的很多环节都离不开三维激光切割技术，如零配件的切割、车身修整等。其中，三维激光切割技术在汽车热成型钢切割中表现出色。由于热成型钢的强度极高，传统的修边模和冲孔模难以应对，而三维五轴激光切割可以提供最小的热影响区和极小的局部变形，非接触性的加工方式避免了工件的机械变形和加工磨损，成为不可替代的生产工艺，特别适用于汽车A 柱、B 柱等高强度部件的制造。

2.2.3 清洁生产技术

清洁生产技术（CPT）是一种相对技术，旨在减少生产过程中的污染物产生量和毒性。它包括利用清洁原料和能源、提高资源和能源利用率，以及废弃物有价资源回收等措施。在汽车制造中的应用主要包括水基真空清洗机、超声波清洗机等方面。例如，水基真空清洗机采用高压喷射和真空吸附技术，能够迅速消除零部件表面的污渍和油脂，且清洗剂无毒无害，对环境和人体健康无害。超声波清洗机利用高频声波在液体中产生的“空化效应”，能够深入零部件的每一个细微角落，实现无死角清洗。这种技术不仅提高了生产效率，还确保了零部件的高精度和高品质，符合绿色制造的要求。

2.3 自动化技术的应用

2.3.1 自动化装配监测技术

传统的汽车装配主要靠人工完成，因而由人工操作引起的装配误差大，影响汽车整装效果。而自动化技术的引入可以实现现代汽车的自动化装配，还能实时监测整个装配流程。在装配汽车零部件时，操作人员可以根据设计流程，通过计算机控制配备传感器的自动化装配系统，识别生产过程中零部件位置、参数等，自动装配整车车体。同时，汽车装配工作结束后，借助系统内部的传感器，该系统还将继续监测车辆生产过程中车辆实况，并将监测数据实时传回电脑，有效地保障了汽车生产的质量和安全性。因此，汽车生产引入自动化装配监测技术，在生产效率和汽车质量方面均有显著改善。

2.3.2 自动化控制检测系统

自动化控制检测系统在汽车机械智能制造中发挥着越来越重要的作用，不仅为高效、安全生产零部件提供保障，还能保障整个汽车生产线安全、稳定地运行，达到提升生产效率、改善整个生产线的目的。该系统内置的应急控制装置可以降低紧急事件的发生，并对已发生的紧急事件及时做出反馈。自动化控制检测系统在现代汽车智能制造的作用就是通过对人机界面中不同位置的实时监测，联合汽车故障自动诊断系统以及神经元自动控制处理系统，及时将检测到的数据进行反馈和处理，降低生产安全事故的发生率，为汽车的安全生产提供保障。

2.3.3 机器视觉技术

通过光学、电子、机械和计算机技术的结合，机器视觉系统能够实现精确识别、定位、测量和判断。在汽车制造中的应用主要包含质量检测、自动化装配、材料缺陷检测、生产线监控和二维码/RFID 读取等方面，显著提高了汽车生产的效率和质量。例如，3D 视觉定位系统凭借其高精度、快速响应的技术优势，成为无人化生产线建设的关键力量（图2）。

（1）视觉测量。用于精确测量高标准的零部件，如高精度螺纹螺孔尺寸，以保证连接间隙和精度。传统的三坐标机测量方法由于效率低和数据不足，已被视觉非接触测量技术取代。

（2）视觉检测。通过高分辨率摄像头和图像处理算法，快速获取产品图像并进行特征识别，标记出车身涂装缺陷、划痕、凹陷以及内部装配问题。

（3）视觉引导。基于机器人运动学原理，联合多种视觉检测技术，使得机器人在操作工件时能根据工件形状和尺寸及时作出调整，达到智能制造的目的。

（4）零部件追溯。融入自动化产线中，实时追踪零部件的状态和位置，确保零件能够按照计划进行装配，减少因装配错误造成的停工停产。

（5）组件定位与匹配。确保生产过程100% 按照图纸进行，通过精准定位和匹配，确保零部件按照设计要求进行精确对接和固定。

2.4 虚拟技术应用

虚拟技术在汽车制造中的应用主要包括汽车设计、仿真测试和生产自动化等方面，涵盖了从设计到生产的各个环节，通过提高设计效率、优化性能9E8f5cT5WfwW3tPSUfANnA==、增强安全和提升生产自动化水平，为汽车制造业带来了显著的效益和改进。

2.4.1 汽车设计

在汽车设计中，虚拟技术利用计算机和互联网分析以往类似设计，通过大数据生产不同设计方案，预测未来汽车风格。汽车设计师根据设计方案和预测结果不仅能缩短设计周期，还能设计出最优方案。帮助制造商提前规划产品，满足市场需求。通过对汽车设计的各个细节进行优化，如车身线条、颜色搭配和内饰风格等，使汽车设计更加美观和谐。

2.4.2 仿真测试

在仿真测试方面，虚拟技术主要用于性能仿真、安全仿真和舒适性仿真。通过对汽车的动力性能、操控性能进行仿真分析，实时调整发动机参数和悬挂系统，以达到最佳性能表现。工程师借助各种数值模拟软件，建立三维汽车模型，开展汽车运行过程中的稳定性分析，还能模拟汽车的碰撞测试，给汽车安全设计和制造提供数据支撑。

2.4.3 生产自动化

生产自动化方面，虚拟技术借助计算机和互联网控制机器人进行汽车各个环节的生产工作，并实时监测整个生产过程，将数据及时传回至电脑供工程师分析。不仅能提升焊接、组装的效率，还能保障汽车质量。

3 结束语

汽车机械设计制造与自动化技术的结合有效提升汽车机械设计制造质量、提升汽车生产效率，并且节能环保。本文从动力系统多样化、轻量化设计模块化与集成化设计3 方面对现代汽车机械设计展开详细叙述；并从数控加工技术、精密定位技术、自动检测技术和虚拟化技术4 方面总结了自动化技术在汽车制造中具体应用。未来的汽车生产将更加注重能源的节约和减少环境污染，以适应绿色制造的需求。同时，汽车机械设计制造及自动化技术将与“互联网+”大数据等新兴技术更加紧密地结合在一起，实现更加智能化的工业生产。

作者简介：刘熠荣，本科，高级工程师，研究方法为汽车车体结构、机械设计和汽车维修。

通信作者：卢祥伟，硕士，研究方向为车辆工程、智能制造技术。