機電一體化技術(shù)在汽車智能制造中運用
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摘要：隨著汽車智能化進程的顯著加快，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。
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)。總體而言，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，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)在推進智能制造方面取得了積極的進展和成果。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)
（ElectronicBrakingSystem，EBS）集成了電控氣壓制動系統(tǒng)（Electro-PneumaticBrake，EPB）、防抱制動系統(tǒng)（AntilockBrakingSystem，ABS）和驅(qū)動防滑系統(tǒng)（Anti-SpinRegulator，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
BorgwardSmartFactory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，BorgwardSmartFactory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，間隙尺寸達到了生產(chǎn)過程中最先進的測量技術(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、效率改進和成本降低（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)”進行改造，生產(chǎn)線依靠工序間滑道進行單件轉(zhuǎn)移，無需手推車，零件從進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-hookAssemblyLine）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。可對設(shè)備的結(jié)構(gòu)進行調(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)成為促進汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要保證。
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作者:胡希偉 趙宇飛 單位:淄博建筑工程學(xué)校
