機電一體化技術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，乃至于智能網聯等已經成為汽車技術發展的前沿必然趨勢。因此為了適應汽車智能化的進程，并滿足不斷提高的產品質量需求以及產品開發周期的快速迭代，汽車智能制造產品的研發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量汽車制造機電一體化技術并滿足各種測試及迭代需求，是目前研發的重點和難點。
0引言
智能制造裝備是我國高端裝備制造業的重點發展方向。汽車工業是對智能裝備制造業要求最高的領域之一。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，廣泛應用于汽車制造沖壓、車身成型、涂裝和總裝四大工藝環節。總體而言，四大環節智能裝備系統及其關鍵零部件，仍依賴工業發達國家，中國汽車制造智能裝備市場目前仍以外資占主導地位。因此，2017年工信部、發改委和科技部出臺《汽車產業中長期發展規劃》，明確先進裝備是建設汽車強國的重要支撐，大力發展汽車工業先進制造裝備。汽車行業是制造業中自動化和信息化程度最高的，在全球的工業機器人，有35%都是應用在汽車行業中的。由此可見，企業數字化轉型的號角早已吹響，技術人員身處數字經濟時代的前沿，對企業未來的探索是當下的使命，科技創新顯然是重中之重。多云治理、數據安全、通訊等成為企業創新改革的重要衡量。
1機電一體化概述
機電一體化是一種綜合的工業技術，通過將最有效的開發實踐和技術融和到精簡設計、樣機研究和系統發布中，以此來提升整個設計過程。正是各種各樣的機電一體化設備，才使我們的生活產生了翻天覆地的變化，“機電一體化”也成為現代工業生產的代名詞，對于機電一體化技術的應用，是現在的制造業的一個非常重要的發展標志，無論是過去的傳統制造業，還是立足于工業4.0的智能工廠和數字工廠，從生產設備的硬件配置來說，機電一體化技術絕對是核心應用。我們夢想中的那些“黑燈工廠”，“智能工廠”，“機器替人”，其實都是生產設備軟硬件有機結合的結果。其中，硬件設備大量升級的改進，就是機電一體化技術的綜合應用的結果，特別是隨著工業控制軟件技術的發展，越來越多的控制技術被踐行和落地，也使得很多現代化的加工模式和手段得以成型，再配合非標的機械結構設計，在很多加工工位上，都可以實現顛覆傳統的高效加工模式。很多在傳統制造業企業加工過程中需要依靠工人的技術和經驗去保證質量的工序，完全可以通過機電一體化的先進設備來代替人工完成，而且效率更高，質量更好，成本更低。而傳統的技術人員也逐漸的淪為加工生產中的協助者和調度者，他們不再是產品質量的決定因素，他們更多的是在做資源配置和協調的作用，是以一個輔助者的身份在出現。所以對于機電一體化的大力推廣和應用真正顛覆我們整個制造業的生產模式，這不再是一種單純的趨勢，更是一個不可否認的事實。
2機電一體化技術在汽車智能制造中的應用
目前，我國汽車工業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，推動創新，增強智能制造核心設備自主供應能力，不斷完善智能制造標準體系，逐步鞏固工業軟件等基礎保障能力，通過示范建設綜合服務，通過集成應用提高新模型應用水平的能力。專項行動實施三年來，共支持汽車行業智能制造試點示范項目33個，占支持項目的16%，涵蓋傳統和新能源汽車、乘用車、商用車、客車、以及智能聯網車輛等領域。除發動機、變速器、底盤系統、動力電池、汽車電子、車輪、輪胎、汽車玻璃等關鍵部件外，項目取得了顯著成效，示范驅動和綜合應用輻射放大效應十分突出。
2.1電子制動系統電子制動系統
（ElectronicBrakingSystem，EBS）集成了電控氣壓制動系統（Electro-PneumaticBrake，EPB）、防抱制動系統（AntilockBrakingSystem，ABS）和驅動防滑系統（Anti-SpinRegulator，ASR）三個子功能。近年來，國內零部件企業（亞太股份、力邦、伯特利等）在EPB研發與產業化上取得了較大的進展，隨著電動汽車的快速發展，EPB的普及程度越來越高，競爭日趨激烈，如何在不犧牲產品功能、特性、結構的前提下，縮減成本和降低系統復雜性，一直是零部件企業面臨的問題。在這樣的背景下，遵循德國VDA305-100規范，TRW率先提出了“EPBi”的概念，即集成化電子駐車系統，如圖1所示。
2.2智能自動化柔性生產技術
柔性制造系統是為了適應復雜制造任務而產生的。隨著市場需求的變化，自動化、信息技術和管理科學的發展，柔性生產已經逐漸覆蓋了工業生產的各個領域。柔性制造就是讓企業生產可以快速響應市場的需求變化，并且消除冗余損耗，最終達到企業效益最大化的效果。一方面，計算機輔助化、人工智能、人工神經網絡以及模糊控制技術等先進的技術被廣泛應用于柔性化制造技術，使得柔性化制造技術得到很大的發展。另一方面，隨著柔性化制造技術的成熟和規模化，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，這就使機器人的應用得到迅速普及。福特公司計劃在未來幾年內，將全球工廠的焊裝線逐步采用全機器人焊接，國內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備投資費用高的問題，各汽車廠正通過提高對產品設計的平臺化、模塊化、標準化的要求，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，最大程度的實現產品的個性化。如果平臺化做得好，整個工藝裝備的投資可以節省80%以上。
2.3協作機器人的普及化
為應對汽車行業升級變革需求，協作機器人與汽車制造展開深度聯合創新，基于協作機器人平臺和擰緊技術平臺共同開發出柔性化智能擰緊裝配系統，實現了在復雜裝配環境下進行人機協作，全面提升裝配效率和生產質量。盡管汽車行業高度自動化，但仍有逐步增長的巨大潛力。協作式機器人正在推動整個汽車行業的效率提升，其應用領域包括機床裝載、檢驗，以及動力總成、電子器件和內飾的裝配。從供應鏈中的一級OEM到承包商，靈活、經濟高效的協作式機器人正在提高一系列次總成、模塊和系統的產量，并確保一致性。易于部署和重新部署的協作式機器人很好地解決了行業對定制化和快速響應消費者需求變化的需要。協作式機器人可以與員工并肩作業，提高員工產出，確保一致性，并允許他們在單個工作區域中處理更多生產流程中的部分工作。傳統自動化只能以全有或全無的方式實施，而協作式機器人可以讓汽車制造商對特定任務進行自動化，并迅速實現投資回報。
3機電一體化技術的特點
機電一體化技術的特征是在機電一體化概念的基礎上，強調了光、光電子、激光和光纖通信等技術的作用，屬于應用領域更為寬闊的機電一體化技術。與傳統的機械產品相比較，機電一體化產品具有以下技術特征：①體積小、重量輕、成本低、適應性強、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、高穩定性、長壽命；④衍生出許多新產品；⑤綜合性和系統性；⑥產品技術層次多，應用范圍廣等特點。機電一體化是一種能夠開發智能制造新生產模式的技術。其核心技術主要由六大部分組成：①機械技術：它是機電一體化的基礎。機械技術的重點在于如何適應機電一體化技術。其高新技術更新了觀念，實現了結構、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：其中，信息交換、訪問、計算、判斷與決策、人工智能技術、專家系統技術、神經網絡技術都是計算機信息處理技術。③系統技術：基于總體概念組織和應用各種相關技術，從總體角度和系統目標出發，將總體分解為若干相互關聯的功能單元。接口技術是系統技術的一個重要方面，它保證了系統各部分的有機連接。④自動控制技術：范圍很廣，在控制理論的指導下進行系統設計，設計的系統仿真、現場調試、控制技術包括高精度定位控制、速度控制、自適應控制、自診斷校正、補償、再現等，檢索等。⑤傳感器檢測技術：是系統的接收器，實現自動控制和自動調整的關鍵環節。功能越強，系統的自動化程度越高。⑥伺服傳動技術：包括電動、氣動、液壓等各種類型的傳動裝置。伺服系統是實現電信號轉換為機械動作以及系統性能動態的轉換裝置和部件，控制質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，貫穿設計、生產、管理、服務等制造活動各個環節，具有信息深度自感知、智慧優化自決策、精準控制自執行等功能的先進制造過程、系統與模式的總稱。具有以智能工廠為載體，以關鍵制造環節智能化為核心，以端到端數據流為基礎、以網絡互聯為支撐等特征。由此看來，機電一體化對智能制造的重要性。
4機電一體化技術在汽車智能制造中的案例分析
自工業4.0概念誕生以來，以智能制造為主導的第四次工業革命蓬勃興起，智能工廠將成為未來工業體系的關鍵。在智能工廠中，人、機器和資源就像在網絡平臺上一樣。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任務。智能工廠能夠根據企業不斷變化的需求進行開發和發展，引入更具預測性和響應性的操作和維護方法、新工藝或技術，或生產過程中的準實時變化。憑借更強大的計算和分析能力，以及更廣泛的智能互聯資產生態系統，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變化。智能生產涉及利用高科技技術實現整個生產能力的智能化生產調度、自動物料配送、狀態跟蹤、優化控制、智能調度、設備運行狀態監控、質量追溯與管理、車間績效等。對異常生產、設備、質量進行正確判斷和處理，實現生產執行與運營管理、研發設計、智能設備的集成；實現設計與制造一體化，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款柔性生產線，可實現多車型協同生產，同時具備強大靈活的生產性能，可創造個性化定制車型的生產和開發，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套柔性數控機器人定位系統，可滿足不同車體在同一生產線上的定位；配合17套集中式色彩供應系統，可快速滿足客戶定制需求。同時，BorgwardSmartFactory在追求卓越生產的同時，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多種內飾配件引領行業標準。精細的搭配可以保證車輛從內到外的精致外觀。此外，嚴格、防滴漏的全面檢查擁有三條國際領先的所有項目檢查線，1075個車輛檢查項目嚴格防范車輛質量問題，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，車輛將經受嚴格的測試。在生產過程中，寶沃以夯實的精密工藝將品質注入產品核心。工藝、材料及外觀設計非常好，間隙尺寸達到了生產過程中最先進的測量技術的高端標準。寶沃在創紀錄的時間內建造了相當于29個足球場面積的汽車工廠，這一成就是相當震撼的。
4.2法士特：“智能生產系統”自主造
在工業4.0時代，智能工廠非常流行。法士特作為商用車傳動系統行業的領導者和變速器制造專家，依靠科技進步和自主創新，緊跟全球前沿技術，不斷加快生產自動化和智能化的發展。獨特的“智能制造”方法。精益生產在德國被列為構成未來智能工廠的四大模塊之一。精益生產也是中國企業實施工業4.0、加快轉型升級的基礎和保障。早在2009年，法士特公司就正式啟動了“科學改進、效率改進和成本降低（KTJ）”活動，全面實施精益生產。精益生產方法中的流暢流程是生產線優化的基礎。法士特要求以“一個流程”的概念進行生產布局。在實施初期，對包括第五車間12速裝配線、第三齒輪聯接車間中間軸、1124、滑套、分箱主軸和第二軸在內的6條生產線進行了精煉和成功改造。這些生產線通過實施“一流式生產”進行改造，生產線依靠工序間滑道進行單件轉移，無需手推車，零件從進線到出線的加工周期大大縮短。搬運次數大大減少，在線物流順暢，不僅減少了碰撞，而且及時發現問題，降低了批量質量事故的概率。通過大規模精益改造，大大提高了生產效率，節約了人力資源，減少了工序間的工作量，人均效率提高了30%以上，為自動化生產打下了堅實的基礎。自動懸臂裝配線（J-hookAssemblyLine）結合工業自動控制、通訊、智能機器人、定扭矩擰緊、信息控制、檢測等技術，實現多工位自動裝配。裝配線具有自動操作、停止、翻轉、提升、精確定位和安全保護功能。該機器人實現了柔性變螺距擰緊、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量風險。航空物流系統連接到清洗機，并自動將零件運輸到裝配站，以消除零件碰撞。配備六自由度機器人，實現產品流程在線自動檢測和自動控制，可完成多個產品的混線柔性裝配，實現單一配送模式。一次性包裝合格率提高3%，流水線生產能力提高25%，占地面積節約27%，有效降低了工人的勞動強度，大大提高了產品裝配的自動化、智能化水平。
5機電一體化技術在汽車智能制造中的意義
機電一體化技術應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物，現在大家都在這個方向努力尋求技術突破，但是對汽車工業而言，無論是傳統汽車企業還是所謂的新型汽車企業都很難跨越百年汽車產業所必須具備的基本能力，機電一體化技術中耐久性、舒適性、可靠性等各種性能指標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中，機電一體化技術可以體現出許多優勢。首先，采用機電一體化控制技術可以提高系統各方面的性能。與傳統的自動化控制系統相比，機電一體化控制系統更加智能化。智能控制技術的應用作為未來微電子工業和機械工業的主要發展方向，可以幫助機電一體化系統消除中間模型分析環節，并結合外部環境的變化趨勢調整控制指令，最后在控制器的共同作用下，在外部環境中完成控制任務，提高機電系統的精度。其次，智能控制技術在提高工作效率方面也能發揮不可磨滅的作用。通過智能控制技術，系統能快速進入工作狀態，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，智能控制技術的應用可以提高機電一體化系統的安全性和可靠性。只要輸入指令，系統就可以按照指令工作并遵循流程。可對設備的結構進行調整和控制，實現對操作系統的有效智能控制。最大限度地提高機電一體化系統的安全性和可靠性。
6結束語
在“中國制造2025”和“工業4.0”背景下，中國現在從制造大國向制造強國轉變，要生產出一個高附加值的產品需要優質的原材料和零部件、配套人員及管理，同時智能連接器方案、工業機器人作為智能設備，在“智能工廠”模式中起到關鍵作用。在全球節能減排、綠色發展的大背景下，結合新一輪的科技革命推動，智能制造已成為汽車制造產業發展的戰略方向，為我國汽車制造業突破增長瓶頸，實現設計、制造和服務一體化，實現產業升級提供了重要途徑。加強對智能制造技術專業人才的培養成為促進汽車產業發展的重要保證。
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作者:胡希偉 趙宇飛 單位:淄博建筑工程學校
