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(lián)等已經成為汽車技術發(fā)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(fā)周期的快速迭代，汽車智能制造產品的研發(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(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(huán)節(jié)?？傮w而言，四大環(huán)節(jié)智能裝備系統(tǒng)及其關鍵零部件，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地位。因此，2017年工信部、發(fā)改委和科技部出臺《汽車產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，明確先進裝備是建設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%都是應用在汽車行業(yè)中的。由此可見，企業(yè)數(shù)字化轉型的號角早已吹響，技術人員身處數(shù)字經濟時代的前沿，對企業(yè)未來的探索是當下的使命，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，通過將最有效的開發(fā)實踐和技術融和到精簡設計、樣機研究和系統(tǒng)發(fā)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(xiàn)代工業(yè)生產的代名詞，對于機電一體化技術的應用，是現(xiàn)在的制造業(yè)的一個非常重要的發(fā)展標志，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(yè)控制軟件技術的發(fā)展，越來越多的控制技術被踐行和落地，也使得很多現(xiàn)代化的加工模式和手段得以成型，再配合非標的機械結構設計，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(tǒng)的技術人員也逐漸的淪為加工生產中的協(xié)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(xié)調的作用，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用真正顛覆我們整個制造業(yè)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(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(yè)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(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)網車輛等領域。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(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）和驅動防滑系統(tǒng)（Anti-SpinRegulator，ASR）三個子功能。近年來，國內零部件企業(yè)（亞太股份、力邦、伯特利等）在EPB研發(fā)與產業(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，如何在不犧牲產品功能、特性、結構的前提下，縮減成本和降低系統(tǒng)復雜性，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技術
柔性制造系統(tǒng)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(fā)展，柔性生產已經逐漸覆蓋了工業(yè)生產的各個領域。柔性制造就是讓企業(yè)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(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(fā)展。另一方面，隨著柔性化制造技術的成熟和規(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(xiàn)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(jié)省80%以上。
2.3協(xié)作機器人的普及化
為應對汽車行業(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質量。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(xié)作式機器人正在提高一系列次總成、模塊和系統(tǒng)的產量，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進行自動化，并迅速實現(xiàn)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(tǒng)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(wěn)定性、長壽命；④衍生出許多新產品；⑤綜合性和系統(tǒng)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(fā)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(xiàn)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(tǒng)技術、神經網絡技術都是計算機信息處理技術。③系統(tǒng)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(tǒng)目標出發(fā)，將總體分解為若干相互關聯(lián)的功能單元。接口技術是系統(tǒng)技術的一個重要方面，它保證了系統(tǒng)各部分的有機連接。④自動控制技術：范圍很廣，在控制理論的指導下進行系統(tǒng)設計，設計的系統(tǒng)仿真、現(xiàn)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(xiàn)等，檢索等。⑤傳感器檢測技術：是系統(tǒng)的接收器，實現(xiàn)自動控制和自動調整的關鍵環(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：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)電信號轉換為機械動作以及系統(tǒng)性能動態(tài)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(huán)節(jié)，具有信息深度自感知、智慧優(yōu)化自決策、精準控制自執(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、以網絡互聯(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(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(lián)資產生態(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變化。智能生產涉及利用高科技技術實現(xiàn)整個生產能力的智能化生產調度、自動物料配送、狀態(tài)跟蹤、優(yōu)化控制、智能調度、設備運行狀態(tài)監(jiān)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(xiàn)生產執(zhí)行與運營管理、研發(fā)設計、智能設備的集成；實現(xiàn)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(xiàn)多車型協(xié)同生產，同時具備強大靈活的生產性能，可創(chuàng)造個性化定制車型的生產和開發(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線上的定位；配合17套集中式色彩供應系統(tǒng)，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(yè)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(chuàng)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(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)的領導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，不斷加快生產自動化和智能化的發(fā)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(yè)實施工業(yè)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(yōu)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(lián)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(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，降低了批量質量事故的概率。通過大規(guī)模精益改造，大大提高了生產效率，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，為自動化生產打下了堅實的基礎。自動懸臂裝配線（J-hookAssemblyLine）結合工業(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，實現(xiàn)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(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量風險。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(xiàn)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(jié)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(xiàn)在大家都在這個方向努力尋求技術突破，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業(yè)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(tǒng)中，機電一體化技術可以體現(xiàn)出許多優(yōu)勢。首先，采用機電一體化控制技術可以提高系統(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。智能控制技術的應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)，并結合外部環(huán)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(huán)境中完成控制任務，提高機電系統(tǒng)的精度。其次，智能控制技術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，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，智能控制技術的應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備的結構進行調整和控制，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變，要生產出一個高附加值的產品需要優(yōu)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(yè)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(jié)能減排、綠色發(fā)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(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)設計、制造和服務一體化，實現(xiàn)產業(yè)升級提供了重要途徑。加強對智能制造技術專業(yè)人才的培養(yǎng)成為促進汽車產業(yè)發(fā)展的重要保證。
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作者:胡希偉 趙宇飛 單位:淄博建筑工程學校
