提高機械設計制造及其自動化的有效途徑

馬志剛

摘要：近些年來隨著中國制造向中國智造的轉變，我國在機械設計制造與自動化領域的突破速度不斷提高，而在汽車制造行業(yè)領域如何有效應用機械設計制造與自動化的相關技術可對該行業(yè)發(fā)展起重要的積極影響。本文深入探討提高機械設計制造及自動化的有效途徑，詳細介紹汽車制造的相關技術，就其中的虛擬化技術在汽車發(fā)動機精確維修過程中的應用開展探討，分析汽車精密定位技術的實際應用，希望以此促進我國汽車制造行業(yè)尤其是發(fā)動機制造的進一步發(fā)展。

Abstract： In recent years， with the transformation from made in China to intelligent manufacturing in China， China's breakthrough speed in the field of mechanical design， manufacturing and automation has been increasing. How to effectively apply the relevant technologies of mechanical design， manufacturing and automation in the field of automobile manufacturing industry can have an important positive impact on the development of this industry. This paper deeply discusses the effective ways to improve mechanical design， manufacturing and automation， introduces the relevant technologies of automobile manufacturing in detail， discusses the application of virtualization technology in the accurate maintenance of automobile engine， and analyzes the practical application of automobile precise positioning technology， hoping to promote the further development of China's automobile manufacturing industry， especially engine manufacturing.

關鍵詞：機械設計制造;自動化技術;汽車制造;發(fā)動機

Key words： mechanical design and manufacturing;automation technology;automobile manufacturing;engine

中圖分類號：TH16 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）05-0232-03

1 ?汽車制造的機械設計制造及其自動化技術應用

1.1 精密定位技術

據(jù)相關研究可知，在汽車加工車間中精密定位技術具有較高的應用率，應用該項技術可發(fā)現(xiàn)在加工過程中自動化控制系統(tǒng)可能存在的問題，例如參數(shù)錯誤。除此之外，應用精密定位技術時必須對汽車關鍵零部件產(chǎn)品的加工工序進行調(diào)研與分析并明確動力設備是否符合相關標準，以此形成精密定位技術在汽車制造過程中的應用保障。除此之外，在汽車制造的過程中應用精密定位技術還可對汽車制造的整體效率與自動化加工效率產(chǎn)生重要影響。

1.2 虛擬化技術

現(xiàn)階段隨著虛擬網(wǎng)絡技術的廣泛應用，其在汽車制造領域也有了全新發(fā)展，在應用虛擬化技術時需將計算機技術與交互設備相結合，應用于汽車制造領域時，則以汽車制造工作平臺為基礎形成全新的網(wǎng)絡虛擬環(huán)境，在該虛擬環(huán)境中可將汽車制造各環(huán)節(jié)的核心關鍵內(nèi)容進行機動化分析與整合，從而對汽車零部件實際生產(chǎn)效果與加工效果進行快速模擬，并且還可對整車產(chǎn)品的實際情況進行預測模擬。除此之外，還可利用虛擬化技術中的AR、VR技術對汽車性能進行模擬分析，一定條件下還可進行測試，從而明確目前在生產(chǎn)過程中存在的技術問題與弊端，由此可進一步提高汽車在機械設計制造及自動化過程中的科學性與合理性。

2 ?虛擬化技術的實際應用——開發(fā)汽車發(fā)動機AR檢修系統(tǒng)

2.1 汽車發(fā)動機AR檢修系統(tǒng)總體方案設計

在系統(tǒng)的開發(fā)過程中，選擇SolidWorks對整體模型所需的組件進行建模和組裝，使用3dsMax進行動畫和渲染的開發(fā)。結合SolidWorks和3dsMax完成模型的搭建和其他模型的開發(fā)，利用PhotoShop等軟件對模型素材進行貼圖處理和紋理顯示，從而更好地完成模型和圖形的表達。本系統(tǒng)以維修原理和維修輔助使用的初學者為重點，借助Unity3D在移動使用上的明顯優(yōu)勢和Vuforia在移動上的優(yōu)秀兼容性，開發(fā)了Unity3D與Vuforia接入的集成。說到視頻文件，由于Unity3D自帶的模式只能識別OGG和OGV格式，因此可以使用AE（AdobeAfterEffects）來制作需要顯示的視頻格式。結合腳本擴展，系統(tǒng)識別后可以播放AVI、MP4等格式的視頻文件。通過C#腳本語言進行關鍵性能開發(fā)，選擇VisualStudio編程工具完成整個軟件系統(tǒng)的順利開發(fā)和優(yōu)化。最后，安裝安卓手機系統(tǒng)及相關插件，進一步調(diào)試后完成開發(fā)。具體開發(fā)路線如圖1所示。

2.2 開發(fā)平臺及 AR 識別類型

在本文中對AR場景進行開發(fā)時，所應用的軟件為Unity3d+Vuforia。Unity 3D 是由 Unity Technologies 研發(fā)并創(chuàng)建推出的多平臺綜合型平臺，在該軟件平臺中包含具備全面整合功能的專業(yè)化引擎。

具體而言，在該汽車發(fā)動機AR檢修系統(tǒng)的開發(fā)過程中涉及以下識別類型：

圖像：這種方法是檢測目標圖像，從而實現(xiàn)三維物體的渲染。該功能涵蓋多目標跟蹤和識別，實現(xiàn)不同設備中數(shù)據(jù)庫的同時激活和加載，激活擴展跟蹤，管理相機中的連續(xù)自動對焦和閃光燈。

多目標：檢測長方體形狀的三維動畫和周圍形狀的三維目標。它可以實現(xiàn)三維跟蹤，激活擴展跟蹤，執(zhí)行遮擋處理，管理擴展跟蹤激活和相機中的連續(xù)自動對焦和閃光燈。

圓柱體跟蹤：檢測圓柱體目標和圓柱體周圍的動畫3D對象。在該系統(tǒng)中，可以實現(xiàn)對圓柱體等目標的檢測和跟蹤、相機中的連續(xù)自動對焦和閃光燈管理。

自定義目標：當用戶使用的視頻幀正在運行或被捕獲時，建立圖像目標。您可以創(chuàng)建和管理用戶定義的圖像目標，并在擴展跟蹤激活的相機中管理連續(xù)自動對焦和閃光燈。

虛擬按鈕：開發(fā)可以在攝像頭視圖被遮擋、事件被觸發(fā)時，實現(xiàn)圖像矩形區(qū)域的目標定義。處理按鈕遮擋事件，激活多個虛擬按鈕，相機中的連續(xù)自動對焦和閃光燈管理。

2.3 系統(tǒng)構成

本系統(tǒng)應用安卓系統(tǒng)手機進行交互應用實現(xiàn)，從而完成汽車發(fā)動機檢修功能的實現(xiàn)，具體情況如圖2所示。

3 ?汽車精密定位技術的實際應用——車輛高精度定位功能

3.1 車聯(lián)網(wǎng)精密定位技術需要

21世紀以來，我國各地區(qū)的汽車數(shù)量均呈爆發(fā)式增長，這使得城市的交通擁堵情況更為嚴重，并且?guī)砹烁嗟慕煌ò踩珕栴}。為了有效緩解汽車增長所帶來的城市交通負擔及壓力，我國對此進行了全方位的努力，不僅對道路規(guī)劃及交通設施建設進行優(yōu)化與改進，同時還制定了更為嚴格的交通管理措施，盡管各舉措均有一定的效果，但是我國的交通擁堵情況仍然較為嚴重。為了有效解決這一問題車聯(lián)網(wǎng)應運而生。應用車聯(lián)網(wǎng)可有效緩解城市中的交通擁堵壓力，并且對系列性的交通問題可起到有效解決作用。具體而言，車聯(lián)網(wǎng)是一種新型系統(tǒng)網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡以車內(nèi)網(wǎng)、車載移動互聯(lián)網(wǎng)與車際網(wǎng)為發(fā)展基礎，通過相關有限技術與無線技術在車與車之間，車與網(wǎng)絡之間形成和交換信息的系統(tǒng)網(wǎng)絡，從而實現(xiàn)智能化的交通管理、智能化的車輛控制、智能化的動態(tài)信息服務?，F(xiàn)階段我國車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展速度較快，車聯(lián)網(wǎng)的普及有利于社會公眾的安全出行，使得交通擁擠情況得到有效緩解，進一步提升交通運輸效率，有利于我國城市建設的全面建成。

在車聯(lián)網(wǎng)發(fā)揮獨特性能的過程中，高精度定位技術是其核心關鍵技術之一，應用高精度定位技術所得的定位結果精確度較高，則所提供的位置信息更為準確，最終使得車輛行駛過程中的安全性較高。在應用車聯(lián)網(wǎng)的過程中，汽車駕駛過程中的應用場景可對定位精度造成嚴重影響，不同應用場景的實際定位，精度需求也有所不同。例如駕駛過程狀態(tài)為輔助駕駛時所要求的定位精度為米級;駕駛過程狀態(tài)為自動駕駛時所要求的定位精度為亞米級甚至厘米級。

由表1可知，目前我國車輛在應用過程中的車聯(lián)網(wǎng)主要包括三種不同的應用場景，分別為交通安全、信息服務與交通效率，三大應用場景，又可根據(jù)實際不同，分為典型場景與非典型場景。其中交通安全的典型場景共有三種，分別為緊急制動預警場景、自動駕駛場景、路面異常預警場景，在該應用場景下的定位精度有所差別，其中最小值小于等于1.5m;交通效率的典型場景共有三種，分別為車速引導場景、前方擁堵預警場景、緊急車輛讓行場景，在該應用場景下的定位精度差別不顯著，定位精度均為小于等于5m;信息服務場景的典型場景同樣為三種，主要包括汽車進場支付場景、動態(tài)地圖下載場景、泊車引導場景，在該典型場景下的定位精度具有較大波動，最小可達1m以下，最高可達10m。

3.2 蜂窩網(wǎng)定位

在現(xiàn)階段的高精度定位技術中蜂窩網(wǎng)定位的應用率相對較高，受到部分社會公眾的青睞。如今我國已進入5G社會，這使得蜂窩網(wǎng)定位技術在定位過程中的定位精度可達至厘米級，現(xiàn)階段應用該定位技術是主要應用的定位方法為小區(qū)ID模式，但此種模式的定位精度相對一般，因此無法滿足大部分車輛的車聯(lián)網(wǎng)需求。除此之外，蜂窩網(wǎng)在定位過程中應用圓周定位法與雙曲線定位法的頻率也相對較高，上述兩種定位技術是現(xiàn)階段蜂窩網(wǎng)定位過程中應用率較高的定位技術，二者具有高度的一致性。圓周定位法與雙曲線定位法的工作原理相比較為相似，兩種定位方法均需以三個以上固定基站為基礎，通過收集并識別具有特征值的無效信號，并計算對應的數(shù)據(jù)值從而明確目標位置。但在實際應用過程中，圓周定位法對時間同步的要求相對較為嚴格，當符合時間同步標準時才可采集特征值，雙曲線定位法對時間同步的要求相對較低。除此之外，防火網(wǎng)定位技術中還包含。波達角定位技術混合定位技術等。在蜂窩網(wǎng)定位技術中不同的定位技術具有獨特性，具體如表2所示。

3.3 局域網(wǎng)定位

在進行汽車定位的過程中，由于室內(nèi)的環(huán)境具有一定的復雜性，因此對定位技術的要求相對較高，近階段相對應用率較高且較為完善的定位技術包括4種，分別為： WiFi定位技術、射頻識別定位技術、藍牙定位技術、超寬帶定位技術。4種定位技術的定位精度均較高，但實際應用過程中仍具有一定的差別，具體定位技術的技術性能如表3所示。

由表3可知，WiFi定位技術的定位精度相對較差，可定位至秘籍，但在應用過程中具有較好的抗多徑性，并且在數(shù)據(jù)通信過程中性能較好，可在較遠的距離傳輸信息，但是應用該定位技術時的抗干擾性較差;藍牙定位技術的定位精度根據(jù)實際應用情景及影響因素的綜合作用可達至厘米級或米級，在使用過程中該技術與WiFi技術相同，均擁有較好的抗多徑性，并且在應用過程中同樣具有較好的數(shù)據(jù)通信功能，但是可良好傳輸?shù)木嚯x相對較短。另外，該定位技術的抗干擾性差，選擇該定位技術時需審慎;射頻識別定位技術即RFID技術，該技術在應用過程中的定位精度同樣可達至厘米級或米級，該定位技術不僅具有較好的抗多徑性同樣還具有較好的抗干擾性，但在應用過程中的數(shù)據(jù)通信性能相對較差、可傳輸?shù)木嚯x較近;超寬帶定位技術的定位精度相對較高，可達至厘米級，并且在應用過程中具有其他三種定位技術不可比擬的優(yōu)勢，具有較好的抗多徑與抗干擾性，并且通訊性能相對優(yōu)良，但可傳輸?shù)木嚯x較近。

3.4 室外高精度定位

在以往的汽車高精度定位過程中，若環(huán)境為室外時應用率較高的技術為衛(wèi)星定位技術，與其他同領域的定位技術相比，衛(wèi)星定位技術在室外定位車輛時具有成本優(yōu)勢與覆蓋范圍優(yōu)勢。衛(wèi)星定位技術在定位過程中若室外環(huán)境沒有遮擋或者特殊情況，則可以為用戶提供精確度較高的定位。為了進一步提高衛(wèi)星定位技術所提供定位的精準度可合并應用差分定位技術，通過兩種技術合并應用可進一步降低最終定位結果的誤差，甚至使得定位結果的精確度達到厘米級標準?，F(xiàn)階段應用率較高的差分定位技術方案主要為：首先，定位終端對基本的位置信息進行傳遞;接著，差分定位服務器根據(jù)所獲取的基本位置信息發(fā)放有針對性的差分改正數(shù);最后，提供誤差相對較小的定位結果。但是通過相關研究分析可知，上述高精度定位方案在實際應用過程中存在一定弊端，若所應用的場景對延時具有較高的要求，例如智能駕駛情景下則應用效果較差。

基于此，本文創(chuàng)新性的提供一種以V2X為基礎的差分定位方案，該方案與傳統(tǒng)的方案有所差別，在應用過程中可省去上報地理位置信息這一環(huán)，由此不僅可以優(yōu)化定位流程，同時還可直觀的根據(jù)實際情況獲得當?shù)夭罘指恼龜?shù)，從而減少因延時而導致的定位誤差。

4 ?結束語

綜上所述，在生產(chǎn)與制造過程中合理應用機械設計制造與自動化技術可以進一步提升生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效率，并且有利于創(chuàng)新多項生產(chǎn)工藝或制造工藝使其更加經(jīng)濟化發(fā)展。以汽車制造行業(yè)為例，利用機械設計制造與自動化技術可以實現(xiàn)汽車零部件或重點部位的智能化生產(chǎn)與自動化制造。具體而言，在新階段汽車零部件與整車的制造過程中，應用自動化工藝可以有效應用于各個生產(chǎn)車間從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的智能化管理，有利于生產(chǎn)質(zhì)量與生產(chǎn)效益的雙提高。除此之外，在汽車制造過程中，應用機械設計制造與自動化技術可以有效實現(xiàn)定制化生產(chǎn)的目標，通過對生產(chǎn)與加工的過程實時跟蹤與管理實現(xiàn)創(chuàng)新研發(fā)。

本文以探究提高機械設計制造與自動化技術的途徑為研究目的，通過分析虛擬現(xiàn)實技術與精確定位技術并舉例深入闡述，希望以此促進汽車制造工藝的進一步提高。

參考文獻：

[1]張生洋，楊雙江.自動化技術在汽車機械制造中的應用研究[J].內(nèi)燃機與配件，2020（23）：177-178.

[2]梁博.機械自動化在汽車制造中的應用分析[J].內(nèi)燃機與配件，2020（20）：194-195.

[3]許曉秦.汽車機械制造中自動化技術的實踐運用分析[J].內(nèi)燃機與配件，2020（16）：184-185.

[4]吳迅.對汽車制造的機械設計制造及其自動化技術研究[J].江西電力職業(yè)技術學院學報，2020，33（9）：7-8.