汽車機械智能制造及自動化技術(shù)研究

關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計制造；自動化技術(shù)；數(shù)控技術(shù)；精密定位技術(shù)

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A

0 引言

由于設(shè)備的限制，傳統(tǒng)的汽車機械制造依賴大量人力和時間來完成生產(chǎn)過程中的重復任務(wù)，這導致了汽車機械制造生產(chǎn)效率不高。機械制造需要大量的原材料，由于制造工藝的不足，在整個生產(chǎn)鏈中許多資源未能得到充分利用，不僅浪費了寶貴資源，還會對環(huán)境造成負面影響。此外，汽車機械制造過程中還存在形狀位置誤差、表面粗糙度、材料缺陷、焊接缺陷和噴涂污染等問題，嚴重影響汽車的質(zhì)量和安全[1]。

將自動化技術(shù)引入汽車機械制造，顯著改善了汽車生產(chǎn)水平。通過自動化控制系統(tǒng)操控機械設(shè)備完成一系列的汽車機械生產(chǎn)過程，同時利用計算機系統(tǒng)聯(lián)合傳感器，對生產(chǎn)過程實施全方位監(jiān)測。

1 汽車機械制造中自動化技術(shù)的重要性

1.1 提升生產(chǎn)效率

汽車設(shè)計師借助AutoCAD 繪圖軟件和計算機輔助制造技術(shù)建立三維汽車模型，進行仿真分析，進而縮短設(shè)計周期。自動化設(shè)備和生產(chǎn)線的引入，能實現(xiàn)零配件高速連續(xù)生產(chǎn)，還能實現(xiàn)零配件自動化組裝和測試，最終顯著提升生產(chǎn)效率，縮短汽車制造周期。自動化技術(shù)可大大減少人工介入，嚴格控制人工操作引起的誤差，確保汽車生產(chǎn)的穩(wěn)定性和生產(chǎn)速度。

1.2 降低生產(chǎn)成本

自動化技術(shù)更多地依賴機械設(shè)備和自動控制系統(tǒng)，降低了整個生產(chǎn)中人力操作，極大地減少了人工成本以及其附帶的培訓、維護等費用。自動化生產(chǎn)線通過集合各種資源來精準控制汽車生產(chǎn)過程，減少了原材料的廢品率，提升了原材料的利用率，從而降低材料成本。此外，自動化技術(shù)還能縮短生產(chǎn)周期、降低設(shè)備故障發(fā)生率，達到降低成本的目的[2]。

1.3 提升汽車質(zhì)量和安全性

機械設(shè)備聯(lián)合配備傳感器的檢測設(shè)備，可以實時地全方位檢測零配件生產(chǎn)過程的重量、尺寸等（尤其是形狀復雜的零配件），及時檢測出零配件誤差和缺陷，及時糾正，確保零部件質(zhì)量。在汽車零部件組裝時，通過精準控制零部件位置，保證高度的一致性和精度，極大地減小因人工操作引起的誤差，保證汽車生產(chǎn)過程中質(zhì)量符合設(shè)計要求。

1.4 提升工作安全性及利于環(huán)保

傳統(tǒng)汽車制造過于依賴人工，操作人員往往要開展長時間、高強度的重復性勞動，容易因操作失誤導致安全事故。此外，操作人員在進行噴涂、焊接工作時，受高溫環(huán)境和有害氣體影響，不僅污染環(huán)境還容易引起操作人員健康問題。采用自動化技術(shù)可以極大降低人工操作導致的事故發(fā)生率，而智能噴涂系統(tǒng)不僅可以減少操作人員接觸有害氣體，還能減少有害氣體的排放，節(jié)能又環(huán)保。

2 自動化技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用

2.1 數(shù)控加工技術(shù)應(yīng)用

數(shù)控加工技術(shù)是自動化的核心和基礎(chǔ)，在汽車生產(chǎn)時，通過精準的數(shù)控機床能生產(chǎn)出復雜形狀的零部件。將編程應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)中，通過控制機器人、機床等實現(xiàn)鉆孔、銑削和車削等操作。例如，通過數(shù)控鉆床將鉆頭鉆進工件形成鉆孔，可以精準控制鉆孔的定位和尺寸；通過數(shù)控銑床用銑刀切削工件，加工出所需形狀的零件；通過數(shù)控車床對工件尺寸、輪廓進行精準加工。高性能數(shù)控系統(tǒng)通過設(shè)定參數(shù)能精準控制零部件形狀和尺寸，實現(xiàn)復雜曲面零部件精準加工需求，進而提升零部件加工效率。此外，現(xiàn)代化數(shù)控加工技術(shù)不僅能減少汽車生產(chǎn)過程中材料的浪費，節(jié)約成本，還能提升生產(chǎn)線的自動化程度，保證生產(chǎn)出高質(zhì)量的汽車。

2.2 精密加工技術(shù)

2.2.1 激光拼焊

激光拼焊技術(shù)（圖1）是指通過激光將兩塊不同性能的材料焊接成整體，用于生產(chǎn)結(jié)構(gòu)優(yōu)、質(zhì)量輕以及性能佳的汽車零部件。激光焊接不是采用傳統(tǒng)的搭接方式，而是通過對接方式進行焊接，因而具有眾多優(yōu)勢，如焊縫高度不提高、焊縫區(qū)域體積變小、熱影響區(qū)小等。同時，激光拼焊技術(shù)的采用會摒棄傳統(tǒng)工藝所用的密封膠，減小對環(huán)境的污染，更加環(huán)保[3]。

2.2.2 三維激光切割技術(shù)

三維激光切割技術(shù)是指通過帶有專用激光頭的激光切割機對三維加工對象進行加工，采用自動機器人和專業(yè)高精度激光頭，激光輸出功率穩(wěn)定，加工范圍大。它可以精確切割不同厚度的金屬材料，如金屬板和不銹鋼。在汽車制造中，傳統(tǒng)的直接沖壓加工方式消耗大量的磨具，在加工過程中需要經(jīng)常維修甚至更換模具，生產(chǎn)效率低、成本高，而激光切割技術(shù)則可以替代一些模具的使用。

汽車生產(chǎn)中的很多環(huán)節(jié)都離不開三維激光切割技術(shù)，如零配件的切割、車身修整等。其中，三維激光切割技術(shù)在汽車熱成型鋼切割中表現(xiàn)出色。由于熱成型鋼的強度極高，傳統(tǒng)的修邊模和沖孔模難以應(yīng)對，而三維五軸激光切割可以提供最小的熱影響區(qū)和極小的局部變形，非接觸性的加工方式避免了工件的機械變形和加工磨損，成為不可替代的生產(chǎn)工藝，特別適用于汽車A 柱、B 柱等高強度部件的制造。

2.2.3 清潔生產(chǎn)技術(shù)

清潔生產(chǎn)技術(shù)（CPT）是一種相對技術(shù)，旨在減少生產(chǎn)過程中的污染物產(chǎn)生量和毒性。它包括利用清潔原料和能源、提高資源和能源利用率，以及廢棄物有價資源回收等措施。在汽車制造中的應(yīng)用主要包括水基真空清洗機、超聲波清洗機等方面。例如，水基真空清洗機采用高壓噴射和真空吸附技術(shù)，能夠迅速消除零部件表面的污漬和油脂，且清洗劑無毒無害，對環(huán)境和人體健康無害。超聲波清洗機利用高頻聲波在液體中產(chǎn)生的“空化效應(yīng)”，能夠深入零部件的每一個細微角落，實現(xiàn)無死角清洗。這種技術(shù)不僅提高了生產(chǎn)效率，還確保了零部件的高精度和高品質(zhì)，符合綠色制造的要求。

2.3 自動化技術(shù)的應(yīng)用

2.3.1 自動化裝配監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)的汽車裝配主要靠人工完成，因而由人工操作引起的裝配誤差大，影響汽車整裝效果。而自動化技術(shù)的引入可以實現(xiàn)現(xiàn)代汽車的自動化裝配，還能實時監(jiān)測整個裝配流程。在裝配汽車零部件時，操作人員可以根據(jù)設(shè)計流程，通過計算機控制配備傳感器的自動化裝配系統(tǒng)，識別生產(chǎn)過程中零部件位置、參數(shù)等，自動裝配整車車體。同時，汽車裝配工作結(jié)束后，借助系統(tǒng)內(nèi)部的傳感器，該系統(tǒng)還將繼續(xù)監(jiān)測車輛生產(chǎn)過程中車輛實況，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時傳回電腦，有效地保障了汽車生產(chǎn)的質(zhì)量和安全性。因此，汽車生產(chǎn)引入自動化裝配監(jiān)測技術(shù)，在生產(chǎn)效率和汽車質(zhì)量方面均有顯著改善。

2.3.2 自動化控制檢測系統(tǒng)

自動化控制檢測系統(tǒng)在汽車機械智能制造中發(fā)揮著越來越重要的作用，不僅為高效、安全生產(chǎn)零部件提供保障，還能保障整個汽車生產(chǎn)線安全、穩(wěn)定地運行，達到提升生產(chǎn)效率、改善整個生產(chǎn)線的目的。該系統(tǒng)內(nèi)置的應(yīng)急控制裝置可以降低緊急事件的發(fā)生，并對已發(fā)生的緊急事件及時做出反饋。自動化控制檢測系統(tǒng)在現(xiàn)代汽車智能制造的作用就是通過對人機界面中不同位置的實時監(jiān)測，聯(lián)合汽車故障自動診斷系統(tǒng)以及神經(jīng)元自動控制處理系統(tǒng)，及時將檢測到的數(shù)據(jù)進行反饋和處理，降低生產(chǎn)安全事故的發(fā)生率，為汽車的安全生產(chǎn)提供保障。

2.3.3 機器視覺技術(shù)

通過光學、電子、機械和計算機技術(shù)的結(jié)合，機器視覺系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)精確識別、定位、測量和判斷。在汽車制造中的應(yīng)用主要包含質(zhì)量檢測、自動化裝配、材料缺陷檢測、生產(chǎn)線監(jiān)控和二維碼/RFID 讀取等方面，顯著提高了汽車生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。例如，3D 視覺定位系統(tǒng)憑借其高精度、快速響應(yīng)的技術(shù)優(yōu)勢，成為無人化生產(chǎn)線建設(shè)的關(guān)鍵力量（圖2）。

（1）視覺測量。用于精確測量高標準的零部件，如高精度螺紋螺孔尺寸，以保證連接間隙和精度。傳統(tǒng)的三坐標機測量方法由于效率低和數(shù)據(jù)不足，已被視覺非接觸測量技術(shù)取代。

（2）視覺檢測。通過高分辨率攝像頭和圖像處理算法，快速獲取產(chǎn)品圖像并進行特征識別，標記出車身涂裝缺陷、劃痕、凹陷以及內(nèi)部裝配問題。

（3）視覺引導?；跈C器人運動學原理，聯(lián)合多種視覺檢測技術(shù)，使得機器人在操作工件時能根據(jù)工件形狀和尺寸及時作出調(diào)整，達到智能制造的目的。

（4）零部件追溯。融入自動化產(chǎn)線中，實時追蹤零部件的狀態(tài)和位置，確保零件能夠按照計劃進行裝配，減少因裝配錯誤造成的停工停產(chǎn)。

（5）組件定位與匹配。確保生產(chǎn)過程100% 按照圖紙進行，通過精準定位和匹配，確保零部件按照設(shè)計要求進行精確對接和固定。

2.4 虛擬技術(shù)應(yīng)用

虛擬技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用主要包括汽車設(shè)計、仿真測試和生產(chǎn)自動化等方面，涵蓋了從設(shè)計到生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)，通過提高設(shè)計效率、優(yōu)化性能9E8f5cT5WfwW3tPSUfANnA==、增強安全和提升生產(chǎn)自動化水平，為汽車制造業(yè)帶來了顯著的效益和改進。

2.4.1 汽車設(shè)計

在汽車設(shè)計中，虛擬技術(shù)利用計算機和互聯(lián)網(wǎng)分析以往類似設(shè)計，通過大數(shù)據(jù)生產(chǎn)不同設(shè)計方案，預測未來汽車風格。汽車設(shè)計師根據(jù)設(shè)計方案和預測結(jié)果不僅能縮短設(shè)計周期，還能設(shè)計出最優(yōu)方案。幫助制造商提前規(guī)劃產(chǎn)品，滿足市場需求。通過對汽車設(shè)計的各個細節(jié)進行優(yōu)化，如車身線條、顏色搭配和內(nèi)飾風格等，使汽車設(shè)計更加美觀和諧。

2.4.2 仿真測試

在仿真測試方面，虛擬技術(shù)主要用于性能仿真、安全仿真和舒適性仿真。通過對汽車的動力性能、操控性能進行仿真分析，實時調(diào)整發(fā)動機參數(shù)和懸掛系統(tǒng)，以達到最佳性能表現(xiàn)。工程師借助各種數(shù)值模擬軟件，建立三維汽車模型，開展汽車運行過程中的穩(wěn)定性分析，還能模擬汽車的碰撞測試，給汽車安全設(shè)計和制造提供數(shù)據(jù)支撐。

2.4.3 生產(chǎn)自動化

生產(chǎn)自動化方面，虛擬技術(shù)借助計算機和互聯(lián)網(wǎng)控制機器人進行汽車各個環(huán)節(jié)的生產(chǎn)工作，并實時監(jiān)測整個生產(chǎn)過程，將數(shù)據(jù)及時傳回至電腦供工程師分析。不僅能提升焊接、組裝的效率，還能保障汽車質(zhì)量。

3 結(jié)束語

汽車機械設(shè)計制造與自動化技術(shù)的結(jié)合有效提升汽車機械設(shè)計制造質(zhì)量、提升汽車生產(chǎn)效率，并且節(jié)能環(huán)保。本文從動力系統(tǒng)多樣化、輕量化設(shè)計模塊化與集成化設(shè)計3 方面對現(xiàn)代汽車機械設(shè)計展開詳細敘述；并從數(shù)控加工技術(shù)、精密定位技術(shù)、自動檢測技術(shù)和虛擬化技術(shù)4 方面總結(jié)了自動化技術(shù)在汽車制造中具體應(yīng)用。未來的汽車生產(chǎn)將更加注重能源的節(jié)約和減少環(huán)境污染，以適應(yīng)綠色制造的需求。同時，汽車機械設(shè)計制造及自動化技術(shù)將與“互聯(lián)網(wǎng)+”大數(shù)據(jù)等新興技術(shù)更加緊密地結(jié)合在一起，實現(xiàn)更加智能化的工業(yè)生產(chǎn)。

作者簡介：劉熠榮，本科，高級工程師，研究方法為汽車車體結(jié)構(gòu)、機械設(shè)計和汽車維修。

通信作者：盧祥偉，碩士，研究方向為車輛工程、智能制造技術(shù)。