汽車機械智能制造及自動化技術研究

關鍵詞：汽車設計制造；自動化技術；數控技術；精密定位技術

中圖分類號：U466 文獻標識碼：A

0 引言

由于設備的限制，傳統的汽車機械制造依賴大量人力和時間來完成生產過程中的重復任務，這導致了汽車機械制造生產效率不高。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，嚴重影響汽車的質量和安全[1]。

將自動化技術引入汽車機械制造，顯著改善了汽車生產水平。通過自動化控制系統操控機械設備完成一系列的汽車機械生產過程，同時利用計算機系統聯合傳感器，對生產過程實施全方位監測。

1 汽車機械制造中自動化技術的重要性

1.1 提升生產效率

汽車設計師借助AutoCAD 繪圖軟件和計算機輔助制造技術建立三維汽車模型，進行仿真分析，進而縮短設計周期。自動化設備和生產線的引入，能實現零配件高速連續生產，還能實現零配件自動化組裝和測試，最終顯著提升生產效率，縮短汽車制造周期。自動化技術可大大減少人工介入，嚴格控制人工操作引起的誤差，確保汽車生產的穩定性和生產速度。

1.2 降低生產成本

自動化技術更多地依賴機械設備和自動控制系統，降低了整個生產中人力操作，極大地減少了人工成本以及其附帶的培訓、維護等費用。自動化生產線通過集合各種資源來精準控制汽車生產過程，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，自動化技術還能縮短生產周期、降低設備故障發生率，達到降低成本的目的[2]。

1.3 提升汽車質量和安全性

機械設備聯合配備傳感器的檢測設備，可以實時地全方位檢測零配件生產過程的重量、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，保證汽車生產過程中質量符合設計要求。

1.4 提升工作安全性及利于環保

傳統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，受高溫環境和有害氣體影響，不僅污染環境還容易引起操作人員健康問題。采用自動化技術可以極大降低人工操作導致的事故發生率，而智能噴涂系統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，節能又環保。

2 自動化技術在汽車制造中的應用

2.1 數控加工技術應用

數控加工技術是自動化的核心和基礎，在汽車生產時，通過精準的數控機床能生產出復雜形狀的零部件。將編程應用到數控系統中，通過控制機器人、機床等實現鉆孔、銑削和車削等操作。例如，通過數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；通過數控銑床用銑刀切削工件，加工出所需形狀的零件；通過數控車床對工件尺寸、輪廓進行精準加工。高性能數控系統通過設定參數能精準控制零部件形狀和尺寸，實現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，現代化數控加工技術不僅能減少汽車生產過程中材料的浪費，節約成本，還能提升生產線的自動化程度，保證生產出高質量的汽車。

2.2 精密加工技術

2.2.1 激光拼焊

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

2.2.2 三維激光切割技術

三維激光切割技術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高精度激光頭，激光輸出功率穩定，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常維修甚至更換模具，生產效率低、成本高，而激光切割技術則可以替代一些模具的使用。

汽車生產中的很多環節都離不開三維激光切割技術，如零配件的切割、車身修整等。其中，三維激光切割技術在汽車熱成型鋼切割中表現出色。由于熱成型鋼的強度極高，傳統的修邊模和沖孔模難以應對，而三維五軸激光切割可以提供最小的熱影響區和極小的局部變形，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 清潔生產技術

清潔生產技術（CPT）是一種相對技術，旨在減少生產過程中的污染物產生量和毒性。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，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生的“空化效應”，能夠深入零部件的每一個細微角落，實現無死角清洗。這種技術不僅提高了生產效率，還確保了零部件的高精度和高品質，符合綠色制造的要求。

2.3 自動化技術的應用

2.3.1 自動化裝配監測技術

傳統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。而自動化技術的引入可以實現現代汽車的自動化裝配，還能實時監測整個裝配流程。在裝配汽車零部件時，操作人員可以根據設計流程，通過計算機控制配備傳感器的自動化裝配系統，識別生產過程中零部件位置、參數等，自動裝配整車車體。同時，汽車裝配工作結束后，借助系統內部的傳感器，該系統還將繼續監測車輛生產過程中車輛實況，并將監測數據實時傳回電腦，有效地保障了汽車生產的質量和安全性。因此，汽車生產引入自動化裝配監測技術，在生產效率和汽車質量方面均有顯著改善。

2.3.2 自動化控制檢測系統

自動化控制檢測系統在汽車機械智能制造中發揮著越來越重要的作用，不僅為高效、安全生產零部件提供保障，還能保障整個汽車生產線安全、穩定地運行，達到提升生產效率、改善整個生產線的目的。該系統內置的應急控制裝置可以降低緊急事件的發生，并對已發生的緊急事件及時做出反饋。自動化控制檢測系統在現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測，聯合汽車故障自動診斷系統以及神經元自動控制處理系統，及時將檢測到的數據進行反饋和處理，降低生產安全事故的發生率，為汽車的安全生產提供保障。

2.3.3 機器視覺技術

通過光學、電子、機械和計算機技術的結合，機器視覺系統能夠實現精確識別、定位、測量和判斷。在汽車制造中的應用主要包含質量檢測、自動化裝配、材料缺陷檢測、生產線監控和二維碼/RFID 讀取等方面，顯著提高了汽車生產的效率和質量。例如，3D 視覺定位系統憑借其高精度、快速響應的技術優勢，成為無人化生產線建設的關鍵力量（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。傳統的三坐標機測量方法由于效率低和數據不足，已被視覺非接觸測量技術取代。

（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、凹陷以及內部裝配問題。

（3）視覺引導。基于機器人運動學原理，聯合多種視覺檢測技術，使得機器人在操作工件時能根據工件形狀和尺寸及時作出調整，達到智能制造的目的。

（4）零部件追溯。融入自動化產線中，實時追蹤零部件的狀態和位置，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。

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

2.4 虛擬技術應用

虛擬技術在汽車制造中的應用主要包括汽車設計、仿真測試和生產自動化等方面，涵蓋了從設計到生產的各個環節，通過提高設計效率、優化性能9E8f5cT5WfwW3tPSUfANnA==、增強安全和提升生產自動化水平，為汽車制造業帶來了顯著的效益和改進。

2.4.1 汽車設計

在汽車設計中，虛擬技術利用計算機和互聯網分析以往類似設計，通過大數據生產不同設計方案，預測未來汽車風格。汽車設計師根據設計方案和預測結果不僅能縮短設計周期，還能設計出最優方案。幫助制造商提前規劃產品，滿足市場需求。通過對汽車設計的各個細節進行優化，如車身線條、顏色搭配和內飾風格等，使汽車設計更加美觀和諧。

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，實時調整發動機參數和懸掛系統，以達到最佳性能表現。工程師借助各種數值模擬軟件，建立三維汽車模型，開展汽車運行過程中的穩定性分析，還能模擬汽車的碰撞測試，給汽車安全設計和制造提供數據支撐。

2.4.3 生產自動化

生產自動化方面，虛擬技術借助計算機和互聯網控制機器人進行汽車各個環節的生產工作，并實時監測整個生產過程，將數據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，還能保障汽車質量。

3 結束語

汽車機械設計制造與自動化技術的結合有效提升汽車機械設計制造質量、提升汽車生產效率，并且節能環保。本文從動力系統多樣化、輕量化設計模塊化與集成化設計3 方面對現代汽車機械設計展開詳細敘述；并從數控加工技術、精密定位技術、自動檢測技術和虛擬化技術4 方面總結了自動化技術在汽車制造中具體應用。未來的汽車生產將更加注重能源的節約和減少環境污染，以適應綠色制造的需求。同時，汽車機械設計制造及自動化技術將與“互聯網+”大數據等新興技術更加緊密地結合在一起，實現更加智能化的工業生產。

作者簡介：劉熠榮，本科，高級工程師，研究方法為汽車車體結構、機械設計和汽車維修。

通信作者：盧祥偉，碩士，研究方向為車輛工程、智能制造技術。