機械自動化技術在汽車節能減排中的應用

中圖分類號：U463.6 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（2025）10-0179-03

【Abstract】 Based on the complex energy consumption structure in automobile manufacturing， the energy-saving control path of mechanical automation technology in welding，assembly，handling andexecutionunit is studied，the energy consumption characteristics andoptimization strategies of key processnodes are expounded，and the sensing scheduling and power state management mechanism in the control system are introduced.Combined with the transformation case of a vocationalcollege training platform，anenergy-saving integrated system with teachingand evaluation functions is constructed.Theresults showthathierarchical controland modular managementcan efectivelysupport therealizationof manufacturing energy-saving goals.

【Key words】mechanical automation；energy saving control;automobile manufacturing;scheduling optimization;training system

0 引言

在“雙碳”目標驅動下，汽車制造業對綠色生產與高效能控提出了更高要求，傳統工藝能耗結構急需重構。機械自動化技術作為制造系統的核心支撐，在節能控制與流程優化中具有顯著潛力。本文以汽車制造環節為對象，聚焦焊接、裝配、搬運及執行系統的能耗控制機制，結合職業院校實訓平臺進行結構化分析，旨在構建具備工程實用性與教學示范性的節能控制體系。

1機械自動化節能控制原理

機械自動化系統在節能控制中的核心優勢在于其可編程性與高響應性，使能耗控制具備精準化與動態化能力[]。制造環節中的能源損耗主要來源于空轉能耗、低效負載運行及非計劃待機。通過集成高效執行單元，構建分層控制結構，并結合任務節拍優化與負載自適應調度，可實現設備的功率匹配與按需啟停[2。典型控制策略包括能耗預測驅動的任務編排、周期負載整合與狀態轉移控制機制。系統通過實時采集功率、運行時間等關鍵參數，形成能效評價模型，為設備運行狀態提供閉環優化依據，從而在保障生產節拍的前提下顯著降低單位作業能耗。

2節能關鍵環節中的自動化應用

2.1焊接工藝優化

車身點焊工藝廣泛采用多軸機器人執行電阻點焊，單次焊接電流通常為9～12kA，通電時間控制在0.4～0.6s，焊接回路電阻一般在 0.08～0.12mΩ^[3] 。若工藝路徑未加優化，機器人在各焊點間運動所產生的空行程會構成非必要能耗來源。節能控制的第一步是對機器人動作進行幾何路徑重構與作業點重排序，采用基于TSP（旅行商）模型的路徑優化算法，將路徑中焊點切換順序重新編排，最小化空間跳躍距離與動作冗余。焊接能耗主要由式（1）計算：

E=I²?R?t

式中：1- 電流； R 1 -回路電阻；t 一通電時間[4]

為進一步控制能耗，應通過脈寬調制（Pulse-WidthModulation，PWM）電流控制方式精細調節焊接電流波形，匹配板材厚度與材料電阻率；同時，通過在機器人控制器中嵌入工位預判模塊，提升路徑執行時的節拍協調性，從而減少無效待機與重復起停所造成的能量浪費。

2.2 裝配流程改進

汽車動力總成、底盤系統與車身附件的自動化裝配過程能耗主要集中在機械臂高頻動作、夾具定位調整和設備空載待機等環節。為提升裝配段能效，首要措施是在工藝節拍允許范圍內引入自適應節拍調度策略，動態調整機械臂加減速曲線，降低高頻啟停所造成的瞬時峰值功率消耗。工業級六軸裝配機器人在標準狀態下功率約為 2.5～3.2kW ，處于非作業狀態時仍維持600W以上的系統維持功率，因此需在控制邏輯中嵌入短時智能休眠機制，判斷連續等待超過1.2s，即切換至低功耗控制區。

在裝配工位與部件定位系統中，改進傳統氣缸夾持方式，替換為電動夾爪并配置多傳感器同步定位模塊，以減少氣動系統壓縮空氣的能源轉換損耗。最后，對裝配平臺的任務調用與物料到位過程實施并行控制，利用以太網總線構建任務觸發閉環，減少控制鏈路中的響應延遲與系統空載時長，從系統調度層面壓縮非作業耗能時間。

圖1改進后裝配流程

2.3 搬運系統升級

傳統汽車車間搬運主要依賴人工駕駛叉車與軌道滑車系統，存在能耗高、路徑剛性、協同效率低的問題。為實現節能目標，搬運系統改造應采用基于SLAM導航的中型AGV（額定載重 500～800kg 最大功率約 1.8kW ），替代固定路徑滑車，構建動態路徑規劃機制。系統部署時需在廠區內分區布置激光反射板和UWB基站，提升室內定位精度至 ±5cm ，保證AGV動態避障與精準對接。為減少搬運過程中的冗余路徑，可通過MES系統下發批次級搬運任務，并集成調度模塊對任務進行按優先級聚合調度，避免空載往返。AGV控制器內部集成鋰電池電量監測模塊，在任務空隙期間主動進入低功耗待機模式，自動斷開非必要驅動模塊，僅保留通信與感知模塊工作，降低間歇期間無效能耗。各個裝配工位通過邊緣節點實時上傳工位物料狀態，系統根據“物料待補閾值”觸發搬運任務，避免全量周期性巡檢帶來的持續能耗浪費，提升搬運任務與生產節拍的同步性與能耗利用效率。

3設備與控制系統節能分析

3.1 機器人動作優化

工業機器人在車間內主要承擔夾持、轉運、擰緊等任務，其動作軌跡與冗余關節控制直接影響運行能耗。為提升動作效率，應優先在控制器中部署“最小加速度運動規劃算法”，用于生成平滑無抖動的多軸運動曲線，避免頻繁急停急啟造成的電流沖擊。以六軸機器人為例，其單軸空載運行峰值功率可達 350W ，若在頻繁啟動階段未做速度梯形曲線限制，易導致整機功率峰值躍升至 1.8kW 以上[5]在動作冗余控制方面，應引入動態約束區間，在多階位姿切換中優先選擇最小角動量路徑，減少重復運動。對于重復性高的作業，如電池模組裝配，可結合RTCP（工具中心點跟蹤）技術，固化裝配軌跡，實現重復點位緩存，減少每周期的數據解算負擔與伺服電流波動。在系統集成層，需構建能耗狀態機，通過IO接口采集機器人驅動模塊運行狀態，實現待命態、緩沖態、執行態之間的自動切換，并在非作業段啟用部分軸電機制動，防止整體系統持續處于滿負載維持模式，造成額外損耗。

3.2傳感與調度控制

制造執行系統中大量能耗來源于多設備非同步調度、感知延遲與冗余啟動。為提升整體系統能效，需在傳感層與控制層間構建數據驅動型調度邏輯。各執行節點（如機器人、夾持單元、輸送臂）配置本地IO感知模塊與溫濕、位移、負載傳感器，通過RS485總線或EtherCAT工業以太網實時上傳狀態信息至PLC控制站。在調度控制層部署任務級狀態映射表，依據工藝流程將各設備運行狀態抽象為“請求態”“啟動態”“待機態”“退出態”，并構建如下功耗控制模型：

式中： u_i（t） 第 i 臺設備在時刻 t 的運行狀態（0或1）； P_i —該設備額定功率。

該模型實現了按需激活邏輯控制。系統根據前置工位狀態與節拍滯后量 ΔT 計算響應優先級，自動調節下游設備啟停策略，避免同步啟停引起的峰值疊加。對于檢測段、緩存段等非核心工位，引入“低頻觸發策略”，設定最大響應周期不超過 15s ，在穩定節拍下保持最小必要感知頻率，以降低通信與采樣能耗。

3.3執行單元能效提升

汽車制造系統中的執行單元，包括電機、氣缸與液壓缸，是構成總能耗的重要組成部分，其運行頻率高、負載變化劇烈。能效提升應從選型、驅動與反饋控制三個層面協同優化。在電機選型方面，應優先采用符合IE4及以上能效等級的永磁同步電機，相較傳統異步電機，其低速下運行效率可穩定維持在 88% 以上，尤其適合頻繁啟停的裝配與轉運作業。

在氣動系統中，采用分區供氣與壓力伺服控制技術，對氣缸按行程負載匹配不同供壓。一般標準雙作用氣缸在額定負載 50N 、工作壓力 0.5MPa 下，其能量轉換效率不足 30% 。通過精控電磁閥結合比例調壓閥控制回路，可根據氣缸當前行程反饋動態調整供氣流量，降低過壓空耗，并抑制氣動回程能量浪費。

液壓執行系統中，建議取消集中式恒壓泵站配置，改為多點布置的變量泵 + 蓄能單元組合，每站局部調壓，以適應間歇式重載工況；各類執行單元均應配置能耗狀態監測模塊，實現局部運行數據上報與邊緣端智能斷電，避免空載運行持續維持狀態帶來的隱性功耗。

4實訓系統節能改造實踐

4.1 系統現狀與問題

某職業技術學院智能制造實訓中心，裝配與焊接實訓區配置8套國產六軸機器人、4條半自動裝配線及1套氣動搬運系統，整體缺乏系統化能效控制機制。機器人采用固定功率模式，非作業狀態仍維持約580W功耗，日均空載達 3.5h ，未配置啟停邏輯與負載適配策略。裝配工位PLC控制器無節拍調度，常出現設備同時啟停與頻繁待機，造成峰值疊加。氣動系統采用 0.6MPa 集中供壓，即便無任務仍持續運行。平臺尚未配備能耗監測模塊，無法實現分項能耗反饋，節能評估與策略調節缺乏數據基礎支撐。

4.2 改造方案設計

針對實訓平臺存在的空載能耗高與響應冗余問題，改造方案采取模塊化分區、控制邏輯重構及能耗監測集成策略。機器人控制器增加功率狀態監測模塊，設定啟停電流閾值1.8A，空載持續30s自動轉入“伺服待機”模式，僅保留位置保持與通信功能，適配教學下的高頻啟動工況。裝配線PLC邏輯重構后引入節拍緩沖與工位聯動識別機制，采用“工位就緒 + 物流完成”雙信號控制啟停，避免提前運行。系統控制網絡統一采用EtherNet/IP，總線周期控制在 25ms 以內，保障響應精度。氣動系統升級為分區雙壓供氣結構，末端配置電控減壓閥，低負載工況下將供壓控制在 0.2～0.25MPa 。搬運系統增設三點式光電感應定位器，實現物料狀態檢測與供氣動作閉環聯動。主控制柜內集成三相導軌式電能表，對各模塊進行能耗分項采集，并上傳至教學可視化平臺作為后續節能策略優化依據。

4.3 數據評估與成效

改造完成后，對實訓平臺3日內20輪任務運行數據進行采集，涵蓋機器人功耗、裝配線啟停次數、氣源壓力與用氣時間等關鍵指標，如表1所示。

表1改造前后核心指標對比

由表1可得，機器人空載功耗從 0.58kW 降至0.22kW ，下降幅度達 62% ，表明休眠機制有效抑制非作業能耗；裝配啟停頻次減半，反映節拍聯動控制顯著緩解頻繁啟動造成的能量波動；單位任務耗氣量減少3.7L，氣動系統供需匹配更精確；供氣壓力波動收窄至 ±0.06MPa ，說明系統運行穩定性提升，為教學系統集成持續優化提供了良好支撐。

5結束語

機械自動化技術在汽車制造節能減排體系中展現出顯著的控制潛力與系統優化價值，針對焊接、裝配、搬運及末端執行等環節的能效提升策略具有明確的技術適應性與實踐導向。面向未來，需進一步深化能耗感知、狀態調度與控制自適應融合機制研究，構建更具響應精度與多源協同能力的節能控制體系，并探索其在教學平臺中的持續迭代與應用場景擴展路徑。

參考文獻

[1]苗蘇紅.機械自動化技術在汽車制造中的運用[J].時代汽車，2023（4）：128-130.

[2]許方俊.機械制造與自動化設計中的節能設計理念分析[J]湖北農機化，2020（2）：32.

[3]謝紹基.節能減排技術在汽車中的應用研究[J].汽車知識，2025，25（9）：242-244.

[4]魏健東.自動化技術在汽車機械控制系統中的應用分析[J]湖北農機化，2019（1）：15.

[5]焦軼.機械制造與自動化中的節能設計理念分析[J].能源與節能，2018（5）：66-67.

（編輯 楊景）