工业4.0在汽车制造业中的应用前景

赵　巍

上海市机电设计研究院有限公司　上海　200040



工业4.0在汽车制造业中的应用前景

赵巍

上海市机电设计研究院有限公司上海200040

概述了工业4.0，从智能工厂、沉浸式虚拟工厂、机器人、智能物流、数字化模拟仿真、生产链信息、辅助系统等方面论述了工业4.0在汽车制造业中的应用前景，介绍了工业4.0为汽车制造业带来的竞争优势。

工业； 新技术； 汽车工业； 制造； 应用； 发展

近年来，全球制造业面临转型升级和可持续发展的挑战，进而催生出工业4.0。不同于劳动力老龄化社会下的传统生产模式，工业4.0基于对制造业前景的预测，呈现出以CPS(Cyber-physical System， Cyber为Cybernetics的字根)为核心，引领第四次工业革命的全新生产体系。当然，工业4.0目前还处于发展的初级阶段。

汽车制造业作为先进工业的代表，在工业4.0下会是怎样的景象？笔者基于这一问题，介绍了工业4.0在汽车制造业中的应用前景。

1　工业4.0概述

工业1.0即机械化，以蒸汽机为标志，用蒸汽动力取代人力驱动机器，由此，手工业从农业中分离出来，正式进化为工业。

工业2.0即电气化，以电力的广泛应用为标志，用电力驱动机器取代蒸汽动力，由此，零部件生产与产品装配实现分工，工业进入大规模生产时代。

工业3.0即自动化，以可编程序控制器(PLC)和计算机的应用为标志，由此，机器不但接管了人的大部分体力劳动，而且也接管了一部分脑力劳动，工业生产能力超越人类的消费能力，社会进入产能过剩时代。

工业4.0是最新的变革，变革的支撑来源于机器人的普及与全世界的高度互联，核心在于工业、工业产品和服务的全面交叉渗透[1-2]。

2　工业4.0在汽车制造业中的应用前景

目前，汽车制造业正在不断发展与革新[3-10]，工业4.0给汽车行业带来的变化则是： 汽车的换代速度越来越快，汽车的设计越来越个性化，消费者更容易买到自己所喜欢的配置和车型，生产商更容易实现库存量最小化。此外，对于生产商来说，工业4.0之下的智能生产可以更好地控制生产，减少浪费，提高效率。

2.1智能工厂

对信息物理融合系统中的信息与通信进行整合，进而形成一种网络空间虚拟系统——CPPS(Cyber-person-physical System)，这便意味着智能工厂的诞生。信息物理融合生产系统的目标是建立普遍适用于整个生产周期的普适程序链，以实现生产灵活性与效率的双重提升。未来，CPPS设计的目标是工厂的个人、技术和组织形成一个有机的整体。

2.2沉浸式虚拟工厂

在沉浸式虚拟工厂中，智能设备(智能载物工具、无人驾驶运输工具等)在生产系统中将担任自主角色，与机器、工人及包括生产控制技术在内的其它系统组成部分进行交流，以一个自主的非人工生产要素完成任务，并参与控制生产流程。

2.3机器人

工业机器人在整车制造中的应用已经十分成熟，越来越多的工业机器人在更广泛的领域应用正成为趋势。通过机器人这样高水平的自动化设备，可以简化生产，降低成本，并提高产品质量。

目前，工业机器人大大降低了劳动力成本，提高了生产效率，在生产过程中取代人工操作的同时，又为整线缩短长度打下了基础。目前，在汽车装配生产的全过程中，通过各种自动升降机、移载机和自动锁紧装置，可以完全实现车身输送的自动化。在装配工艺和设备方面，机器人自动化和智能化程度也在不断提高。当前世界主要国家每万名产业工人所拥有的工业机器人数量见表1。

表1　每万名产业工人所拥有的工业机器人数量

2.4智能物流

工业4.0融合了机械、电子、信息学的新技术，应用于工业领域，除了狭义上的生产技术以外，还包括广义上的生产物流。实现智能物流也是未来工业4.0的重点应用成果之一，其目的在于： 简化设备使用；减少安装消耗及降低复杂度；显著提高运输车辆的智能与自主能力，使车辆可以自我调节以适应周围环境。

对于大规模生产而言，智能化数据技术提供整条供应链的实时信息，中转过程中一旦出现问题，各自的零部件供应单元立即予以回应，这种响应功能提高了全球供应网络的透明度，并优化了供应链的构架。宝马公司目前已经在个别工厂中实现了供应链的实时信息传递。

2.5模拟仿真和数字化

在线测量技术和数据库的使用有助于大幅度提高生产过程中的效率，特别是运用三维扫描仪、高分辨率数码照相机等测量设备，引入三维生产数据库，不需要图纸和人工记录，就可以直接模拟和评估，相比传统人工操作有显著优势。例如，通过特殊的三维扫描仪和高分辨率数码照相机，劳斯莱斯的古德伍德工厂仅需周末2d就能完成测量工作，而且测量精度可以达到2mm级别。同时，该工厂还建立了三维生产设备数据库，纸质图纸和耗时费力的现场人工记录方式都已被淘汰，这样的好处是，工厂有任何空间变动，三维数据库都能够直接模拟和评估，这是传统技术所无法取得的功能。

2.6生产链信息

利用自动化数据分析技术，可以使生产质量和效率取得重大提升，实现最优生产过程。特别是在工厂零部件供给流程和元器件生产过程中，网络化数据能够保障商品流动的透明度，并可以提供部件质量的具体信息。在宝马丁格尔芬和兰茨胡特工厂应用了最新的数据矩阵编码，可以记录和识别宝马7系碳纤维部件的整个生产过程。除此之外，还可以利用能被摄像头所识别的条形码储存生产链信息。

2.7互相关联的辅助系统

利用智能手表、手环、APP等最新技术，实现自动发光、振动、提醒、警报等功能，可以在最大程度上简化原本较为复杂的工艺。宝马慕尼黑和莱比锡工厂进行了一个试点项目，用于测试智能手表在汽车生产中的应用。当流水线上正在接近的车辆有特殊配置要求时，通过智能手表自动提醒装配工人，手表显示器发出光亮，振动警报也同时被激活，这样，工人就会注意下一个工艺流程的重点和差异。

3　工业4.0为汽车制造业带来的竞争优势

虽然当前离工业4.0还有很长的路要走，但这是从业者们共同努力的方向。未来，工业4.0将给汽车制造业带来强大的竞争优势，具体体现如图1所示。

图1　工业4.0为汽车制造业带来的竞争优势

4　结束语

在工业4.0时代，智能工厂将取代传统的生产设备，并生产出智能产品。通往工业4.0的过程中伴随着循序渐进的人机相互学习，许多基础技术需要进一步发展，现存的制造业基础设施也需要适应工业4.0时代的要求。从现有生产模式到工业4.0的转变，将影响从设计生产到销售售后的汽车工业

全过程，每一位从业者都应做好准备，迎接工业4.0的到来。

[1] 波特霍夫，哈特曼.工业4.0(实践版)： 开启未来工业的新模式、新策略和新思维[M].刘欣,译.北京： 机械工业出版社，2015.

[2] 森德勒.工业4.0： 即将来袭的第四次工业革命[M].邓敏，李现民，译.北京： 机械工业出版社，2014.

[3] 王本日，沈杰.汽车覆盖件模具的模面工程[J].上海电气技术，2013，6(1)： 22-26，30.

[4] 朱正德，国内汽车制造检测技术的发展轨迹和前景[J].装备机械，2012(1)： 9-14.

[5] 林鑫焱，葛如海，王斌，等.纯电动汽车动力系统参数匹配与仿真研究[J].机械制造，2014，52(8)： 6-10

[6] 王兵，蒿豪，姚一一，等.电动汽车电池箱仿真分析及设计优化[J].装备机械，2014(4)： 50-55.

[7] 朱阳兵，刘云鹏，赵磊.SPS物流技术在汽车生产中的应用[J].机械制造，2015，53(3)： 80-84.

[8] 李风雷，李玉欣.新能源汽车空调电动压缩机控制技术研究[J].上海电气技术，2013，6(2)： 28-32.

[9] 丁洪亮，刘明.新能源汽车电动涡旋压缩机泵体径向泄漏密封技术[J].装备机械，2013(1)： 14-20.

[10] 肖武华，李明，柳静，等.先进汽车冲压模具调试技术和车身匹配技术前瞻性研究[J].机械制造，2015，53(8)： 71-73.

Presented a general description on Industry 4.0 with a discussion on the potential application of industry 4.0 in automotive industry in the aspects of intelligent plant, immersive virtual factory, robots, intelligent logistics, digital and analog simulation, information of production chain and auxiliary systems, as well as the competitive edge brought by Industry 4.0 for the automotive industry.

Industry； New Technology； Automobile Industry； Manufacture； Application； Development

2016年3月

赵巍(1970—)，男，学士，高级工程师，主要从事工程设计与研究工作，

E-mail： simee_zw@mail.simee.net

TM-9；U466

A

1674-540X(2016)02-071-03