淺析我國汽車行業智能制造裝備發展現狀與挑戰

劉雙虎

摘要：本文分別介紹我國汽車行業智能制造相關智能研發裝備、自動化成套生產線系統、工業機器人以及數控機床等制造裝備的發展現狀、競爭格局，指出我國汽車行業智能制造裝備與國際先進水平的差距。探討了汽車行業智能制造裝備總體未來發展趨勢，分析了面臨的挑戰并提出發展建議。

關鍵詞：智能制造裝備;發展現狀;發展趨勢;挑戰

0 ?引言

我國已經成為全球最大汽車市場，正在由汽車制造大國向汽車制造強國轉變，實現高質量發展已經成為我國汽車產業未來發展重要任務。智能制造是實現我國汽車行業高質量發展的重要途徑，智能裝備是智能制造的關鍵體現載體。智能制造裝備主要包括智能控制系統、自動化成套生產線、智能儀器儀表、高檔數控機床、工業機器人等。陸建林（2018）等提出我國工業機器人等智能裝備具備廣闊市場空間;徐浩（2019）提出我國智能裝備產業存在行業規范標準不統一、自主創新能力薄弱、制造業專業人才缺失等問題。我國汽車行業智能制造裝備市場規模巨大，但仍存在自主核心技術缺乏、產品性能較差、關鍵裝備對外依賴度高等問題。本文對我國汽車行業相關智能制造裝備問題的研究，希望給裝備供應商未來發展提供一定的借鑒意義。

1 ?我國汽車行業智能裝備發展現狀及競爭格局

汽車智能裝備集成和融合先進制造技術、信息技術和智能技術，滿足汽車行業產品工藝和流程制造要求，對機械、電子、控制、工業軟件、傳感器、人工智能等跨領域多學科知識綜合集成運用。智能裝備在汽車產品生命周期應用主要集中在研發設計和生產階段，其中在研發設計階段主要提供智能測試儀器、臺架、環境倉等裝備;在生產階段主要提供包含面向不同車間生產線的自動化成套生產線系統、工業機器人以及數控機床等裝備產品。

1.1 智能研發裝備

智能研發裝備主要應用在研發設計階段的先進技術開發、產品的概念設計、工程設計和試制試驗等環節。先進技術開發方面主要是提供系統開發仿真裝備、試驗驗證裝備等。概念設計主要服務內容是模型制作以及模型數據的采集裝備。工程設計階段主要用于軟硬件開發的在環仿真裝備。試驗驗證方面是智能研發裝備應用最多領域，覆蓋整車、系統和零部件的各方面內容。

在汽車行業研發裝備供應方面，輕型汽車在先進技術和整車及動力總成性能試驗、仿真模擬等關鍵核心試驗測試領域裝備需求量大，但幾乎被國外供應商壟斷，國內供應商提供產品集中在部分測功機臺架、試驗艙室體以及零部件試驗設備等方面。重型商用車研發裝備主要應用在整車和動力總成測試方面，部分核心關鍵設備依賴進口，大部分輔助設備以國內設備為主。（表1）

未來，VR/AR、人工智能、大數據、5G等更多先進技術將會應用在研發裝備中。如基于VR/AR技術的自動駕駛汽車模擬器已經用于自動駕駛控制系統前期開發，能夠模擬現實世界，有利于自動駕駛汽車在不確定的環境中進行測試。同時，研發設備將會集成更多測試功能，不再進行單一測試內容。如把輔助駕駛集成在臺架，模擬雷達信號進行駕駛輔助系統的開發。

1.2 自動化成套生產線

自動化成套生產線在汽車行業已廣泛應用，從零部件到整車制造均有所應用。根據生產工藝劃分，自動化成套生產線主要包括自動化機加生產線、自動化沖壓生產線、自動化焊接生產線、自動化裝配生產線等，典型如發動機缸體/缸蓋機加生產線、車身覆蓋件/結構件沖壓生產線、白車身焊接生產線、動力總成自動化裝配線等。部分特殊生產工藝如鑄造件、注塑件、發泡件等也實現了自動化生產。

自動化成套生產線在不同企業有著不同的市場競爭格局：

在輕型汽車企業中，國際知名企業與國內優勢企業并存。具備汽車智能自動化生產線系統工程設計、總承包能力的國際知名企業與具備較強汽車智能自動化生產線系統研發設計能力，且具備生產、安裝調試及售后服務綜合能力較強的國內優勢企業均有較穩定市場份額。在不同工藝過程中，國內外企業面向的客戶略有側重，其中國際知名企業主要客戶為合資品牌，國內企業主要客戶為自主品牌及部分合資品牌。

在重型商用車企業中，我國重型商用車自動化生產線系統供應商主要以國內企業為主。

在零部件方面，自動化成套生產線主要由企業提出工藝方案，由專業集成供應商完成生產線的詳細設計與集成，以國內企業為主。部分對加工、裝配精度要求較高的產品，采用國外供應商整體方案，如發動機缸體/缸蓋加工等。

當前，工藝仿真技術已經開始應用于自動化生產線的設計過程，優化產線配置，提高效率。未來數字孿生、5G、機器視覺等技術將會越來越多應用在自動化生產線中。基于開放標準和統一協議的通訊網絡，實現所有設備的相互通訊;通過虛擬化調試，對生產線重要功能和性能進行測試，消除設計缺陷;在產品上線前測試和驗證產品的功能、安全性和質量;通過模型實施跟蹤生產線情況，提高生產效率、減少停機時間，并可以持續改進產品。

1.3 工業機器人

在汽車行業制造過程中，集成了移動機器人、堆垛機器人、裝配機器人、焊裝機器人、檢測機器人等，實現物料自動搬運、柔性物料傳送、零部件自動清洗、白車身焊接、自動化裝配等一系列作業任務。

相關數據顯示，機器人在汽車生產應用中不同生產環節中占的比例不同：弧焊占其16%，物料搬運占其13%，點焊占其15%，組裝占其22%，噴漆、沖壓、鑄造各占其3%，由此可見機器人在汽車生產中的重要性。

在輕型汽車市場中，我國工業機器人需求很大程度依賴進口，以瑞士的ABB、德國KUKA、日本FANUC和安川為首的國外品牌占據著中國機器人行業70%以上的市場份額，幾乎壟斷了機器人制造、焊接等高端領域。在重型商用車市場中，工業機器人以國外品牌為主，但國內品牌機器人也有一定應用。在零部件市場中，制造過程中大量搬運、碼垛、上下料等簡單應用環節大多采用國產工業機器人，焊接等高精度制造領域還是以進口機器人為主。

工業機器人未來發展方向是智能化、多機協作和標準化。智能化方面，虛擬仿真技術、VR/AR技術將會廣泛應用，加強機器人模擬人類智能行為的程度，同時加強機器人智能化研究，使機器人擁有獨立邏輯推理能力。多機協作方面，智能化生產線由多個機器人共同協作完成生產工作，這就對機器人多機協調化作業的精度提出了更高的要求。標準化方面，機器人通訊協議的統一以及采用標準的模塊化設計將會提高機器人協作性能和降低維護成本。

1.4 高檔數控機床

數控機床在整車生產和零部件加工中均有應有，整車生產主要是沖壓工藝的壓力機;零部件生產主要是發動機、變速器、傳動系統、制動系統、轉向系統、懸架系統中的各類零部件加工，這也是數控機床在汽車行業重點應用領域。

我國數控機床行業出現了明顯的供需矛盾，主要體現在低檔數控機床的產能過剩和高檔數控機床的供應不足而導致供給側結構性失衡。低檔數控機床行業門檻低，進入企業多，且近幾年低檔數控機床市場有效需求不足，該領域已經出現產能過剩的現象;高檔數控機床的應用越加普及，需求量越來越大，由于我國高檔數控機床起步較晚，當前國產產能不能滿足國內需求，國內大多數高檔數控機床依賴進口。在中國的機床進口國中，日本和德國占到絕大部分份額。

高速化、高精度化、功能復合化已經成為高檔數控機床必備要求。隨著汽車工業對機加產品質量和效率要求的提高，對數控機床提出了高速、精密、柔性制造的要求，機床也由普通的三軸聯動的機床逐漸發展為高速精密復合加工、五軸聯動加工中心等高檔數控機床，實現了工件一次裝卡中進行銑、鉆、鏜等多工序的加工，不僅加工精度高，同時由于快速移動和定位準確，提高了生產效率。

未來，網聯化和智能化將成為新的要求。數控機床具有雙向、高速的聯網通訊功能，以保證信息流在車間各個部門間暢通無阻，實現網絡資源共享，又能實現數控機床的遠程監視、控制、培訓、教學、管理，還可實現數控裝備的數字化服務。智能化方面，數控機床應用仿真技術和自適應控制技術，可對加工參數進行智能化優化和選擇，實現故障的自診斷和自修復。

2 ?我國汽車智能裝備未來發展趨勢

由物聯網、大數據、人工智能、數字孿生引發的汽車行業智能制造產業升級正在不斷推進，對汽車智能裝備服務商的不同層面都提出了新的較高要求，汽車智能裝備未來主要呈現一些新的發展趨勢。

2.1 即插即用、靈活配置有望成為現實

產品更新速度加快、個性化定制需求增加等要求汽車生產制造更加柔性和更加靈活，要快速適應市場變革和需求波動，及時響應訂單，提高生產效率，對柔性生產線的要求在不斷提升。隨著先進技術的發展，實現智能裝備的即插即用、靈活配置將成為現實。

2.2 裝備系統集成能力將顯著提高

汽車行業智能制造裝備改造是一項系統工程，需工業要生產過程的各個環節、各個工藝之間實現無縫銜接，全面兼顧，對制造裝備企業的全面集成能力和系統設計能力要求提升。智能制造裝備正向技術集成、系統集成的方向發展，主要體現在生產工藝技術、硬件、軟件與應用技術的集成及設備的成套，同時還體現在納米、新能源、新材料等跨學科高技術的集成，從而使裝備得到不斷提高和升級，甚至發展重大變革。

2.3 裝備數字化程度將不斷提升

裝備數字化是實現設備聯網與上云、企業智能制造轉型升級的重要基石。全面打通智能裝備的數據采集、存儲與分析能力是智能裝備供應商的重要課題。將傳感技術、信息通信技術、軟件技術等嵌入到裝備中，構建物理信息系統，實現裝備的性能提升與智能化。設計及制造過程的數字化、網絡化、智能化的最終目的不僅是提高資源調度能力，快速開發出產品或裝備，而且要努力實現大型復雜產品一次開發成功的能力。裝備數字化、管理遠程化、運維智能化成為重要發展方向。

2.4 大量先進技術將得到廣泛應用

標識解析、5G通信、數字孿生、區塊鏈技術等，在制造裝備數字化、網聯化、智能化過程進展中將會發揮越來越重要的作用。通過構建智能制造相關裝備的標識采集、數據解析等基礎設施，將分散化的物理生產單元相互連接，打破信息孤島，促進企業各層級信息系統的集成整合。數字孿生技術通過智能執行層與智能決策層構建了生產智能制造的管控平臺，感知和獲取裝備狀態和動作執行過程的信號和數據，通過變換處理、建模分析和數據挖掘，形成支持決策的信息和指令，實現對裝備及動作執行過程的檢測、預報、優化和控制。5G技術保證智能制造過程中云平臺和工廠生產設施的實時通信、以及海量傳感器和人工智能平臺的信息交互。區塊鏈的信息傳遞趨向于攜帶交易產品的全部信息，會促使交易雙方主動的提供交易內容中涉及到的全部信息，而這些信息正是構建數字孿生的基礎。

3 ?汽車行業智能裝備發展挑戰與建議

3.1 挑戰

①自主創新能力不足。我國智能裝備產業自主技術創新能力較弱，新型傳感、先進控制等關鍵核心技術沒有掌握在自己手中。關鍵技術自給率低，在新技術與新產品研發上與國外先進企業存在一定的差距。②產品性能有差距。國內智能裝備服務商部分領域裝備存在產品性能有差距、品牌溢價能力不足等問題，制約了國內智能裝備在汽車產業的推廣與應用。③部分高端裝備對外依存度較高。我國智能裝備產業起步晚，國內優勢企業數量少，產業組織結構分散，缺乏具有國際競爭力的骨干企業，部分對精度、技術要求較高裝備難以實現供應，對外依存度較高。④高層次人才缺乏。智能裝備服務商企業存在高層次人才缺口大、核心競爭力弱等問題。如在產品開發與生產方面，缺乏高、精、尖的專業科技人員，在產業運營方面缺少能力卓越的管理人才。

3.2 建議

①加大核心技術的研發投入。不斷加大對于關鍵核心技術的研發投入，爭取在部分關鍵核心技術研發實現突破，帶動汽車智能裝備產業整體發展，提升自主品牌裝備的供給能力。②提升產品及服務質量。在產品生產及服務過程中，加強質量管控，提升售后服務能力，不斷提升自主智能裝備的品牌影響力，促進市場良性發展。③積極引進與培育高層次人才。通過提高人員工資待遇、創新激勵模式、提供在職培訓等多種途徑，積極引進和培育高層次人才，促進企業在研發能力、管理能力方面的提升。

4 ?結論

我國汽車行業巨大的市場規模帶來智能裝備廣闊的市場空間。未來，汽車行業對智能裝備的產品性能、經濟性和服務保障等方面提出更高的要求。因此，我國智能裝備供應商應加大自主核心技術開發投入，提高產品競爭力，同時以更加高效的服務質量贏得市場空間，為我國自主高端裝備實現高質量發展提供支撐。

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