提高机械设计制造及其自动化的有效途径

马志刚

摘要：近些年来随着中国制造向中国智造的转变，我国在机械设计制造与自动化领域的突破速度不断提高，而在汽车制造行业领域如何有效应用机械设计制造与自动化的相关技术可对该行业发展起重要的积极影响。本文深入探讨提高机械设计制造及自动化的有效途径，详细介绍汽车制造的相关技术，就其中的虚拟化技术在汽车发动机精确维修过程中的应用开展探讨，分析汽车精密定位技术的实际应用，希望以此促进我国汽车制造行业尤其是发动机制造的进一步发展。

Abstract： In recent years， with the transformation from made in China to intelligent manufacturing in China， China's breakthrough speed in the field of mechanical design， manufacturing and automation has been increasing. How to effectively apply the relevant technologies of mechanical design， manufacturing and automation in the field of automobile manufacturing industry can have an important positive impact on the development of this industry. This paper deeply discusses the effective ways to improve mechanical design， manufacturing and automation， introduces the relevant technologies of automobile manufacturing in detail， discusses the application of virtualization technology in the accurate maintenance of automobile engine， and analyzes the practical application of automobile precise positioning technology， hoping to promote the further development of China's automobile manufacturing industry， especially engine manufacturing.

關键词：机械设计制造;自动化技术;汽车制造;发动机

Key words： mechanical design and manufacturing;automation technology;automobile manufacturing;engine

中图分类号：TH16                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）05-0232-03

1  汽车制造的机械设计制造及其自动化技术应用

1.1 精密定位技术

据相关研究可知，在汽车加工车间中精密定位技术具有较高的应用率，应用该项技术可发现在加工过程中自动化控制系统可能存在的问题，例如参数错误。除此之外，应用精密定位技术时必须对汽车关键零部件产品的加工工序进行调研与分析并明确动力设备是否符合相关标准，以此形成精密定位技术在汽车制造过程中的应用保障。除此之外，在汽车制造的过程中应用精密定位技术还可对汽车制造的整体效率与自动化加工效率产生重要影响。

1.2 虚拟化技术

现阶段随着虚拟网络技术的广泛应用，其在汽车制造领域也有了全新发展，在应用虚拟化技术时需将计算机技术与交互设备相结合，应用于汽车制造领域时，则以汽车制造工作平台为基础形成全新的网络虚拟环境，在该虚拟环境中可将汽车制造各环节的核心关键内容进行机动化分析与整合，从而对汽车零部件实际生产效果与加工效果进行快速模拟，并且还可对整车产品的实际情况进行预测模拟。除此之外，还可利用虚拟化技术中的AR、VR技术对汽车性能进行模拟分析，一定条件下还可进行测试，从而明确目前在生产过程中存在的技术问题与弊端，由此可进一步提高汽车在机械设计制造及自动化过程中的科学性与合理性。

2  虚拟化技术的实际应用——开发汽车发动机AR检修系统

2.1 汽车发动机AR检修系统总体方案设计

在系统的开发过程中，选择SolidWorks对整体模型所需的组件进行建模和组装，使用3dsMax进行动画和渲染的开发。结合SolidWorks和3dsMax完成模型的搭建和其他模型的开发，利用PhotoShop等软件对模型素材进行贴图处理和纹理显示，从而更好地完成模型和图形的表达。本系统以维修原理和维修辅助使用的初学者为重点，借助Unity3D在移动使用上的明显优势和Vuforia在移动上的优秀兼容性，开发了Unity3D与Vuforia接入的集成。说到视频文件，由于Unity3D自带的模式只能识别OGG和OGV格式，因此可以使用AE（AdobeAfterEffects）来制作需要显示的视频格式。结合脚本扩展，系统识别后可以播放AVI、MP4等格式的视频文件。通过C#脚本语言进行关键性能开发，选择VisualStudio编程工具完成整个软件系统的顺利开发和优化。最后，安装安卓手机系统及相关插件，进一步调试后完成开发。具体开发路线如图1所示。

2.2 开发平台及 AR 识别类型

在本文中对AR场景进行开发时，所应用的软件为Unity3d+Vuforia。Unity 3D 是由 Unity Technologies 研发并创建推出的多平台综合型平台，在该软件平台中包含具备全面整合功能的专业化引擎。

具体而言，在该汽车发动机AR检修系统的开发过程中涉及以下识别类型：

图像：这种方法是检测目标图像，从而实现三维物体的渲染。该功能涵盖多目标跟踪和识别，实现不同设备中数据库的同时激活和加载，激活扩展跟踪，管理相机中的连续自动对焦和闪光灯。

多目标：检测长方体形状的三维动画和周围形状的三维目标。它可以实现三维跟踪，激活扩展跟踪，执行遮挡处理，管理扩展跟踪激活和相机中的连续自动对焦和闪光灯。

圓柱体跟踪：检测圆柱体目标和圆柱体周围的动画3D对象。在该系统中，可以实现对圆柱体等目标的检测和跟踪、相机中的连续自动对焦和闪光灯管理。

自定义目标：当用户使用的视频帧正在运行或被捕获时，建立图像目标。您可以创建和管理用户定义的图像目标，并在扩展跟踪激活的相机中管理连续自动对焦和闪光灯。

虚拟按钮：开发可以在摄像头视图被遮挡、事件被触发时，实现图像矩形区域的目标定义。处理按钮遮挡事件，激活多个虚拟按钮，相机中的连续自动对焦和闪光灯管理。

2.3 系统构成

本系统应用安卓系统手机进行交互应用实现，从而完成汽车发动机检修功能的实现，具体情况如图2所示。

3  汽车精密定位技术的实际应用——车辆高精度定位功能

3.1 车联网精密定位技术需要

21世纪以来，我国各地区的汽车数量均呈爆发式增长，这使得城市的交通拥堵情况更为严重，并且带来了更多的交通安全问题。为了有效缓解汽车增长所带来的城市交通负担及压力，我国对此进行了全方位的努力，不仅对道路规划及交通设施建设进行优化与改进，同时还制定了更为严格的交通管理措施，尽管各举措均有一定的效果，但是我国的交通拥堵情况仍然较为严重。为了有效解决这一问题车联网应运而生。应用车联网可有效缓解城市中的交通拥堵压力，并且对系列性的交通问题可起到有效解决作用。具体而言，车联网是一种新型系统网络，该网络以车内网、车载移动互联网与车际网为发展基础，通过相关有限技术与无线技术在车与车之间，车与网络之间形成和交换信息的系统网络，从而实现智能化的交通管理、智能化的车辆控制、智能化的动态信息服务。现阶段我国车联网的发展速度较快，车联网的普及有利于社会公众的安全出行，使得交通拥挤情况得到有效缓解，进一步提升交通运输效率，有利于我国城市建设的全面建成。

在车联网发挥独特性能的过程中，高精度定位技术是其核心关键技术之一，应用高精度定位技术所得的定位结果精确度较高，则所提供的位置信息更为准确，最终使得车辆行驶过程中的安全性较高。在应用车联网的过程中，汽车驾驶过程中的应用场景可对定位精度造成严重影响，不同应用场景的实际定位，精度需求也有所不同。例如驾驶过程状态为辅助驾驶时所要求的定位精度为米级;驾驶过程状态为自动驾驶时所要求的定位精度为亚米级甚至厘米级。

由表1可知，目前我国车辆在应用过程中的车联网主要包括三种不同的应用场景，分别为交通安全、信息服务与交通效率，三大应用场景，又可根据实际不同，分为典型场景与非典型场景。其中交通安全的典型场景共有三种，分别为紧急制动预警场景、自动驾驶场景、路面异常预警场景，在该应用场景下的定位精度有所差别，其中最小值小于等于1.5m;交通效率的典型场景共有三种，分别为车速引导场景、前方拥堵预警场景、紧急车辆让行场景，在该应用场景下的定位精度差别不显著，定位精度均为小于等于5m;信息服务场景的典型场景同样为三种，主要包括汽车进场支付场景、动态地图下载场景、泊车引导场景，在该典型场景下的定位精度具有较大波动，最小可达1m以下，最高可达10m。

3.2 蜂窝网定位

在现阶段的高精度定位技术中蜂窝网定位的应用率相对较高，受到部分社会公众的青睐。如今我国已进入5G社会，这使得蜂窝网定位技术在定位过程中的定位精度可达至厘米级，现阶段应用该定位技术是主要应用的定位方法为小区ID模式，但此种模式的定位精度相对一般，因此无法满足大部分车辆的车联网需求。除此之外，蜂窝网在定位过程中应用圆周定位法与双曲线定位法的频率也相对较高，上述两种定位技术是现阶段蜂窝网定位过程中应用率较高的定位技术，二者具有高度的一致性。圆周定位法与双曲线定位法的工作原理相比较为相似，两种定位方法均需以三个以上固定基站为基础，通过收集并识别具有特征值的无效信号，并计算对应的数据值从而明确目标位置。但在实际应用过程中，圆周定位法对时间同步的要求相对较为严格，当符合时间同步标准时才可采集特征值，双曲线定位法对时间同步的要求相对较低。除此之外，防火网定位技术中还包含。波达角定位技术混合定位技术等。在蜂窝网定位技术中不同的定位技术具有独特性，具体如表2所示。

3.3 局域网定位

在进行汽车定位的过程中，由于室内的环境具有一定的复杂性，因此对定位技术的要求相对较高，近阶段相对应用率较高且较为完善的定位技术包括4种，分别为： WiFi定位技术、射频识别定位技术、蓝牙定位技术、超宽带定位技术。4种定位技术的定位精度均较高，但实际应用过程中仍具有一定的差别，具体定位技术的技术性能如表3所示。

由表3可知，WiFi定位技术的定位精度相对较差，可定位至秘籍，但在应用过程中具有较好的抗多径性，并且在数据通信过程中性能较好，可在较远的距离传输信息，但是应用该定位技术时的抗干扰性较差;蓝牙定位技术的定位精度根据实际应用情景及影响因素的综合作用可达至厘米级或米级，在使用过程中该技术与WiFi技术相同，均拥有较好的抗多径性，并且在应用过程中同样具有较好的数据通信功能，但是可良好传输的距离相对较短。另外，该定位技术的抗干扰性差，选择该定位技术时需审慎;射频识别定位技术即RFID技术，该技术在应用过程中的定位精度同样可达至厘米级或米级，该定位技术不仅具有较好的抗多径性同样还具有较好的抗干扰性，但在应用过程中的数据通信性能相对较差、可传输的距离较近;超宽带定位技术的定位精度相对较高，可达至厘米级，并且在应用过程中具有其他三种定位技术不可比拟的优势，具有较好的抗多径与抗干扰性，并且通讯性能相对优良，但可传输的距离较近。

3.4 室外高精度定位

在以往的汽车高精度定位过程中，若环境为室外时应用率较高的技术为卫星定位技术，与其他同领域的定位技术相比，卫星定位技術在室外定位车辆时具有成本优势与覆盖范围优势。卫星定位技术在定位过程中若室外环境没有遮挡或者特殊情况，则可以为用户提供精确度较高的定位。为了进一步提高卫星定位技术所提供定位的精准度可合并应用差分定位技术，通过两种技术合并应用可进一步降低最终定位结果的误差，甚至使得定位结果的精确度达到厘米级标准。现阶段应用率较高的差分定位技术方案主要为：首先，定位终端对基本的位置信息进行传递;接着，差分定位服务器根据所获取的基本位置信息发放有针对性的差分改正数;最后，提供误差相对较小的定位结果。但是通过相关研究分析可知，上述高精度定位方案在实际应用过程中存在一定弊端，若所应用的场景对延时具有较高的要求，例如智能驾驶情景下则应用效果较差。

基于此，本文创新性的提供一种以V2X为基础的差分定位方案，该方案与传统的方案有所差别，在应用过程中可省去上报地理位置信息这一环，由此不仅可以优化定位流程，同时还可直观的根据实际情况获得当地差分改正数，从而减少因延时而导致的定位误差。

4  结束语

综上所述，在生产与制造过程中合理应用机械设计制造与自动化技术可以进一步提升生产质量与生产效率，并且有利于创新多项生产工艺或制造工艺使其更加经济化发展。以汽车制造行业为例，利用机械设计制造与自动化技术可以实现汽车零部件或重点部位的智能化生产与自动化制造。具体而言，在新阶段汽车零部件与整车的制造过程中，应用自动化工艺可以有效应用于各个生产车间从而实现生产过程的智能化管理，有利于生产质量与生产效益的双提高。除此之外，在汽车制造过程中，应用机械设计制造与自动化技术可以有效实现定制化生产的目标，通过对生产与加工的过程实时跟踪与管理实现创新研发。

本文以探究提高机械设计制造与自动化技术的途径为研究目的，通过分析虚拟现实技术与精确定位技术并举例深入阐述，希望以此促进汽车制造工艺的进一步提高。

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