虛擬制造技術(shù)在汽車裝配工藝中的應(yīng)用

堯永春

摘 要：隨著我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平的快速提升與科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，大量的新興科技被應(yīng)用于現(xiàn)代化生產(chǎn)加工過程當(dāng)中，其中虛擬制造技術(shù)作為一項(xiàng)由多門學(xué)科先進(jìn)知識(shí)成果所形成的綜合系統(tǒng)全新技術(shù)，在制造行業(yè)具有廣泛應(yīng)用。將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于汽車裝配工藝中，不但能模擬產(chǎn)品制造和裝配工藝過程，還能有效處理汽車裝配過程中產(chǎn)生的技術(shù)性問題，對(duì)于有效提高汽車生產(chǎn)質(zhì)量和生產(chǎn)效率而言具有重要意義。

關(guān)鍵詞：汽車裝配工藝;虛擬制造技術(shù);實(shí)踐應(yīng)用

中圖分類號(hào)：U466 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-155-03

Abstract： With the rapid improvement of China's economic level and the innovation and development of science and technology， a large number of new technologies have been applied in the process of modern production and processing. Among them， virtual manufacturing technology， as a new comprehensive system technology formed by advanced knowledge achievements of multiple disciplines， has been widely used in the manufacturing industry. Applying virtual manufacturing technology to automobile assembly process can not only simulate the product manufacturing and assembly process， but also effectively deal with the technical problems in the process of automobile assembly， which is of great significance to effectively improve the quality and efficiency of automobile production.

Keywords： Automobile assembly process; Virtual manufacturing technology; Practical application

CLC NO.： U466 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-155-03

前言

汽車作為現(xiàn)代最普遍的交通運(yùn)輸工具，其工業(yè)生產(chǎn)過程歷經(jīng)上百年的發(fā)展，現(xiàn)如今逐漸步入增長(zhǎng)平穩(wěn)的成熟時(shí)期。汽車行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈完備、關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)豐富，并且能有效促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的提升，是世界各國(guó)經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的重要組成。二十一世紀(jì)的到來伴隨著人民經(jīng)濟(jì)水平與生活質(zhì)量的提高，這使得我國(guó)對(duì)于對(duì)汽車的需求也越來越高，有效促進(jìn)了汽車生產(chǎn)行業(yè)與銷售市場(chǎng)的發(fā)展，使其成為支撐和提高我國(guó)經(jīng)濟(jì)穩(wěn)步增長(zhǎng)的主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)之一。從2010-2016年我國(guó)汽車產(chǎn)量變化情況來看（如圖1所示），受到全球經(jīng)濟(jì)形勢(shì)變化的影響，汽車產(chǎn)量增長(zhǎng)率有所波動(dòng)，但由于基數(shù)較高，每年新增產(chǎn)量也具有一定規(guī)模。然而在產(chǎn)品質(zhì)量和技術(shù)含量等方面，我國(guó)汽車生產(chǎn)實(shí)際情況與汽車行業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家仍存在差距。

汽車裝配行業(yè)作為汽車工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)領(lǐng)域，也是國(guó)家長(zhǎng)期重點(diǎn)支持的發(fā)展產(chǎn)業(yè)，其零部件制備過程、生產(chǎn)加工以及裝配環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)汽車生產(chǎn)市場(chǎng)和設(shè)備維修市場(chǎng)的發(fā)展造成重大影響。根據(jù)2010-2016年我國(guó)汽車零部件制造規(guī)模變化情況分析（如圖2所示），我國(guó)零部件制造規(guī)模雖在持續(xù)增大，但增長(zhǎng)速率不太穩(wěn)定。近年來，隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，全球競(jìng)爭(zhēng)也在不斷增大，汽車生產(chǎn)行業(yè)及零部件制造業(yè)的行業(yè)內(nèi)部競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，給傳統(tǒng)制造行業(yè)造成了嚴(yán)峻的考驗(yàn)。因此，為了適應(yīng)市場(chǎng)飛快的變化發(fā)展，滿足汽車生產(chǎn)行業(yè)與消費(fèi)者的高品質(zhì)、多功能要求，汽車裝配行業(yè)對(duì)零部件的精度、可靠性、技術(shù)含量和節(jié)能環(huán)保等各項(xiàng)性能的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)把控愈加嚴(yán)格，零部件制造企業(yè)需要?jiǎng)?chuàng)新材料開發(fā)與制備技術(shù)，在裝配環(huán)節(jié)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)與實(shí)施流程都提出更高的標(biāo)準(zhǔn)，才能滿足生產(chǎn)發(fā)展對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的追求。在汽車裝配工藝中引入虛擬制造技術(shù)，可以對(duì)裝配產(chǎn)品流程與實(shí)際效果進(jìn)行模擬，以便檢測(cè)問題并及時(shí)解決，提高產(chǎn)品質(zhì)量，為汽車裝配行業(yè)及汽車制造業(yè)帶來了全新的發(fā)展方向。

1 虛擬制造技術(shù)

虛擬制造技術(shù)（簡(jiǎn)稱VMT）是以計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為理論核心，通過計(jì)算機(jī)建模技術(shù)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及零件制造等各項(xiàng)生產(chǎn)過程統(tǒng)一建模，模擬全套生產(chǎn)加工過程，從而預(yù)估產(chǎn)品的實(shí)際使用情況、技術(shù)性能，檢測(cè)技術(shù)問題，優(yōu)化工藝生產(chǎn)路線。在設(shè)計(jì)初始階段，首先利用計(jì)算機(jī)模擬出制造過程中各項(xiàng)參數(shù)的變化趨勢(shì)，并分析其對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)產(chǎn)生的影響，再預(yù)測(cè)產(chǎn)品制造成本和各項(xiàng)性能，有利于更加經(jīng)濟(jì)、有效地組織生產(chǎn)加工步驟，使資源得以合理配置，最終達(dá)到產(chǎn)品制造成本與生產(chǎn)周期最小化，設(shè)計(jì)品質(zhì)最優(yōu)化，生產(chǎn)效率最高化。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)零部件的制造過程、加工方法、加工工序、工裝過程、工藝參數(shù)的選用、加工工藝和裝配工藝性等操作步驟均可進(jìn)行建模仿真。尤其是在裝配工藝中，操作者可通過虛擬環(huán)境對(duì)虛擬零件觀察、操作，進(jìn)一步分析、評(píng)價(jià)產(chǎn)品的可裝配性問題，操作技術(shù)問題及工程學(xué)問題。因而將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于汽車裝配工藝，有利于研究、處理復(fù)雜的產(chǎn)品裝配問題，同時(shí)能提前發(fā)現(xiàn)加工缺陷與裝配過程中的問題，及時(shí)探尋處理方法，優(yōu)化加工過程，提高生產(chǎn)效率。

2 虛擬制造技術(shù)國(guó)內(nèi)外應(yīng)用情況

虛擬制造技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)中具有寬闊的應(yīng)用前景，促使以美國(guó)為首的工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)其展開了深入地分析研究，甚至還成立虛擬制造研究機(jī)構(gòu)，完善虛擬制造技術(shù)體系并將其投入實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用。例如美國(guó)密歇根大學(xué)成立的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)室，主要研究虛擬環(huán)境的工業(yè)應(yīng)用，以虛擬原型構(gòu)筑為核心，重點(diǎn)針對(duì)海洋和汽車工業(yè)應(yīng)用、制造過程的仿真技術(shù)應(yīng)用開展研究工作;美國(guó)著名汽車公司福特、克萊斯勒與IBM（國(guó)際商業(yè)機(jī)器制造公司）為新型汽車的研制，合作開發(fā)了虛擬環(huán)境制造技術(shù)，該項(xiàng)技術(shù)能在生產(chǎn)樣車前檢測(cè)出設(shè)計(jì)缺陷，有效縮短新型汽車的研制周期;德國(guó)著名汽車公司寶馬集團(tuán)設(shè)計(jì)了一款虛擬裝配系統(tǒng)用于車門的裝配設(shè)計(jì)，使其能夠通過語音識(shí)別完成指定操作，并在發(fā)生碰撞事故時(shí)進(jìn)行報(bào)警。

近年來，隨著我國(guó)科技水平的不斷提升，虛擬制造技術(shù)開始受到各方科技研究人員的廣泛關(guān)注，全國(guó)部分企業(yè)、高校和科學(xué)研究所都開展了關(guān)于虛擬制造技術(shù)方面的研究，國(guó)家自然科學(xué)基金也設(shè)立了專門的研究探索課題。相較發(fā)達(dá)國(guó)家而言，我國(guó)對(duì)于虛擬制造技術(shù)的研究工作還處于初步理論研究階段，其中虛擬裝配設(shè)計(jì)技術(shù)正是我國(guó)主要的研究方向之一。

3 虛擬制造技術(shù)在汽車裝配工藝中的應(yīng)用

虛擬制造技術(shù)在汽車裝配工藝中的應(yīng)用涉及了計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、CAD技術(shù)、數(shù)據(jù)管理和裝配過程研究等多項(xiàng)技術(shù)的結(jié)合，它改變了汽車設(shè)計(jì)制造和生產(chǎn)加工的傳統(tǒng)方式，在裝配工藝設(shè)計(jì)初期就能觀察零部件的制造和裝配情況，通過在虛擬環(huán)境中對(duì)虛擬樣車進(jìn)行裝配、檢測(cè)，優(yōu)化了汽車生產(chǎn)加工過程的精確度和可操性，避免樣車生產(chǎn)的資源浪費(fèi)，盡力達(dá)到最優(yōu)設(shè)計(jì)。本文從以下幾方面對(duì)虛擬制造技術(shù)在汽車裝配工藝中的應(yīng)用展開具體闡述。

3.1 建立數(shù)據(jù)庫

利用虛擬技術(shù)軟件中的PTS（設(shè)備類型集），將汽車裝配工藝中的各項(xiàng)信息分為產(chǎn)品、資源和工藝三類。產(chǎn)品是指汽車裝配中所有零部件的相關(guān)信息，一般包括標(biāo)準(zhǔn)件、裝配件、車身數(shù)據(jù)等，以及各部件之間所存在的內(nèi)部聯(lián)系;資源是指為生產(chǎn)加工過程提供的全套操作設(shè)備和技術(shù)人員，一般包括車間、工廠、工位等，同時(shí)還有他們之間存在的內(nèi)部邏輯關(guān)系;工藝是指關(guān)于零部件安裝方法、工藝過程、問題反饋等內(nèi)容的具體描述。在汽車裝配工藝中建立數(shù)據(jù)庫，就是對(duì)以上三類信息進(jìn)行定義，并充分按照不同企業(yè)的實(shí)際要求與流程規(guī)范，制定出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)。

產(chǎn)品結(jié)構(gòu)定義是根據(jù)企業(yè)當(dāng)前數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中包含的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模板和結(jié)構(gòu)，制定出符合企業(yè)產(chǎn)品屬性的操作界面。工藝元素定義主要針對(duì)企業(yè)實(shí)際工藝流程的結(jié)構(gòu)樹與操作界面并包括部分特定的對(duì)象。資源結(jié)構(gòu)定義是根據(jù)企業(yè)的現(xiàn)有資源，全面定義資源結(jié)構(gòu)和資源數(shù)。在汽車裝配工藝中，可以建立13個(gè)不同類型的資源數(shù)據(jù)庫，將各個(gè)設(shè)備的3D模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫里，以便于后期裝配工藝規(guī)劃的進(jìn)行。

3.2 數(shù)據(jù)的導(dǎo)入

利用虛擬制造技術(shù)導(dǎo)入基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，主要從產(chǎn)品數(shù)據(jù)和工藝數(shù)據(jù)兩方面進(jìn)行。產(chǎn)品數(shù)據(jù)導(dǎo)入是將Teamcenter軟件中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息傳送到CATIA V5中，通過對(duì)應(yīng)的接口程序把以上數(shù)據(jù)信息傳送到后臺(tái)數(shù)據(jù)庫的文件中，再利用部分腳本程序?qū)⑵鋫鞯紹OM表，最終完成產(chǎn)品數(shù)據(jù)屬性的定義。工藝數(shù)據(jù)導(dǎo)入主要是利用腳本程序，將各項(xiàng)工藝數(shù)據(jù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)導(dǎo)入，再通過導(dǎo)入的數(shù)據(jù)信息構(gòu)建出企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝模板。在設(shè)計(jì)新產(chǎn)品時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)模板可作為重要的參考數(shù)據(jù)，用以新產(chǎn)品的工藝調(diào)整，能極大地提高生產(chǎn)效率。

3.3 工藝規(guī)劃的初步設(shè)計(jì)

一開始，先將上述導(dǎo)入的產(chǎn)品數(shù)據(jù)與生產(chǎn)工藝資源進(jìn)行有效關(guān)聯(lián)，然后利用數(shù)據(jù)庫中的標(biāo)準(zhǔn)工藝模板對(duì)新產(chǎn)品進(jìn)行工藝規(guī)劃，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)裝配順序操作，對(duì)新產(chǎn)品裝配進(jìn)行初步的順序確定。在此之后，利用CATIA V5軟件打開新產(chǎn)品的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，DELMIA軟件會(huì)自動(dòng)按照預(yù)定的裝配順序?qū)ρb配過程進(jìn)行仿真（如圖3所示）。這一操作可以全面檢測(cè)完整的仿真過程，深入判斷裝配順序的可行性，并具體分析出其中存在的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤或干擾項(xiàng)，有利于裝配問題的及時(shí)反饋與后期完善。

3.4 初步線平衡調(diào)整

在進(jìn)行自動(dòng)的線平衡計(jì)算以前，需要對(duì)整個(gè)裝配過程完成限制設(shè)定——根據(jù)產(chǎn)品裝配過程中的各個(gè)邏輯關(guān)系，對(duì)裝配順序進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié);根據(jù)生產(chǎn)設(shè)備的具體情況，對(duì)裝配工藝工位進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)劃;根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)工作周期進(jìn)行合理預(yù)估。完成以上操作后，再利用虛擬制造技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)地線平衡計(jì)算，并按照實(shí)際情況做出自動(dòng)調(diào)整，最后進(jìn)行模擬驗(yàn)證，如若仍出現(xiàn)問題，可再次調(diào)整。

3.5 詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)

詳細(xì)工藝設(shè)計(jì)是利用虛擬制造技術(shù)，對(duì)汽車裝配過程中的重要步驟進(jìn)行詳細(xì)裝配仿真與人機(jī)工程分析，其中裝配仿真包括對(duì)裝配順序和裝配設(shè)備的仿真，人機(jī)工程設(shè)計(jì)主要是對(duì)裝配方法的仿真模擬。

3.6 優(yōu)化線平衡并輸出工藝文檔

首先，利用MTM法對(duì)裝配工藝進(jìn)行工時(shí)分析，獲取較為準(zhǔn)確的工時(shí)數(shù)據(jù)信息。此后完成優(yōu)化線平衡工作，以增強(qiáng)線平衡可行性。利用對(duì)應(yīng)的腳本程序?qū)ι鲜鼋Y(jié)果實(shí)現(xiàn)文檔的自動(dòng)輸出，能夠有效地減少相關(guān)技術(shù)人員的工作量，提高整體工作效率。

4 結(jié)語

虛擬機(jī)制備技術(shù)在汽車裝配工藝中的應(yīng)用，可以有效縮短新型汽車產(chǎn)品的開發(fā)周期，并降低開發(fā)成本，受到國(guó)內(nèi)外汽車企業(yè)的廣泛關(guān)注?；谀壳鞍l(fā)展情況，我國(guó)汽車制造企業(yè)需要大力推廣新興思想技術(shù)，為虛擬制造技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。相關(guān)企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)可以在政府部門的協(xié)調(diào)和安排下，進(jìn)行多角度、多層次的深度合作，通過雙方法協(xié)同工作有效縮短科研周期，強(qiáng)化科技成果的競(jìng)爭(zhēng)力，以及對(duì)科研應(yīng)用的全面推廣。與此同時(shí)，還需要根據(jù)汽車制造企業(yè)的具體需求來處理實(shí)際問題，力爭(zhēng)盡快創(chuàng)造效益，促進(jìn)研究工作的深入開展，從而形成良性循環(huán)過程。

參考文獻(xiàn)

[1] 嚴(yán)艦.虛擬制造技術(shù)在汽車裝配工藝中的應(yīng)用研究[J].電腦編程技巧與維護(hù)，2013（20）.

[2] 劉繼紅.虛擬制造技術(shù)概述[J].智能制造，1999（12）.

[3] 張毅.虛擬制造技術(shù)在汽車裝配工藝中的應(yīng)用研究[J].上海汽車， 2012（10）.

[4] 吳維江.虛擬裝配中DELMIA/Ergonomics的應(yīng)用研究[J].科技資訊，2008（19）.