汽車制造領域的數字化與可視化技術及其應用

劉冬冬

摘 要：近年來，數字化技術廣泛應用于制造業中，其科學、高效、系統化的特性不斷簡化著生產過程，也提高了生產效率。在競爭越發激烈的汽車制造業，如何提高核心競爭力已成為企業需要考慮的重點問題。制造業對國家經濟發展和政治地位至關重要，伴隨著德國“工業4.0”和美國“工業互聯網”的熱潮，制造業備受世界關注，我國制造業也正處于傳統產業調整和轉型的關鍵時期，制造自動化和智能化已提到了國家發展戰略層面。數字化技術在改善產品 質量、提升產品性能等方面具有顯著的優勢。實現汽車設計制造中的數字化，不僅需要轉變傳統理念，轉換技術模式，同時要對數字化技術有深入地了解。數字化技術將不僅帶動汽車設計與制造行業的改變，也將為人們的生活帶來巨大的變化。

關鍵詞：數字化工廠；個性定制；虛擬與現實結合

中圖分類號：V262.4 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）18-0021-02

當新的形態開始進入產業領域時，一個全新的挑戰已然開始，就是讓制造業由機械化、電氣化、數字化，轉向網絡化和智能制造。我們要從“中國制造”走向“中國智造”，而智能制造離不開信息化和信息技術的支撐。

但中國目前的現狀是，信息制造業整體規模偏小。中國人均GDP水平和信息化程度顯著低于發達國家。美國、日本的人均信息消費支出分別為每年3400美元和2400美元，中國僅為每年190美元。居民互聯網、計算機普及率遠低美日發達國家。而且國內信息產業一直以電子信息制造業為主導，信息服務業發展嚴重滯后。

在發達國家，先進的智能制造戰略均與信息技術相關聯。典型的是美國的先進制造戰略和德國的工業4.0。這兩個戰略核心的內容是CPS，就是物聯網。互聯網技術、云計算、大數據、寬帶網絡等一系列技術也可以叫拓展的互聯網或是廣義的互聯網，實現物理設備的信息感知、網絡通信、精確控制和遠程協作。

數字工廠是以物理工廠為基礎，以先進的信息化技術為方法，構建真實工廠的虛擬現實仿真，實現對產品全生命周期的設計、制造、裝配、質量控制和檢測等各個階段的功能，對生產進行規劃、管理、診斷和優化，從而實現工廠的高效率、低成本、高質量。而高效、快速、柔性，正是數字化企業為制造業帶來的最大變化。

1 數字化技術在汽車設計制造中應用概況

1.1 數字化技術的概念

數字化技術利用計算機系統、數據庫、多媒體技術等，進行信息獲取、信息處理，并與實際生產需求相結合，進行產品外觀及結構的設計、性能的模擬以及生產制造，以生產出符合需求的產品。在此過程中，計算機及信息技術發揮了重要的作用。例如，數據庫中的交互圖形系統，可以實現快速計算和數據分析處理。計算機輔助軟件的開發和使用可以實現產品設計的可視化和便捷化。數字化技術能夠有效縮短產品開發時間、降低產品開發成本、提高產品質量，在今天產品制造日益精密化、復雜化的環境下，具有十分重要的意義。在企業的數字化體系建設過程中，包含著設計與生產平臺的構建，以及評審體系的建立，涉及范圍廣、部門多，且一定程度上取決于公司運行和管理的結構。因此，實現汽車設計制造中的數字化，需要對企業進行全方面的考量，從而企業提升開發能力和核心競爭力。

1.2 數字化技術應用于汽車設計制造時遵循的原則

針對數字化技術的特點，汽車設計制造應遵循兩個原則：科學性和實用性。科學性主要體現在汽車設計方案中，設計者需對汽車制造技術要求、數字化技術要點以及影響制造效果的因素全面了解，使數數字化技術在汽車設計生產中得到最大化利用。除了設計方法的科學化，設計理念和精神、設計手段等都要遵循科學方法，只有將數字化技術貫穿到汽車的實際設計生產中，才能更好的發揮其優勢，實現行業新技術的探索和研發。實用性原則建立在汽車的實際生產情況上，由于汽車實際制造車間較科研場所來說比較簡陋，生產能力較為落后，因此，一些精度高、難度大的生產任務難以實現。因此，為了使設計方案盡可能滿足實際生產能力，數字化技術的容錯率應適度提高，并充分考慮影響設計方案的外部因素。此外，企業堅持實用性能夠避免不必要的投入，最大限度保證技術可靠性和經濟性，提高汽車生產制造水平，提升產品競爭力。

1.3 數字化技術之于汽車設計制造的意義

數字化技術對于汽車設計與制造環節具有十分重要的意義。數字化技術較傳統制造技術具有許多優勢。首先，數字化技術的分散性和獨立性能夠將復雜整體分解化、詳細化，并轉化為數據，方便查找及實用。其次，數字化技術建立在計算機技術的基礎上，因此能夠進行個幾何數據的計算，同時可以對模型進行和修正。例如，力學、聲波等信息通過計算、建模的步驟，可以將具體信息直觀的反映出來，且易于修改。此外，由于數字化技術大量使用信息系統，因此廣泛使用于汽車產品設計等需要數據處理和融合、數據傳輸以及數據選擇的環節。未來信息計算的發展也將帶動汽車數字化水平的提高，汽車設計制造過程的現代化將是汽車行業發展的必然趨勢。

2 實施數字化之前存在的主要問題

2.1 過程不透明

信息發布手段落后。生產指令基本靠手工發布，浪費了很多時間和資源；關鍵件裝配信息僅憑操作工人的經驗，降低了準確率和科學化。

數據采集不及時。靠ERP的HMI完成，操作不方便；沒有斷線重發功能，數據容易丟失；各車間按照不同的標識管理在制品，生產數據不能實時反映到系統中。

溝通不及時。各車間在制品分開管理，無法全局控制；生產狀況靠電話溝通，不夠及時，準確；生產過程不可觀。

2.2 生產不優化

計劃制定不合理。沖壓車間受瓶頸資源制約，設備利用率低于70%；總裝車間關鍵件裝配切換頻繁；經常因為上游供應不足或者下游生產能力不足影響生產。

物料配送繁雜易出錯。完全手工生成配送清單，工作量大；信息滯后，導致配送不夠及時；物料短缺經常導致停線，平均每天損失15萬元以上；關重件無歷史紀錄，無法追溯。

2.3 信息孤島

各種系統，操作復雜，種類繁多，無法進行有效數據交換（ERP、離線條碼掃描、焊裝打碼機、總裝打碼機、VIN碼打印機、大洋軟件、RFID數據采集系統…）

3 數字化技術在汽車設計制造中的具體應用

3.1 數字化技術在汽車設計中的應用

數字化技術廣泛應用于汽車新產品的開發，其中逆向工程技術最為常見。逆向工程技術將多種技術進行結合，常用于產品的快速改造或仿制，是新技術應用的關鍵。在使用中，根據可用數據信息，制作出自由曲面并對其進行反求設計，和實體設計，從而得到所需模型產品。目前，逆向工程技術廣泛應用于激光快速成型中。在汽車設計中，由于設計師常通過油泥模型制作進行構思創作，因此需要對制作好的油泥模型進行信息采集，這時可以采用非接觸式三坐標測量技術。該技術主要通過三坐標測量機獲汽車模型的三維數據信息。由于其不需要接觸，因此能夠適用于大多數測量實體，并節省測試時間。在汽車模型的測量中，除了以上部分，還需對數據噪聲點進行處理，避免尖角或邊沿對數據的影響。此外，數字化技術還常用于汽車覆蓋模具尤其是拉伸模型的設計。通過對覆蓋模件的三維模型設計，配以部分優化，實現模件的構建。以拉延筋為例，通過構建二維特征曲線得到拉延筋曲面，將其與光滑曲面相連接，從而得到所需模件，可以大大提升設計效率，提高設計方案的準確性。

3.2 數字化技術在汽車制造中的應用

在汽車制造中，數字化技術的優勢不僅體現在產品質量上，還體現在企業的生產效率以及生產成本上。數字化技術能夠對汽車模型進行數據更改，尤其是復雜的曲面，能夠有效簡化加工工作，降低成本，同時提高產品精度。企業對數字化系統的建立能夠改善企業整體生產狀況，提升生產水平，而具體工件和刀具的數字化使用則對產品質量及生產效率有著重要的意義。刀具和工件的科學化是汽車數字化生產技術的關鍵。將確立好的模型參數輸入到計算機系統中，通過刀具對工件毛坯、原材料等進行加工。采用這種方法，可以實現加工過程的科學測量，同時可以檢測加工狀態，并對緊急狀況及時采取措施。除此之外，數字化技術還常見于刀具軌跡的設置中，由于汽車制造道具走向多樣，因此針對不同生產要求，應選擇合適的刀具軌跡。目前較為常用的為平行切法，采用這種方法不僅可以實現加工質量的最大化，同時操作難度較低，能夠縮短生產周期，減小企業成本。實際生產過程中，針對可能出現的球頭銑刀運動過大的情況，要及時進行參數處理，同時對基本參數如坐標系進行檢查，以保證生產過程的穩定和高效化。

3.3 數字化技術在汽車評審體系中的應用

汽車評審體系的數字化技術主要體現在評審模型構架上。企業的數字化評審體系應包含四個部分，分別是產品造型、零部件開發、總布置、整車分析和制造工程。后兩種為評審過程的重點。在此過程中，通過創建數據標準以實現汽車評審的直觀性和統一性。定義模數成熟度要求，將不同的生產環節模數成熟度差異化。例如模具制造要求最終的三維模型，而計算機輔助分析等后續工作則對模數要求不高，能夠反映相關特征即可。此外，規范數據發布流程，是評審工作的基礎。將重要節點的數據凍結，保證下游系統數據使用的可靠性，保證評審工作的順利進行。

3.4 物流執行優化

（1）沖壓件考慮焊裝需求拉動和經濟批量，降低安全庫存。（2）“焊裝——涂裝——總裝”在制車身自動路由技術，減少物流成本。（3）發動機加工/裝配協同，減少在制品庫存和儲運成本。（4）總裝車間物料需求實時按需發布，大幅減少物料短缺導致的停線。

3.5 集成已有軟硬件平臺，消除信息孤島

（1）自動獲取ERP數據。（2）集成焊裝、總裝之間的三類打碼機。（3）集成RFID系統。（4）VIN碼生成及打印。（5）取代大洋軟件等遺留系統。

3.6 實施數字化之后的效果

（1）沖壓在制品庫存減低30%。（2）商務車生產節拍從3.5分鐘縮短至2.5分鐘，轎車生產節拍從96秒縮短至88秒。（3）基本消除了因為物料短缺導致的非正常停線。

4 結語

數字化已成為汽車行業未來的發展趨勢。數字化技術已逐漸應用于設計和制造的各個環節。計算機技術、數據庫以及軟件等的革新推動著汽車生產與制造業現代化進程的發展。高質量、高效率的數字化生產逐漸取代原有的生產模式，產品設計和研發研發體系也得到了有效的提升。我國的汽車制造數字化水平還有很大的發展空間，未來將有更多的先進技術投入到實際設計與生產中，將推動汽車行業實現更大的進步。

參考文獻

[1]王書林.數字化技術在汽車制造中的應用[J].工業設計，2016，（4）：168-169.