虛擬現實和增強現實技術在汽車產品工藝規劃及性能預評估的應用實踐

梁慶文

（柳州五菱汽車工業有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車零部件數量大，品種多，結構復雜，是一項涉及多個領域學科的綜合集成技術。在快速迭代的市場需求變化下，產品開發周期，制造質量和制造成本關系企業的生死存亡。汽車行業迫切需要一種新技術來滿足對縮短開發周期和降低成本的高質量發展訴求。

虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）和增強現實技術（Augment Reality，AR）可以在產品設計階段對產品的整個生命周期進行建模、仿真和優化，從而更加高效、經濟、靈活地組織生產，達到了縮短產品研發周期、降低研發成本、優化產品質量和提高生產效率的目的，使產品的開發周期和制造成本最小化。因此VR/AR技術的創新發展是汽車產業升級的核心推動力之一。

1VR/AR的發展概述及在汽車行業的應用

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術概念最早由美國VPL Research公司創始人之一的Jaron Lanier在1989年提出，其實質是構建一種人為的能與之進行自由交互的“世界”，在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象，使實際制造過程在計算機上進行本質實現，以增強產品設計、制造、工藝、質量、性能控制的決策與控制能力，從而形成企業的市場競爭優勢[1]。VR/AR發展的具體類型如下：

1.1 虛擬現實（Virtual Reality，VR）

虛擬現實描述為由交互式計算機仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或增強一種或多感官反饋，從而產生一種精神沉浸于或出現在仿真環境（虛擬世界）中的感覺。簡而言之，就是“無中生有”，在VR中，用戶只能體驗到虛擬世界，無法看到真實環境。

1.2 增強現實（Augmented Reality，AR）

增強現實是VR技術的延伸，能把計算機生存的虛擬信息（物體、圖片、聲音、視頻、系統提示信息等）疊加到真實場景中并與人實現互動，簡而言之，就是“錦上添花”。在AR中，用戶既能看到真實世界，也能體驗到虛擬的事物。

1.3 混合現實（Mixed Reality，MR）

混合現實是VR技術的延伸升級，實現虛擬世界與真實世界的無縫銜接的虛實融合世界。其中的物理實體與數字對象滿足真實三維投影關系，簡而言之，就是“實幻交織”。在MR中，用戶難以分辨虛擬世界與真實世界的邊界[2]。

1.4 VR/AR在汽車行業的應用情況

VR/AR技術既是一種新技術開發方法，又是一項復雜的仿真工具。由美國于20世紀80年代提出以來，當時主要應用軍工、航天、科研等領域。2015年以來，隨著虛擬現實（Virtual Reality，VR）和增強現實（Augment Reality，AR）發展并與大數據、互聯網、人工智能技術相結合，使得VR/AR技術發展為一種新興的技術趨勢。VR/AR技術從根本上改變了設計、試制、修改設計、規模生產的傳統汽車制造模式，是制造業在信息技術推動下發生的最顯著變化，也是工業4.0下的趨勢與潮流，為汽車行業轉型升級能力賦予新動能。

VR/AR技術正進入汽車工業的各個領域，如汽車的虛擬造型、虛擬設計、虛擬工藝制造、虛擬試驗、虛擬裝配等，它的推廣和應用將對汽車工業的思想概念、開發方式、部件供應、組織形式、市場競爭及人才培訓方面產生全方位的創新和變革。德國汽車業應用VR/AR技術最快也最廣泛，目前，德國所有的汽車制造企業都建成了自己的虛擬現實開發中心。奔馳、寶馬、大眾等大公司的報告顯示，應用虛擬制造技術，以“數字汽車”模型來代替木制或鐵皮的汽車模型，設計發動機、車體、電氣線路等，建立了三維模型，并進行了碰撞分析和運動分析等，還進行了模擬數控加工和質量檢驗等，大大縮短了設計周期，降低了設計成本，可將新車型的時間從一年以上縮短帶2個月左右，開發成本最多可降低到原先的1/10。我國VR技術在汽車工業的應用和國外相比雖然起步較晚，但也取得了卓越的成果：清華大學研制出的VASS虛擬裝配系統可對產品的可裝配性進行檢驗；浙江大學設計的VDVAS虛擬裝配設計系統可在虛擬環境中對產品零部件進行更換修改，提高了工作效率以及裝配質量。一汽、二汽、上汽等汽車公司運用UG、CATIA、PRO-E等三維軟件進行產品設計已積累多年的經驗，具備了應用虛擬現實所需的數據基礎。

但是總體來說國內汽車企業對VR/AR技術還處于發展與應用的孕育期，VR/AR技術在汽車制造中各環節與VR/AR技術的結合點尚不清晰，應用場景和應用路徑尚不充分，加之應用場景設計缺失，產業標準不統一，從而制約了VR/AR技術應用范圍的拓展。

2VR/AR應用實踐的總體思路

2.1 背景

VR/AR技術目前在國內汽車行業的成熟應用模式和應用路徑基本上體現在產品的外形與結構設計、產品裝配與生產過程評估等方面，用于產品工藝規劃及產品性能預評估的成功案例在業內很少看到。本項目通過汽車零部件智能制造示范工廠的建設實踐活動，在國內汽車零部件行業首次將VR/AR技術用于輕量化汽車底盤關鍵零部件的產品工藝規劃及產品性能預評估，將極大縮短研發周期，減少運營成本。屬于行業內變革性創新應用。可為同行及制造業開展AR技術的應用模式和應用路徑提供重要借鑒，并具有典型廣泛的示范作用。

2.2 VR/AR應用實踐策略

構建AR/VR平臺，實現輕量化汽車底盤關鍵零部件（后橋/獨立懸架）工藝規劃、仿真及管理協同制造環境。解決輕量化汽車底盤關鍵零部件（后橋/獨立懸架）裝配生產線的工藝規劃、加工策略優選、機器人路徑仿真、裝配進度的跟蹤和控制、數字化選配、裝配質量控制。對產品的裝配過程進行模擬與分析，對裝配方案進行快速評價，優化產品的裝配過程，及早發現潛在的裝配沖突與缺陷。實現3D數字化多學科優化設計、虛擬仿真評估及其裝配工藝規劃、虛擬檢測等。AR/VR平臺如圖所示2。

圖2AR/VR平臺

2.3 產品研發及驗證的優化

2.3.1 模型的定義

基于 MBD（Model based Definition，MBD，即模型的定義）技術，以輕量化、節能降耗為目標，用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息，詳細規定了三維實體模型中產品定義、公差的標注規則和工藝信息的表達方法。

2.3.2 產品可視化研發及評估分析平臺

基于 MDO（Multidisciplinary Design Optimization，MDO，即多學科優化）產品可視化研發及評估分析平臺，頂層構建面向輕量化汽車底盤關鍵零部件和企業MBD規范和標準體系及產品模型庫，采用MDO設計方法，引入汽車底盤系統的動態耦合動力學模型、數值仿真分析，進行輕量化汽車底盤關鍵零部件（后橋/獨立懸架）產品結構優化設計及虛擬仿真分析與評估。運動學分析如圖3所示。

圖3 運動學分析

2.3.3 PLM軟件

使用三維數字化建模，建立綜合多學科技術優化設計的數據管理系統，搭建聯通設計、工藝及生產制造等各個環節的協同平臺，使得產品設計階段考慮工藝和生產環節制約因素，從而避免生產以設計脫節，減少研發周期、減少工藝修改、降低成本、提高效率等。

2.3.4 VR/AR技術的虛擬實驗平臺

實現VR/AR技術與產品設計、檢測過程相結合，通過采用VR/AR技術對設計、生產的產品進行仿真分析，直觀實時的對產品進行分析、檢測，實現產品設計生產的閉環流程。VR/AR技術的虛擬實驗平臺如圖4所示。

圖4VR/AR技術的虛擬實驗平臺

2.3.5 虛擬裝配工藝仿真平臺

應用虛擬裝配工藝仿真技術，使用虛擬三維原型代替零件原型，可以大幅度降低設計成本，并縮短設計研發時間，基于AR技術實現虛擬和現實融合，使裝配環境更加真實，交互方式更加自然，裝配操作更加直觀高效，裝配效果更加可靠。同時通過對裝配過程仿真及優化，輸出應用于裝配生產現場的虛擬作業指導書，保證產品的裝配質量，提高生產效率，滿足裝配制造的任務需求。虛擬裝配工藝仿真平臺如圖5所示。

圖5 虛擬裝配工藝仿真平臺

3VR/AR應用實踐

介紹基于VR/AR技術的三維裝配工藝規劃及產品性能評估解決方案。

3.1 VR/AR技術的三維裝配工藝規劃及驗證

3.1.1 后橋/獨立懸架裝配工藝規劃流程

主要解決輕量化汽車底盤關鍵零部件（后橋/獨立懸架）裝配生產線的工藝規劃，加工策略優選，工裝卡具優選與機器人路徑仿真、裝配線平衡、裝配進度的跟蹤和控制、數字化選配、裝配質量控制。對產品的裝配過程進行模擬與分析，對裝配方案進行快速評價，優化產品的裝配過程，及早發現潛在的裝配沖突與缺陷。后橋/獨立懸架裝配工藝規劃流程如圖6所示。

圖6 后橋/獨立懸架裝配工藝規劃流程

3.1.2 三維裝配工藝規劃與仿真驗證

導入裝配件的EBOM/PBOM、MBD模型、工裝模型，進行裝配工藝規劃，通過三維工藝設計與裝配仿真驗證工具進行參裝件的裝配順序、裝配操作、裝配路徑的詳細設計，建立參裝件、工裝資源和工藝過程的關聯，實現裝配流程過程設計，通過仿真驗證并優化裝配流程、裝配關鍵數據，最終形成三維AO指令。

例如：主減速器主被齒耦合模型分析

為確認后橋主減速器關鍵裝配尺寸，裝配工藝規劃時進行了虛擬樣機仿真分析。主減速器主被齒耦合模型如圖7所示。

圖7 主減速器主被齒耦合模型

仿真分析不同主齒安裝距，不同被齒安裝距，不同傳動速度下關鍵裝配尺寸對主減振動的影響。根據仿真結果，得出關鍵主被齒輪安裝距裝配尺寸為：在裝配時應保證主齒偏移在92（-0.01，0.01），被齒偏移47（-0.01，0.01）范圍內。關鍵裝配尺寸對主減振動的影響如圖8所示。

圖8 關鍵裝配尺寸對主減振動的影響

仿真分析不同主動齒輪軸軸承間距、不同轉速下對振動的影響。根據仿真結果，得出當兩軸承跨距為55 mm時，各轉速下被齒角速度均值、差值均較小，與被動齒輪的理想轉速最為接近，有利于被齒的平穩轉動，能減小被齒轉動過程中的波動，降低振動噪音。主被齒角Y方向加速度均/差值如圖9所示。

圖9 主被齒角Y方向加速度均/差值

仿真分析不同齒輪間隙對后橋總成動態特性的影響，根據仿真結果：當齒輪間隙為0.05 mm時，可使后橋總成保持較低振動值。

3.1.3 三維裝配工藝指令的生成與管理

利用文字、仿真動畫、輕量化模型和圖片等多種數據格式編制三維裝配工藝指令，實現三維工藝指令流程的審簽發布、組織和管理。包括動態的加工過程仿真視頻，動態的工藝文件，各種現場需要的其它指導性文件等，在現場部署的屏幕上供交互式查看。

3.2VR/AR技術的三維虛擬裝配及產品性能評估

三維增強現實裝配仿真研究及裝配生產過程實時指導及糾錯。VR/AR系統平臺的通過虛擬開發工具、片面模型生成工具、輸出渲染工具及輸出設備等功能，完成設計建模、工藝仿真、質量檢測等可視化產品虛擬驗證。

明確三維虛擬裝配仿真技術方案，三維虛擬裝配仿真技術方案如圖10所示。

圖10 三維虛擬裝配仿真技術方案

3.2.1 主要工作

虛擬模型展示及仿真。基于現有三維CAD軟件系統，如 UG、SolidWorks、Inventor等，進行 MBD 建模模塊的合作開發；基于現有系統開發平臺如ARToolkit、ARTag等，進行增強現實軟件系統的合作開發；基于MBD技術創建的零部件，采用Deep Exploration、3dsMAX等工具和簡化算法等轉換為面片模型，再用Creator等軟件進行紋理貼圖，最后生成虛擬模型，以滿足實時性和零部件模型細節展示的需要。

驗證與實車對比分析。將企業原有整車/底盤的三維實體模型進行讀取，轉化為虛擬模型；將虛擬模型運用到系統各個平臺，與實車/底盤進行靜、動態對比分析；將多個底盤模擬及實車底盤對比數據進行分析綜合，找出平臺系統與相應車型底盤之間的參數關系，并對各個車型底盤進行分別調校，記錄相應的系統設置參數找出最佳設置參數。

3.2.2 數值仿真分析與虛擬評估模塊

通過構建基于數據挖掘和分析算法的智能決策分析系統平臺，研制高精度智能可視化裝配裝備、實時動態檢測智能裝備及基于RFID技術的制造信息精確追溯系統，進行產品裝配品質在線評估、產品裝配工藝參數優化、故障智能預報，實現智能優化自決策，提高產品質量與產品一致性。產品性能虛擬評估框架如圖11所示。

圖11 產品性能虛擬評估框架

（1）差速器路況振動虛擬仿真模塊：模擬差速器在不同路況下對整車振動的影響，評估差速器結構設計的正確性。差速器模型及部分仿真如圖12所示。

圖12 差速器模型及部分仿真結果

（2）主減速器品質實時在線測試評估。系統通過模擬主減速器在實際運行過程中的工況對主減速器進行檢測，電機主軸通過錐銷連接法蘭（或橡膠摩擦盤）帶動主減速器運行，通過PLC及其控制電路對主軸電機進行控制，控制電機的正轉與反轉來模擬實際路況中的前進與后退。通過垂直方向和徑向的加速度傳感器對運行過程中的主減速器主被齒與軸承位的振動進行檢測，根據大量實驗、測量得出固定轉速下振動的臨界閾值，通過對比實際工況下振動加速度與閾值大小來判斷主減速器總成合格與否。振動信號由數據采集卡采樣后送計算機處理，并由系統軟件進行數據的分析計算、保存，同時與系統軟件所存的閾值標準進行比較，然后將結果送PLC處理，并由PLC控制報警。

（3）測試系統的主要功能

1）主減速器磨合：在不同的驅動轉速下磨合主減速器的主被動齒輪。

2）振動性能在線檢測：通過控制電機的正轉與反轉來模擬實際路況中的前進與后退，如果主減速器總成存在故障則對應的工作零件振動會超出正常值，對運行過程中振動加速度信號進行采集，通過系統軟件對振動信號進行數據處理和數據顯示，分析主減速器各工作零件的振動性能。

3）性能品質評估：通過測試系統對振動信號進行數據處理和數據顯示，對振動時域信號設置一定的閾值，當振動曲線低于設定的閾值時系統認定的主減裝配正常，若振動曲線高于設定閾值則系統會報警提示主減不合格。

4 結束語

基于虛擬現實技術的虛擬制造技術是在一個統一模型之下對設計和制造等過程進行集成，它將與產品制造相關的各種過程與技術集成在三維的、動態的仿真真實過程的實體數字模型之上，可以更加有效地、經濟地、柔性地組織生產，增強決策與控制水平，有力地降低由于前期設計給后期制造帶來的回溯更改，達到產品的開發周期和成本最小化、產品設計質量的最優化、生產效率的最大化。

近年來，虛擬制造技術已經和人工智能、系統控制、網絡集成、信息處理等學科和技術相結合形成了智能制造并上升為國家戰略，而虛擬制造作為智能制造的重要組成部分必將實現以數字化為核心、自動化為基礎、集成化為措施、網絡化為道路、智能化為目標的發展應用前景。