虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整車系統(tǒng)的應(yīng)用

馮智超，李 巖，李書劍

（上汽通用汽車有限公司整車制造工程部總裝工藝科，上海 201206）

1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整車制造應(yīng)用的實(shí)施背景

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，英文名稱Virtual Reality，簡稱VR，是近年發(fā)展起來的高級計算機(jī)技術(shù)，是建立在計算機(jī)圖形學(xué)、仿真學(xué)、并行技術(shù)、人工智能、多媒體技術(shù)及高性能計算機(jī)系統(tǒng)等技術(shù)基礎(chǔ)之上。目前世界上對虛擬現(xiàn)實(shí)還沒有一個確切的定義，不同的人對其有不同的理解，比較有代表性的定義有下列三種：

（1）虛擬現(xiàn)實(shí)是一種可以創(chuàng)造和體驗(yàn)虛擬世界的計算機(jī)系統(tǒng)。這里所說的虛擬世界是指所有虛擬環(huán)境或給定仿真對象的全體。

（2）虛擬現(xiàn)實(shí)是使人可以通過計算機(jī)看見、操作極端復(fù)雜的數(shù)據(jù)并與之交互的一種方式。

（3）虛擬現(xiàn)實(shí)是一種媒介，它具有三維合成環(huán)境，人們可以按自己的意愿，從任選視點(diǎn)實(shí)時地在其中連續(xù)而自由地探測、考察和體驗(yàn)。

圖1 VR/AR 行業(yè)趨勢分析

目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車工業(yè)的各個領(lǐng)域，如汽車的虛擬造型、虛擬設(shè)計、虛擬試驗(yàn)、虛擬裝配等。通過這一技術(shù)的應(yīng)用，不僅可以提高汽車制造企業(yè)的市場競爭力，也為我國汽車工業(yè)提供了追趕發(fā)達(dá)國家的機(jī)會。

1.2 企業(yè)自身調(diào)整，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)“提質(zhì)、提速、降本、增效”

由于國內(nèi)外汽車業(yè)市場競爭日趨激烈，縮短汽車開發(fā)周期，降低開發(fā)成本成為決定汽車業(yè)競爭力的關(guān)鍵因素之一。世界各工業(yè)化發(fā)達(dá)的國家都競相把最先進(jìn)的制造技術(shù)應(yīng)用于汽車制造業(yè)，以提高本國在國際汽車市場的競爭力。基于計算機(jī)和信息技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)被認(rèn)為是加速汽車新產(chǎn)品開發(fā)的有效手段，即以更快的上市速度、更好的質(zhì)量、更低的成本、更優(yōu)的服務(wù)來提高自身品牌在汽車行業(yè)內(nèi)的競爭力。

傳統(tǒng)汽車產(chǎn)品的研制，都要先制造出大量樣件、樣車，進(jìn)行性能試驗(yàn)，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行改進(jìn)，周期長，耗資大。而采用虛擬現(xiàn)實(shí)樣機(jī)的概念，可以在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)計、性能測試與檢驗(yàn)。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以快捷地建立產(chǎn)品的模型族，通過強(qiáng)大的可視化沉浸式環(huán)境，迅速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的變形設(shè)計和系列化設(shè)計。通過虛擬設(shè)計，可以明顯地縮短汽車開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高設(shè)計質(zhì)量。20世紀(jì)90年代車輛的研發(fā)時間是48至60個月，采用了虛擬技術(shù)后，已經(jīng)縮短到24至36個月，甚至18個月。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整車系統(tǒng)的應(yīng)用，可以進(jìn)一步提升員工培訓(xùn)效率，降低物料采購成本，提高同步工程的質(zhì)量及便利性，有著非常廣泛的應(yīng)用空間。

2 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整車制造的主要應(yīng)用

2.1 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的總裝裝配工藝培訓(xùn)及考核系統(tǒng)

總裝裝配是汽車產(chǎn)品制造過程中最重要工藝環(huán)節(jié)之一，是把經(jīng)檢驗(yàn)合格的數(shù)以千計的各種零部件按照一定的技術(shù)要求組裝成發(fā)動機(jī)、變速器總成及整車的工藝過程。通常來說，整車總裝裝配工藝可以分為兩類，一類是基礎(chǔ)安裝工藝，例如線束接插，緊固件打緊，管路連接等通用的裝配工藝；一類是基于產(chǎn)品或者工藝要求，針對某一特定零件裝配制定的關(guān)鍵工藝，例如半軸安裝，側(cè)氣簾安裝等等，都有其特有的關(guān)鍵工藝要求。

圖2 側(cè)氣簾裝配VR培訓(xùn)示意

總裝車間，作為整車廠四大車間中人員最多的一個車間，員工的裝配培訓(xùn)一直是工作的重點(diǎn)。無論是新車型引入，亦或是新員工的入職培訓(xùn)，都需要投入大量的人力物力，用于對總裝操作人員進(jìn)行系統(tǒng)的裝配培訓(xùn)。通過引入VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在總裝裝配工藝培訓(xùn)及考核領(lǐng)域進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，有效地降低了人員培訓(xùn)的成本，提升了培訓(xùn)的效率。

2.1.1 模型定義

基于虛擬現(xiàn)實(shí)的總裝裝配工藝培訓(xùn)系統(tǒng)，特別適用于具有特定產(chǎn)品或工藝要求的、高價值的、不可反復(fù)拆裝模擬等類型的裝配模型。例如側(cè)氣簾安裝、eboost安裝、RESS拼合等與安全相關(guān)的，或者實(shí)物不適合多次反復(fù)安裝培訓(xùn)的零件。

2.1.2 輕量化處理

虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境的運(yùn)行是否流暢，極大程度取決于計算機(jī)CPU及顯卡的物理性能，而對于計算機(jī)物理性能的要求，又極大程度取決于導(dǎo)入的數(shù)字模型的大小、面片的多少、結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度。因此，在搭建虛擬環(huán)境之前，首先需要對產(chǎn)品數(shù)模、工裝數(shù)模以及工作場景做模型輕量化處理。經(jīng)過輕量化處理的數(shù)模，兼顧核心區(qū)域的內(nèi)部細(xì)節(jié)以及背景零件的外形輪廓，幫助VR環(huán)境下的裝配培訓(xùn)能夠流暢運(yùn)行。

2.1.3 工藝導(dǎo)入

有了“硬”件支撐，還需要“軟”件導(dǎo)入，總裝裝配對的工藝要求非常多，培訓(xùn)的核心，就是識別出“關(guān)鍵”的工藝要求，例如：前后道零件裝配的強(qiáng)制順序要求、單一零件不同緊固點(diǎn)之間的強(qiáng)制順序要求、側(cè)氣簾裝配時不可扭轉(zhuǎn)的要求、eboost零件抓取部位的要求、RESS拼合試對工裝托臺使用的要求，等等。將這些關(guān)鍵工藝要求，分步驟加入裝配培訓(xùn)的模塊當(dāng)中，這些經(jīng)過提煉和設(shè)計規(guī)劃的要點(diǎn)，都是后期裝配培訓(xùn)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.1.4 模型搭建

將經(jīng)過輕量化的模型、預(yù)先設(shè)置的裝配順序及工藝要求進(jìn)行整合，搭建成各種專項培訓(xùn)及考核場景，再經(jīng)過環(huán)境渲染與美化，形成最終基于虛擬現(xiàn)實(shí)的總裝裝配工藝培訓(xùn)及考核模塊。

2.2 基于虛擬現(xiàn)實(shí)的總裝虛擬評估系統(tǒng)

產(chǎn)品設(shè)計與工藝開發(fā)的同步工程，一直以來都是車型研發(fā)階段的重點(diǎn)工作，基于產(chǎn)品數(shù)模通過UG/CATIA等模型處理軟件的虛擬評估，是目前主流的工作方式。隨著近幾年虛擬現(xiàn)實(shí)行業(yè)軟硬件的迅速升級，已支持工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，因此研究將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與總裝工藝虛擬評估相結(jié)合，研發(fā)出一套可以在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境下的動態(tài)評估工具，以進(jìn)一步提升同步工程的效率及質(zhì)量。

2.2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境搭建

作為同步工程的基礎(chǔ)，首先需要進(jìn)行評估場景的搭建。通過將新車型研發(fā)過程中階段性的產(chǎn)品數(shù)模進(jìn)行輕量化處理，加上總裝生產(chǎn)線使用的工裝設(shè)備及動力工具等，一同導(dǎo)入虛擬現(xiàn)實(shí)的環(huán)境中，并進(jìn)行渲染。沉浸式的評估場景中，人、車、零件，工裝等都是等比例搭建，極大程度模擬真實(shí)裝配環(huán)境，使評估結(jié)果更符合實(shí)際。

2.2.2 VR動態(tài)虛擬評估

相比傳統(tǒng)的虛擬評估，VR評估有其特有的優(yōu)勢。動態(tài)模擬更高效，以往需要通過專用軟件，設(shè)定運(yùn)動軌跡、邊界條件等才能進(jìn)行的動態(tài)模擬，在VR環(huán)境中只需抓取零件，即可模擬真實(shí)狀態(tài)，朝任意方向進(jìn)行移動或旋轉(zhuǎn)，以查看被評估件或工具與周邊環(huán)境的關(guān)系。動態(tài)模擬更真實(shí)，在沉浸式的VR環(huán)境中，可真實(shí)模擬生產(chǎn)線高度，操作人員的姿勢，甚至后期可以根據(jù)不同生產(chǎn)節(jié)拍，模擬正在移動的生產(chǎn)線，評估角度更廣，評估結(jié)果更接近真實(shí)情況。

圖3 VR虛擬評估示意

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在整車制造的應(yīng)用總結(jié)

基于VR平臺二次開發(fā)的人機(jī)交互系統(tǒng)，結(jié)合由制造工程發(fā)布的裝配工藝要求，在預(yù)設(shè)邏輯和場景下體現(xiàn)，通過文字、圖像提示和虛擬實(shí)踐，錯誤操作會及時提示，實(shí)現(xiàn)高效高質(zhì)量的總裝基礎(chǔ)安裝工藝、關(guān)鍵工藝的培訓(xùn)及考核。通過引入該系統(tǒng)，降低各項目用于人員培訓(xùn)的樣車樣件費(fèi)用，提升工藝培訓(xùn)的質(zhì)量。

VR虛擬評估將現(xiàn)有3D數(shù)模導(dǎo)入VR環(huán)境，保留完整數(shù)據(jù)信息，增加物理引擎，具備邊界碰撞、重力等功能，實(shí)現(xiàn)針對復(fù)雜工藝的動態(tài)模擬評估，與現(xiàn)有工藝仿真工具互補(bǔ)。通過使用現(xiàn)有產(chǎn)品、工裝數(shù)模，應(yīng)用VR虛擬裝配，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品和工藝的同步工程，虛擬評估進(jìn)一步提質(zhì)提效。

基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究不僅限于整車系統(tǒng)，通過近幾年多部門多領(lǐng)域VR/AR結(jié)合技術(shù)的研究，已突破多個技術(shù)瓶頸，實(shí)現(xiàn)了多個基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“端”的應(yīng)用。可預(yù)見的將來，結(jié)合不斷升級迭代的可視化技術(shù)，還會有更多的“端”被研發(fā)出來，助力智能制造，開啟全新篇章。