虛擬制造技術(shù)在汽車裝配環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

陳陽(yáng)陽(yáng)

（許昌電氣職業(yè)學(xué)院，河南 許昌 461000）

虛擬制造技術(shù)于1993 年首次在我國(guó)出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，該技術(shù)在我國(guó)已經(jīng)日趨成熟。汽車裝配行業(yè)作為汽車工業(yè)發(fā)展的相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)，其發(fā)展受到國(guó)家長(zhǎng)期的關(guān)注與支持，將虛擬制造技術(shù)應(yīng)用于汽車裝配環(huán)節(jié)，能有效提升汽車裝配的整體效率，進(jìn)一步完善汽車裝配的相關(guān)體制[1]。文章采用了文獻(xiàn)分析法分析了虛擬制造技術(shù)在汽車裝配環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，旨在使虛擬制造技術(shù)在汽車裝配領(lǐng)域中得到更好的發(fā)展，使之與我國(guó)政治體制、文化體制中的各項(xiàng)改革相適應(yīng)，保證我國(guó)汽車制造業(yè)的根本任務(wù)和總體目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，最終保證我國(guó)汽車裝配事業(yè)的健康穩(wěn)定發(fā)展。

1 虛擬制造技術(shù)概述

虛擬制造技術(shù)是以仿真技術(shù)及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托，應(yīng)用相關(guān)計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程與產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行建模，并進(jìn)一步對(duì)生產(chǎn)的具體環(huán)節(jié)進(jìn)行模擬、仿真的一種技術(shù)。虛擬制造技術(shù)經(jīng)過(guò)近30 年的發(fā)展，相比從前，其在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域和技術(shù)開(kāi)發(fā)領(lǐng)域都取得了顯著的進(jìn)展[2]。虛擬制造技術(shù)所涉及的領(lǐng)域十分廣泛，所包含的關(guān)鍵技術(shù)已逾40 項(xiàng)，其中部分技術(shù)不是虛擬制造技術(shù)所特有的，但是仍在虛擬制造技術(shù)中發(fā)揮著不容忽視的作用。根據(jù)核心技術(shù)的類型，文章從相關(guān)結(jié)構(gòu)與建模技術(shù)兩種角度對(duì)虛擬制造技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了概述。

1.1 虛擬制造相關(guān)體系結(jié)構(gòu)

日本大阪大學(xué)的兩位教授率先提出了“VM 體系結(jié)構(gòu)”，該體系結(jié)構(gòu)具備如下特點(diǎn)：與具體的相關(guān)應(yīng)用呈無(wú)關(guān)性，VPS 能夠適應(yīng)各種不同模式的VIS 與RIS；該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與真實(shí)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)類似。

德國(guó)歐洲機(jī)電一體化中心開(kāi)發(fā)了名為“Virtual Workbench”的新型交互式虛擬制造系統(tǒng)，該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)沉浸感與體驗(yàn)感，其應(yīng)用的結(jié)構(gòu)是由馬里蘭大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)數(shù)年研究出的“三中心”體系結(jié)構(gòu)（即以設(shè)計(jì)為中心、以生產(chǎn)為中心、以控制為中心的結(jié)構(gòu)）。

我國(guó)學(xué)者對(duì)于虛擬制造相關(guān)體系結(jié)構(gòu)的研究也日臻成熟[3]。例如，上海交通大學(xué)針對(duì)VM 體系結(jié)構(gòu)，提出了基于控制、應(yīng)用、界面、數(shù)據(jù)、活動(dòng)五層協(xié)議的結(jié)構(gòu)設(shè)想。國(guó)家CIMS 中心對(duì)國(guó)內(nèi)外有關(guān)虛擬制造的研究成果進(jìn)行歸類分析，基于產(chǎn)品開(kāi)發(fā)管理集成過(guò)程中的虛擬設(shè)計(jì)、虛擬生產(chǎn)、企業(yè)虛擬框架，提出了虛擬制造體系結(jié)構(gòu)的新構(gòu)想，并明確了虛擬制造的相應(yīng)目標(biāo)：對(duì)產(chǎn)品的“可制造性”（指對(duì)應(yīng)產(chǎn)品的可加工性與可裝配性）、“可生產(chǎn)性”（指企業(yè)在現(xiàn)有資源約束下，通過(guò)對(duì)生產(chǎn)計(jì)劃進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化，滿足市場(chǎng)要求）、“可合作性”（相關(guān)企業(yè)動(dòng)態(tài)聯(lián)盟內(nèi)部存在合作關(guān)系）進(jìn)行進(jìn)一步的決策與支持。

1.2 虛擬制造技術(shù)中的建模方法

通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真模型對(duì)產(chǎn)品功能進(jìn)行預(yù)估，對(duì)產(chǎn)品的性能進(jìn)行全面的分析，并對(duì)產(chǎn)品加工過(guò)程中可能遇到的問(wèn)題進(jìn)行預(yù)測(cè)，是虛擬制造技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前，市場(chǎng)上流行的CAD 制圖軟件及其產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)主要是描述圖形信息與材料特性等問(wèn)題，難以滿足虛擬制造整體過(guò)程的需求。在整體需求上，虛擬制造技術(shù)既要求多學(xué)科仿真成果的無(wú)縫銜接，又要求這些學(xué)科之間能夠盡可能地建立互通的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。但實(shí)際上，各學(xué)科開(kāi)發(fā)的模型時(shí)間缺乏規(guī)范的交換標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致相關(guān)誤差增大，工作整體效率下降。為克服傳統(tǒng)模型產(chǎn)品存在的諸多不足，世界范圍內(nèi)專家及其科研團(tuán)隊(duì)，對(duì)支持虛擬制造的產(chǎn)品模型相關(guān)框架及其建模方法進(jìn)行了大量的深入研究，如“元建模技術(shù)”和“產(chǎn)品建模技術(shù)”最具代表性。其中，基于產(chǎn)品物理特性與本質(zhì)的“元建模技術(shù)”是由日本東京大學(xué)的兩位教授提出的；而“產(chǎn)品建模技術(shù)”則是由荷蘭學(xué)者提出的。綜上所述，建模技術(shù)仍是虛擬制造技術(shù)的核心，但是部分相關(guān)軟件在虛擬建模技術(shù)問(wèn)世前就已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，故不同軟件在模型參數(shù)描述上還存在缺乏統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題[4]。除此之外，支持產(chǎn)品完整生命周期的建模方法仍有待研究。

2 虛擬制造技術(shù)在汽車裝配環(huán)節(jié)中的應(yīng)用

2.1 建立數(shù)據(jù)庫(kù)

利用PTS，可將汽車裝配工藝中的各項(xiàng)信息分為三類，即產(chǎn)品、資源、工藝。其中，產(chǎn)品信息是指汽車裝配過(guò)程中所有零部件的相關(guān)信息，如標(biāo)準(zhǔn)件信息、裝配件信息以及車身數(shù)據(jù)等；資源信息主要包括相關(guān)技術(shù)人員信息及全套操作設(shè)備信息，包括車間信息及工廠、工位的相關(guān)信息；工藝信息是指包括零部件安裝方法、相關(guān)工藝流程信息、問(wèn)題反饋信息在內(nèi)的各項(xiàng)工藝信息。因此，在汽車裝配工藝中建設(shè)完善的數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠效對(duì)上述三類信息進(jìn)行收集、處理、分析、總結(jié)，進(jìn)而可以按照不同企業(yè)的相關(guān)規(guī)范制定不同的結(jié)構(gòu)體系。根據(jù)有關(guān)研究結(jié)論，在汽車裝配工藝中，至少可以建立13 個(gè)不同類型的資源數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)建模技術(shù)將對(duì)應(yīng)模型導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)模型的進(jìn)一步分析、對(duì)比研究。

2.2 導(dǎo)入數(shù)據(jù)

虛擬制造技術(shù)中，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)入主要從以下兩個(gè)方面進(jìn)行。其一，產(chǎn)品數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。產(chǎn)品數(shù)據(jù)的導(dǎo)入過(guò)程是把Teamcenter 中的產(chǎn)品數(shù)據(jù)相關(guān)信息傳送到CATIA V5，通過(guò)相應(yīng)的接口程序?qū)⑸鲜鲂畔魉偷綄?duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)中，再通過(guò)腳本程序?qū)⑵鋫魉椭罛OM 表之中，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品屬性的定義。其二，工藝數(shù)據(jù)的導(dǎo)入。相關(guān)工藝數(shù)據(jù)的導(dǎo)入主要是依賴腳本程序完成的，導(dǎo)入工藝標(biāo)準(zhǔn)與相關(guān)各項(xiàng)工藝數(shù)據(jù)后，進(jìn)一步通過(guò)導(dǎo)入的信息構(gòu)建企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工藝模板。另外，標(biāo)準(zhǔn)模板又可作為設(shè)計(jì)新產(chǎn)品的重要參考依據(jù)，借助對(duì)標(biāo)準(zhǔn)模板的參考有效地提高裝配過(guò)程的生產(chǎn)效率。

2.3 完成工藝設(shè)計(jì)

在初步工藝規(guī)劃環(huán)節(jié)中，需要對(duì)之前導(dǎo)入的各類數(shù)據(jù)信息及相關(guān)產(chǎn)品資源進(jìn)行適當(dāng)?shù)难芯?。之后，借助相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)中的各大工藝模塊，對(duì)裝配工藝展開(kāi)相應(yīng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)原有的工藝標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效的分析，確定產(chǎn)品的實(shí)際裝配順序，并按照順序?qū)⒏黝愊嚓P(guān)數(shù)據(jù)依次在對(duì)應(yīng)軟件中打開(kāi)，最后結(jié)合既定的工藝路線對(duì)汽車裝配的整個(gè)過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)對(duì)裝配過(guò)程的模擬，分析整個(gè)裝配路徑中存在的問(wèn)題；對(duì)各零件的相應(yīng)裝配順序進(jìn)行檢查、分析，進(jìn)一步確定其中是否存在質(zhì)量問(wèn)題或安全隱患；分析裝配過(guò)程中是否存在碰撞問(wèn)題并對(duì)碰撞位置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行全方位的精密計(jì)算，從而完成汽車裝配過(guò)程的全面優(yōu)化。

3 虛擬制造技術(shù)的發(fā)展前景

3.1 虛擬制造技術(shù)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是指能夠使使用者通過(guò)對(duì)應(yīng)接口置身于計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界中的技術(shù)。人們進(jìn)入虛擬世界之后，可以對(duì)虛擬環(huán)境中的對(duì)象進(jìn)行一定的操作，并且可以和處于不同時(shí)間的虛擬人進(jìn)行交互。該技術(shù)能夠通過(guò)不同虛擬設(shè)備對(duì)人們的感官進(jìn)行一定程度的刺激，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)交互、環(huán)境沉浸、思維構(gòu)想三個(gè)基本目標(biāo)。與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)類似，虛擬制造技術(shù)也是單項(xiàng)仿真技術(shù)，故此，虛擬制造技術(shù)的相關(guān)理論能夠?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展提供指導(dǎo)[5]。目前，對(duì)于相關(guān)三維幾何圖形，VR 技術(shù)大多采用了多邊形或三角形近似處理，而在虛擬裝配過(guò)程中，為了實(shí)現(xiàn)圖形的實(shí)時(shí)刷新，軟件通常會(huì)選擇減少多邊形或三角形的數(shù)量，結(jié)果加強(qiáng)了對(duì)象在空間位置上變化的實(shí)時(shí)移動(dòng)感，卻降低了細(xì)節(jié)上的精確度。從精確度的角度分析，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)仍有很大的發(fā)展空間，究其原因，雖然圖像能一定程度上反映客觀對(duì)象的本質(zhì)特征與變化趨勢(shì)，但是在真實(shí)程度上，卻未必能超越以精確反映工藝流程為目的的相關(guān)技術(shù)的應(yīng)用程序。

3.2 虛擬制造技術(shù)與數(shù)字制造技術(shù)

1998 年，“數(shù)字地球”的概念在世界范圍內(nèi)被首次提出。國(guó)外的學(xué)者從開(kāi)發(fā)與生產(chǎn)的視角界定了數(shù)字制造的定義：在虛擬世界制造產(chǎn)品的過(guò)程。在此基礎(chǔ)之上，有學(xué)者認(rèn)為，數(shù)字制造綜合了智能制造、網(wǎng)絡(luò)化制造、虛擬制造的部分屬性，其核心思想為“用虛擬原型”代替“物理原型”，即通過(guò)虛擬現(xiàn)實(shí)的數(shù)字仿真相關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝過(guò)程的優(yōu)化。從另一個(gè)角度來(lái)看，可以將數(shù)字制造技術(shù)理解為信息技術(shù)對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)的全面改造與升級(jí)，將傳統(tǒng)意義上的產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程體現(xiàn)在了計(jì)算機(jī)上，而虛擬制造技術(shù)在相應(yīng)方面與之存在的最大差別就是在目標(biāo)上更加關(guān)注模擬過(guò)程的“本質(zhì)實(shí)現(xiàn)”。

3.3 虛擬制造技術(shù)與虛擬企業(yè)

虛擬企業(yè)注重競(jìng)爭(zhēng)力與信譽(yù)度，在制度上選擇合作者分工合作的制度模式，由許多企業(yè)組成“動(dòng)態(tài)聯(lián)盟”，為實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)而不懈努力，提高整體競(jìng)爭(zhēng)力。虛擬企業(yè)通過(guò)匯集不同地區(qū)（或國(guó)家）合作伙伴的綜合資源，利用相關(guān)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)跨地域的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。虛擬企業(yè)在運(yùn)作中強(qiáng)調(diào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)相關(guān)資源的共享與協(xié)調(diào)，這與虛擬制造技術(shù)在配件設(shè)計(jì)過(guò)程中與各軟件平臺(tái)共享數(shù)據(jù)、進(jìn)度的思想不謀而合。在此基礎(chǔ)之上，虛擬制造技術(shù)可為虛擬企業(yè)提供相應(yīng)的幫助，主要包括對(duì)過(guò)程控制、人機(jī)交互等環(huán)節(jié)的支持。

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，虛擬制造技術(shù)在汽車裝配環(huán)節(jié)中的應(yīng)用，能有效提升汽車裝配過(guò)程的生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車裝配過(guò)程的全面優(yōu)化。虛擬制造技術(shù)能夠與許多領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行融合，具有良好的發(fā)展前景，從而為汽車裝配事業(yè)帶來(lái)更好的發(fā)展。