虛擬調(diào)試在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造中的應(yīng)用與發(fā)展趨勢

摘 要：為了縮短項(xiàng)目周期，提高產(chǎn)品上市速度，虛擬調(diào)試技術(shù)在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造中得到了廣泛應(yīng)用。虛擬調(diào)試技術(shù)通過在仿真軟件和虛擬調(diào)試環(huán)境中提前對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化，有效減少了機(jī)電設(shè)計(jì)缺陷和現(xiàn)場調(diào)試周期。文章介紹了虛擬調(diào)試的概念、流程及其在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，探討了機(jī)器人離線編程、數(shù)控機(jī)床虛擬調(diào)試和非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備虛擬調(diào)試的優(yōu)勢及收益。同時(shí)文章還分析了虛擬調(diào)試的難點(diǎn)，探討了未來發(fā)展趨勢，如AI驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化調(diào)試、云邊協(xié)同和行業(yè)生態(tài)建設(shè)。

關(guān)鍵詞：驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 虛擬機(jī)床 虛擬調(diào)試 汽車制造 提質(zhì)增效

新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)線設(shè)備緊湊，工藝復(fù)雜，制造方式以傳統(tǒng)的基于真實(shí)樣機(jī)的研發(fā)、制造組織形式為主，設(shè)計(jì)出現(xiàn)的問題往往在實(shí)物樣機(jī)調(diào)試階段才會(huì)發(fā)現(xiàn)。機(jī)電設(shè)計(jì)要經(jīng)過多次優(yōu)化，改進(jìn)生產(chǎn)制造工藝才能最終穩(wěn)定運(yùn)行，這種模式不僅導(dǎo)致研發(fā)周期長、設(shè)計(jì)變更多、制造成本高，還會(huì)造成管理難度大，成本不容易控制等管理問題[1]。

為了解決這些難題，虛擬調(diào)試技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。本文將結(jié)合上汽通用動(dòng)力科技在新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造中虛擬調(diào)試技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐和創(chuàng)新，介紹虛擬調(diào)試技術(shù)在新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)線的技術(shù)架構(gòu)和典型應(yīng)用案例，探究虛擬調(diào)試在項(xiàng)目安全、程序質(zhì)量、調(diào)試周期和項(xiàng)目成本方面的應(yīng)用價(jià)值，同時(shí)結(jié)合當(dāng)前的主要發(fā)現(xiàn)，探討虛擬調(diào)試技術(shù)的未來發(fā)展方向，提出一些想法和建議。

1 虛擬調(diào)試技術(shù)概述

1.1 虛擬調(diào)試的概念

虛擬調(diào)試是在一個(gè)由仿真軟件和虛擬調(diào)試軟件構(gòu)建的虛擬環(huán)境中對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行仿真、調(diào)試和優(yōu)化的過程。在這個(gè)虛擬環(huán)境中我們可以驗(yàn)證設(shè)備運(yùn)動(dòng)部件的執(zhí)行情況，圖形化示教、測試和優(yōu)化機(jī)器人程序，可靠地測試PLC的安全、報(bào)警邏輯。虛擬調(diào)試有三種方式[2]，分別是軟件在環(huán)模式、硬件在環(huán)模式和混合模式，軟件在環(huán)模式所有調(diào)試均在軟件中進(jìn)行，靈活成本低，硬件在環(huán)模式程序都運(yùn)行在實(shí)物硬件中，仿真調(diào)試結(jié)果可靠但成本高，混合模式介于兩者之間。

1.2 虛擬調(diào)試的流程

傳統(tǒng)設(shè)備開發(fā)流程是順序執(zhí)行的，完成需求分析后依次進(jìn)行機(jī)械、電氣和自動(dòng)化設(shè)計(jì)。等待零部件生產(chǎn)制造采購?fù)瓿珊箝_始裝配，裝配完成后進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷往往會(huì)導(dǎo)致巨大的時(shí)間和成本損失。

應(yīng)用虛擬調(diào)試的設(shè)備開發(fā)流程則是在完成需求分析后，同時(shí)開始機(jī)械、電氣和自動(dòng)化的設(shè)計(jì)，在設(shè)備尚未開始制造時(shí)就在虛擬環(huán)境中對其進(jìn)行調(diào)試，得益于虛擬環(huán)境的靈活性，可以快速高效地完成調(diào)試工作，提前驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，有效避免設(shè)備安裝階段的返工問題。通過在工作流程上的優(yōu)化和增效，虛擬調(diào)試可有效地節(jié)約項(xiàng)目周期[3]。

2 虛擬調(diào)試在新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)制造中的應(yīng)用及收益

新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)線的主要產(chǎn)品是動(dòng)力電池與電驅(qū)電機(jī)，加工工藝主要包含機(jī)加工，搬運(yùn)，涂膠，焊接和裝配。生產(chǎn)線主要由兩類設(shè)備組成，一類是高精度數(shù)控加工中心，另一類是非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備。圍繞這兩類設(shè)備以及相關(guān)加工工藝，上汽通用動(dòng)力科技構(gòu)建了新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)線中應(yīng)用的虛擬調(diào)試技術(shù)架構(gòu)，覆蓋相關(guān)設(shè)備的虛擬調(diào)試。

2.1 機(jī)器人離線編程

新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)線離不開工業(yè)機(jī)器人。傳統(tǒng)機(jī)器人調(diào)試方式是在現(xiàn)場設(shè)備機(jī)械安裝完成后，由機(jī)器人工程師使用手持示教器進(jìn)行軌跡示教，這種方式效率不高，面對動(dòng)力電池涂膠這類復(fù)雜連續(xù)軌跡時(shí)，人工示教編程耗時(shí)顯著增加，且軌跡精度難以滿足工藝要求。現(xiàn)場示教需要操作者近距離觀察運(yùn)動(dòng)部件，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。

通過應(yīng)用虛擬調(diào)試，借助西門子Process Simulate軟件，構(gòu)建虛擬設(shè)備，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行安全無風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)器人離線示教，面對復(fù)雜連續(xù)軌跡，只需標(biāo)記特征點(diǎn)位或?qū)肜碚撥壽E，軟件即可自動(dòng)生成連續(xù)軌跡。對軌跡進(jìn)行仿真驗(yàn)證無誤后，將軌跡導(dǎo)出為機(jī)器人程序可直接使用的機(jī)器人程序。經(jīng)過實(shí)際驗(yàn)證，機(jī)器人離線編程相比傳統(tǒng)人工示教，可提升70%的機(jī)器人調(diào)試效率，同時(shí)能降低50%的調(diào)試物料需求，提升軌跡質(zhì)量，優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行節(jié)拍。

2.2 數(shù)控機(jī)床虛擬調(diào)試

數(shù)控機(jī)床的虛擬調(diào)試包含兩部分內(nèi)容，一是用于產(chǎn)品加工的NC程序虛擬調(diào)試，二是用于機(jī)床本身功能控制的PLC和NC程序虛擬調(diào)試。在實(shí)物機(jī)床上進(jìn)行程序調(diào)試和驗(yàn)證，會(huì)占用寶貴的機(jī)床開動(dòng)時(shí)間，調(diào)試過程萬一發(fā)生碰撞事故，會(huì)導(dǎo)致巨大經(jīng)濟(jì)損失。借助虛擬機(jī)床在虛擬環(huán)境中進(jìn)行程序虛擬調(diào)試是解決這一痛點(diǎn)的有效方法，高成熟度的虛擬機(jī)床能夠支持多學(xué)科、多領(lǐng)域的協(xié)同設(shè)計(jì)和仿真[4] ，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床仿真軟件，如Vericut，可提供三維虛擬環(huán)境，對刀具加工路徑進(jìn)行仿真，但其沒有內(nèi)置專用數(shù)控系統(tǒng)仿真內(nèi)核和PLC仿真內(nèi)核，無法100%還原真實(shí)設(shè)備的運(yùn)行工況，仿真后的程序因缺少實(shí)物機(jī)床的特殊功能也需經(jīng)過專門后處理才能在實(shí)物機(jī)床上使用，增加了虛擬調(diào)試應(yīng)用的難度。

為了實(shí)現(xiàn)與實(shí)物機(jī)床一致的調(diào)試效果，上汽通用動(dòng)力科技采用西門子CMVM（Create My Virtual Machine）軟件構(gòu)建與實(shí)物機(jī)床行為一致的虛擬機(jī)床。CMVM軟件內(nèi)置了西門子數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)核和PLC內(nèi)核，允許用戶通過與實(shí)物機(jī)床一致的參數(shù)和程序在虛擬環(huán)境中構(gòu)建、測試和調(diào)試虛擬機(jī)床。圖2展示的即基于CMVM開發(fā)的虛擬機(jī)床，左半部分為與實(shí)物機(jī)床完全一致的HMI界面，右側(cè)為與實(shí)物機(jī)床一致的三維模型，實(shí)時(shí)展示機(jī)床各軸運(yùn)行狀態(tài)，方便用戶動(dòng)態(tài)觀察程序執(zhí)行過程。相比實(shí)物機(jī)床調(diào)試，程序調(diào)試效率提升60%，無需占用設(shè)備開動(dòng)時(shí)間，碰撞風(fēng)險(xiǎn)降低為零，調(diào)試完成的程序在實(shí)物機(jī)床上可直接使用。

2.3 非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備的虛擬調(diào)試

非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備是新能源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)線的主要組成設(shè)備，對于這類設(shè)備，傳統(tǒng)的虛擬調(diào)試會(huì)使用虛擬調(diào)試軟件，如西門子Process Simulate構(gòu)建設(shè)備或生產(chǎn)線的虛擬環(huán)境，并在軟件中定義其行為模型和交互信號。復(fù)雜的行為模型和龐大的三維場景會(huì)嚴(yán)重拖慢虛擬環(huán)境的運(yùn)行速度，影響虛擬調(diào)試的效率。此外受功能限制，當(dāng)面對伺服等具備第三方控制器的虛擬調(diào)試應(yīng)用時(shí)，無法在虛擬環(huán)境中構(gòu)建與實(shí)物一致的行為模型，導(dǎo)致虛擬調(diào)試的程序無法直接在現(xiàn)場使用，降低了虛擬調(diào)試的應(yīng)用價(jià)值。

為了解決這些問題，上汽通用動(dòng)力科技在項(xiàng)目中應(yīng)用了如圖3所示的行為模型與三維模型解耦的虛擬調(diào)試架構(gòu)。與傳統(tǒng)的虛擬調(diào)試架構(gòu)相比，該架構(gòu)使用了第三方行為模型仿真軟件WinMOD來充當(dāng)數(shù)據(jù)交換橋梁，借助WinMOD強(qiáng)大的數(shù)據(jù)連接能力，使用Process Simulate構(gòu)建的虛擬設(shè)備可以無縫地與PLC和機(jī)器人仿真軟件進(jìn)行與實(shí)際情況一致的I/O數(shù)據(jù)交換。此外WinMOD內(nèi)置了強(qiáng)大的行為模型仿真能力，用戶可以基于標(biāo)準(zhǔn)庫或自開發(fā)庫，構(gòu)建伺服，變頻器，RFID，相機(jī)等與設(shè)備中第三方控制器行為一致的行為模型，實(shí)現(xiàn)完整的程序虛擬調(diào)試。調(diào)試完成的程序可直接真實(shí)設(shè)備上直接使用。相比于傳統(tǒng)調(diào)試，非標(biāo)設(shè)備的虛擬調(diào)試提升現(xiàn)場PLC調(diào)試效率提升50%，還可以安全無風(fēng)險(xiǎn)地在項(xiàng)目早期發(fā)現(xiàn)幾點(diǎn)設(shè)計(jì)問題，降低調(diào)試成本，充分的虛擬驗(yàn)證可以進(jìn)一步提升程序質(zhì)量。

3 虛擬調(diào)試應(yīng)用的難點(diǎn)與思考

虛擬調(diào)試在項(xiàng)目安全、程序質(zhì)量、調(diào)試周期和項(xiàng)目成本方面有顯著的收益和價(jià)值，但在應(yīng)用過程中我們發(fā)現(xiàn)存在許多難點(diǎn)，成功克服這些難點(diǎn)成為虛擬調(diào)試應(yīng)用收益的關(guān)鍵。

3.1 跨學(xué)科知識儲備

虛擬調(diào)試融合了加工工藝、機(jī)械設(shè)計(jì)、電氣設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、機(jī)器人應(yīng)用等諸多學(xué)科知識，應(yīng)用開發(fā)人員需要熟練掌握如Process Simulate等虛擬調(diào)試軟件的使用，學(xué)習(xí)成本高。要在機(jī)電設(shè)計(jì)完成到現(xiàn)場設(shè)備安裝完成這個(gè)時(shí)間段內(nèi)，完成虛擬環(huán)境的搭建和程序的調(diào)試工作，對虛擬調(diào)試的開發(fā)流程完善程度和團(tuán)隊(duì)的默契配合程度有著極大挑戰(zhàn)。

3.2 數(shù)據(jù)互通互聯(lián)

復(fù)雜設(shè)備會(huì)同時(shí)連接多種類型的系統(tǒng)，如相機(jī)，RFID，機(jī)器人，伺服系統(tǒng)，MES，APS等。因通信協(xié)議或軟件限制，虛擬環(huán)境中這些系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)面臨較大的挑戰(zhàn)。虛擬環(huán)境中數(shù)據(jù)的完整性決定了虛擬調(diào)試程序的覆蓋率，決定了最終調(diào)試完成的程序是否能夠在現(xiàn)場直接使用。如何確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性是有效降低現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間的關(guān)鍵。

3.3 復(fù)雜場景的性能優(yōu)化

當(dāng)虛擬調(diào)試維度從單機(jī)發(fā)展到整線，即便采用三維環(huán)境與行為模型解耦的技術(shù)方案，也難以保證產(chǎn)線級復(fù)雜場景的流暢運(yùn)行。采用將生產(chǎn)線拆分，在多個(gè)虛擬環(huán)境下使用虛擬工位組建虛擬生產(chǎn)線的方法可以滿足復(fù)雜整線的虛擬調(diào)試，但由此造成的架構(gòu)復(fù)雜性提升和軟硬件投入增加也是無法回避的難題。

3.4 業(yè)務(wù)流程融合

虛擬調(diào)試推動(dòng)了串行設(shè)備開發(fā)到并行設(shè)備開發(fā)的流程改變，這種變化會(huì)對原有開發(fā)流程中階段性交付物，如傳感器布置圖，時(shí)序圖，電氣原理圖等，提出更精確更快速的要求。業(yè)務(wù)流程以及業(yè)務(wù)能力層面是否能支撐這種改變對項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)來說是一個(gè)挑戰(zhàn)。

4 未來發(fā)展方向

隨著數(shù)字技術(shù)，AI以及算力的不斷發(fā)展，虛擬調(diào)試必將融合更多的前沿技術(shù)，朝著更高效，更經(jīng)濟(jì)，更智能的方向發(fā)展。

4.1 AI驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)化調(diào)試

在虛擬環(huán)境中進(jìn)行機(jī)器人離線編程，相比現(xiàn)場示教雖然已顯著提升了機(jī)器人編程效率，但面對復(fù)雜多機(jī)器人協(xié)作的場景，仍需花費(fèi)大量時(shí)間來優(yōu)化程序路徑。隨著AI技術(shù)的不斷發(fā)展，借助AI生成軌跡完成自動(dòng)化調(diào)試將有越來越多的嘗試和應(yīng)用。Valiant TMS與Realtime Robotics合作[5]，通過快速生成和測試數(shù)十萬個(gè)潛在的機(jī)器人路徑，基于目標(biāo)序列、機(jī)器人可達(dá)范圍等參數(shù)，確定最佳的運(yùn)動(dòng)序列，自動(dòng)化完成機(jī)器人程序的最優(yōu)調(diào)試，顯著提升調(diào)試效率。

4.2 云邊協(xié)同虛擬調(diào)試平臺

虛擬調(diào)試開始前需要花費(fèi)大量時(shí)間和精力搭建虛擬調(diào)試軟硬件平臺，與遠(yuǎn)程團(tuán)隊(duì)的協(xié)同開發(fā)困難。Process Simulate Collaborate 是西門子推出的基于云的3D協(xié)作工具[6]，通過云端協(xié)作。用戶可上傳工程文件到云端集中管理，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確一致。團(tuán)隊(duì)成員無需安裝應(yīng)用程序，直接通過專屬鏈接實(shí)時(shí)參與虛擬調(diào)試，進(jìn)行交流討論，提升協(xié)作工作效率以及敏感數(shù)據(jù)的安全性。

4.3 標(biāo)準(zhǔn)化接口與行業(yè)生態(tài)建設(shè)

越來越多的元器件供應(yīng)商開始提供標(biāo)準(zhǔn)化的程序接口或者仿真軟件，方便用戶在虛擬環(huán)境中快速集成和應(yīng)用。比如西門子在Process Simulate虛擬調(diào)試軟件中集成了基于云端的機(jī)器人庫，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在虛擬環(huán)境中的開箱即用。將來隨著生態(tài)建設(shè)的不斷完善，用戶在構(gòu)建設(shè)備的虛擬環(huán)境時(shí)，只需導(dǎo)入相應(yīng)的元器件模型，連接信號即可開始虛擬調(diào)試，無須進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)和行為模型定義，這將極大降低虛擬調(diào)試應(yīng)用門檻，提升虛擬環(huán)境的構(gòu)建效率。

5 結(jié)論

虛擬調(diào)試技術(shù)提升了新能源汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)生產(chǎn)線的開發(fā)實(shí)施效率。其在機(jī)器人離線編程、數(shù)控機(jī)床調(diào)試和非標(biāo)自動(dòng)化設(shè)備調(diào)試中的應(yīng)用，顯著降低了調(diào)試過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)，極大提升了PLC程序和機(jī)器人程序的調(diào)試效率，減少現(xiàn)場調(diào)試的時(shí)間和成本，提前發(fā)現(xiàn)機(jī)電設(shè)計(jì)問題，提升設(shè)備及生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)質(zhì)量。然而，虛擬調(diào)試在應(yīng)用過程中也面臨一些困難和挑戰(zhàn)，包括跨學(xué)科知識的整合、數(shù)據(jù)互通互聯(lián)、場景性能優(yōu)化以及應(yīng)用虛擬調(diào)試后的業(yè)務(wù)流程融合與再造。未來，隨著AI以及云平臺等前沿技術(shù)的不斷融合，虛擬調(diào)試技術(shù)將向著更高效、更智能、更經(jīng)濟(jì)的方向發(fā)展，通過推動(dòng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和軟硬件生態(tài)建設(shè)，進(jìn)一步降低虛擬調(diào)試應(yīng)用門檻，助力用戶降本增效，促進(jìn)新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展。

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