虚拟制造技术在汽车装配环节中的应用

2021-12-27陈阳阳

南方农机 2021年2期

陈阳阳

（许昌电气职业学院，河南许昌 461000）

虚拟制造技术于1993 年首次在我国出现，经过多年的发展，该技术在我国已经日趋成熟。汽车装配行业作为汽车工业发展的相关基础行业，其发展受到国家长期的关注与支持，将虚拟制造技术应用于汽车装配环节，能有效提升汽车装配的整体效率，进一步完善汽车装配的相关体制[1]。文章采用了文献分析法分析了虚拟制造技术在汽车装配环节中的应用，旨在使虚拟制造技术在汽车装配领域中得到更好的发展，使之与我国政治体制、文化体制中的各项改革相适应，保证我国汽车制造业的根本任务和总体目标的实现，最终保证我国汽车装配事业的健康稳定发展。

1 虚拟制造技术概述

虚拟制造技术是以仿真技术及虚拟现实技术为依托，应用相关计算机技术对生产过程与产品设计进行建模，并进一步对生产的具体环节进行模拟、仿真的一种技术。虚拟制造技术经过近30 年的发展，相比从前，其在基础研究领域和技术开发领域都取得了显著的进展[2]。虚拟制造技术所涉及的领域十分广泛，所包含的关键技术已逾40 项，其中部分技术不是虚拟制造技术所特有的，但是仍在虚拟制造技术中发挥着不容忽视的作用。根据核心技术的类型，文章从相关结构与建模技术两种角度对虚拟制造技术的发展进行了概述。

1.1 虚拟制造相关体系结构

日本大阪大学的两位教授率先提出了“VM 体系结构”，该体系结构具备如下特点：与具体的相关应用呈无关性，VPS 能够适应各种不同模式的VIS 与RIS；该系统的结构与真实系统的结构类似。

德国欧洲机电一体化中心开发了名为“Virtual Workbench”的新型交互式虚拟制造系统，该系统在设计上强调沉浸感与体验感，其应用的结构是由马里兰大学研究团队历时数年研究出的“三中心”体系结构（即以设计为中心、以生产为中心、以控制为中心的结构）。

我国学者对于虚拟制造相关体系结构的研究也日臻成熟[3]。例如，上海交通大学针对VM 体系结构，提出了基于控制、应用、界面、数据、活动五层协议的结构设想。国家CIMS 中心对国内外有关虚拟制造的研究成果进行归类分析，基于产品开发管理集成过程中的虚拟设计、虚拟生产、企业虚拟框架，提出了虚拟制造体系结构的新构想，并明确了虚拟制造的相应目标：对产品的“可制造性”（指对应产品的可加工性与可装配性）、“可生产性”（指企业在现有资源约束下，通过对生产计划进行进一步的优化，满足市场要求）、“可合作性”（相关企业动态联盟内部存在合作关系）进行进一步的决策与支持。

1.2 虚拟制造技术中的建模方法

通过计算机仿真模型对产品功能进行预估，对产品的性能进行全面的分析，并对产品加工过程中可能遇到的问题进行预测，是虚拟制造技术中的关键环节。目前，市场上流行的CAD 制图软件及其产品数据交换标准主要是描述图形信息与材料特性等问题，难以满足虚拟制造整体过程的需求。在整体需求上，虚拟制造技术既要求多学科仿真成果的无缝衔接，又要求这些学科之间能够尽可能地建立互通的技术标准。但实际上，各学科开发的模型时间缺乏规范的交换标准，导致相关误差增大，工作整体效率下降。为克服传统模型产品存在的诸多不足，世界范围内专家及其科研团队，对支持虚拟制造的产品模型相关框架及其建模方法进行了大量的深入研究，如“元建模技术”和“产品建模技术”最具代表性。其中，基于产品物理特性与本质的“元建模技术”是由日本东京大学的两位教授提出的；而“产品建模技术”则是由荷兰学者提出的。综上所述，建模技术仍是虚拟制造技术的核心，但是部分相关软件在虚拟建模技术问世前就已经得到了广泛应用，故不同软件在模型参数描述上还存在缺乏统一标准的问题[4]。除此之外，支持产品完整生命周期的建模方法仍有待研究。

2 虚拟制造技术在汽车装配环节中的应用

2.1 建立数据库

利用PTS，可将汽车装配工艺中的各项信息分为三类，即产品、资源、工艺。其中，产品信息是指汽车装配过程中所有零部件的相关信息，如标准件信息、装配件信息以及车身数据等；资源信息主要包括相关技术人员信息及全套操作设备信息，包括车间信息及工厂、工位的相关信息；工艺信息是指包括零部件安装方法、相关工艺流程信息、问题反馈信息在内的各项工艺信息。因此，在汽车装配工艺中建设完善的数据库，能够效对上述三类信息进行收集、处理、分析、总结，进而可以按照不同企业的相关规范制定不同的结构体系。根据有关研究结论，在汽车装配工艺中，至少可以建立13 个不同类型的资源数据库，通过建模技术将对应模型导入数据库中，即可实现对模型的进一步分析、对比研究。

2.2 导入数据

虚拟制造技术中，相关基础数据的导入主要从以下两个方面进行。其一，产品数据的导入。产品数据的导入过程是把Teamcenter 中的产品数据相关信息传送到CATIA V5，通过相应的接口程序将上述信息传送到对应的数据库中，再通过脚本程序将其传送至BOM 表之中，实现对产品属性的定义。其二，工艺数据的导入。相关工艺数据的导入主要是依赖脚本程序完成的，导入工艺标准与相关各项工艺数据后，进一步通过导入的信息构建企业标准工艺模板。另外，标准模板又可作为设计新产品的重要参考依据，借助对标准模板的参考有效地提高装配过程的生产效率。

2.3 完成工艺设计

在初步工艺规划环节中，需要对之前导入的各类数据信息及相关产品资源进行适当的研究。之后，借助相关数据库中的各大工艺模块，对装配工艺展开相应的规划设计。通过对原有的工艺标准进行有效的分析，确定产品的实际装配顺序，并按照顺序将各类相关数据依次在对应软件中打开，最后结合既定的工艺路线对汽车装配的整个过程进行模拟。通过对装配过程的模拟，分析整个装配路径中存在的问题；对各零件的相应装配顺序进行检查、分析，进一步确定其中是否存在质量问题或安全隐患；分析装配过程中是否存在碰撞问题并对碰撞位置相关参数进行全方位的精密计算，从而完成汽车装配过程的全面优化。

3 虚拟制造技术的发展前景

3.1 虚拟制造技术与虚拟现实技术

虚拟现实技术是指能够使使用者通过对应接口置身于计算机生成的虚拟世界中的技术。人们进入虚拟世界之后，可以对虚拟环境中的对象进行一定的操作，并且可以和处于不同时间的虚拟人进行交互。该技术能够通过不同虚拟设备对人们的感官进行一定程度的刺激，实现系统交互、环境沉浸、思维构想三个基本目标。与虚拟现实技术类似，虚拟制造技术也是单项仿真技术，故此，虚拟制造技术的相关理论能够为虚拟现实技术的发展提供指导[5]。目前，对于相关三维几何图形，VR 技术大多采用了多边形或三角形近似处理，而在虚拟装配过程中，为了实现图形的实时刷新，软件通常会选择减少多边形或三角形的数量，结果加强了对象在空间位置上变化的实时移动感，却降低了细节上的精确度。从精确度的角度分析，虚拟现实技术仍有很大的发展空间，究其原因，虽然图像能一定程度上反映客观对象的本质特征与变化趋势，但是在真实程度上，却未必能超越以精确反映工艺流程为目的的相关技术的应用程序。

3.2 虚拟制造技术与数字制造技术

1998 年，“数字地球”的概念在世界范围内被首次提出。国外的学者从开发与生产的视角界定了数字制造的定义：在虚拟世界制造产品的过程。在此基础之上，有学者认为，数字制造综合了智能制造、网络化制造、虚拟制造的部分属性，其核心思想为“用虚拟原型”代替“物理原型”，即通过虚拟现实的数字仿真相关技术，实现对产品设计与工艺过程的优化。从另一个角度来看，可以将数字制造技术理解为信息技术对制造业实现的全面改造与升级，将传统意义上的产品研发过程体现在了计算机上，而虚拟制造技术在相应方面与之存在的最大差别就是在目标上更加关注模拟过程的“本质实现”。

3.3 虚拟制造技术与虚拟企业

虚拟企业注重竞争力与信誉度，在制度上选择合作者分工合作的制度模式，由许多企业组成“动态联盟”，为实现共同目标而不懈努力，提高整体竞争力。虚拟企业通过汇集不同地区（或国家）合作伙伴的综合资源，利用相关网络技术，可实现跨地域的协调统一。虚拟企业在运作中强调通过网络实现相关资源的共享与协调，这与虚拟制造技术在配件设计过程中与各软件平台共享数据、进度的思想不谋而合。在此基础之上，虚拟制造技术可为虚拟企业提供相应的帮助，主要包括对过程控制、人机交互等环节的支持。