虛擬制造技術在汽車裝配工藝中的應用

堯永春

摘 要：隨著我國的經濟水平的快速提升與科學技術的創新發展，大量的新興科技被應用于現代化生產加工過程當中，其中虛擬制造技術作為一項由多門學科先進知識成果所形成的綜合系統全新技術，在制造行業具有廣泛應用。將虛擬制造技術應用于汽車裝配工藝中，不但能模擬產品制造和裝配工藝過程，還能有效處理汽車裝配過程中產生的技術性問題，對于有效提高汽車生產質量和生產效率而言具有重要意義。

關鍵詞：汽車裝配工藝;虛擬制造技術;實踐應用

中圖分類號：U466 ?文獻標識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）06-155-03

Abstract： With the rapid improvement of China's economic level and the innovation and development of science and technology， a large number of new technologies have been applied in the process of modern production and processing. Among them， virtual manufacturing technology， as a new comprehensive system technology formed by advanced knowledge achievements of multiple disciplines， has been widely used in the manufacturing industry. Applying virtual manufacturing technology to automobile assembly process can not only simulate the product manufacturing and assembly process， but also effectively deal with the technical problems in the process of automobile assembly， which is of great significance to effectively improve the quality and efficiency of automobile production.

Keywords： Automobile assembly process; Virtual manufacturing technology; Practical application

CLC NO.： U466 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-155-03

前言

汽車作為現代最普遍的交通運輸工具，其工業生產過程歷經上百年的發展，現如今逐漸步入增長平穩的成熟時期。汽車行業產業鏈完備、關聯產業豐富，并且能有效促進國民經濟的提升，是世界各國經濟基礎的重要組成。二十一世紀的到來伴隨著人民經濟水平與生活質量的提高，這使得我國對于對汽車的需求也越來越高，有效促進了汽車生產行業與銷售市場的發展，使其成為支撐和提高我國經濟穩步增長的主導產業之一。從2010-2016年我國汽車產量變化情況來看（如圖1所示），受到全球經濟形勢變化的影響，汽車產量增長率有所波動，但由于基數較高，每年新增產量也具有一定規模。然而在產品質量和技術含量等方面，我國汽車生產實際情況與汽車行業發達的國家仍存在差距。

汽車裝配行業作為汽車工業發展的基礎領域，也是國家長期重點支持的發展產業，其零部件制備過程、生產加工以及裝配環節都會對汽車生產市場和設備維修市場的發展造成重大影響。根據2010-2016年我國汽車零部件制造規模變化情況分析（如圖2所示），我國零部件制造規模雖在持續增大，但增長速率不太穩定。近年來，隨著汽車工業的不斷發展，全球競爭也在不斷增大，汽車生產行業及零部件制造業的行業內部競爭日益激烈，給傳統制造行業造成了嚴峻的考驗。因此，為了適應市場飛快的變化發展，滿足汽車生產行業與消費者的高品質、多功能要求，汽車裝配行業對零部件的精度、可靠性、技術含量和節能環保等各項性能的技術標準把控愈加嚴格，零部件制造企業需要創新材料開發與制備技術，在裝配環節對產品設計、模具設計與實施流程都提出更高的標準，才能滿足生產發展對產品質量的追求。在汽車裝配工藝中引入虛擬制造技術，可以對裝配產品流程與實際效果進行模擬，以便檢測問題并及時解決，提高產品質量，為汽車裝配行業及汽車制造業帶來了全新的發展方向。

1 虛擬制造技術

虛擬制造技術（簡稱VMT）是以計算機仿真技術為理論核心，通過計算機建模技術對產品設計及零件制造等各項生產過程統一建模，模擬全套生產加工過程，從而預估產品的實際使用情況、技術性能，檢測技術問題，優化工藝生產路線。在設計初始階段，首先利用計算機模擬出制造過程中各項參數的變化趨勢，并分析其對產品設計產生的影響，再預測產品制造成本和各項性能，有利于更加經濟、有效地組織生產加工步驟，使資源得以合理配置，最終達到產品制造成本與生產周期最小化，設計品質最優化，生產效率最高化。

計算機仿真技術對零部件的制造過程、加工方法、加工工序、工裝過程、工藝參數的選用、加工工藝和裝配工藝性等操作步驟均可進行建模仿真。尤其是在裝配工藝中，操作者可通過虛擬環境對虛擬零件觀察、操作，進一步分析、評價產品的可裝配性問題，操作技術問題及工程學問題。因而將虛擬制造技術應用于汽車裝配工藝，有利于研究、處理復雜的產品裝配問題，同時能提前發現加工缺陷與裝配過程中的問題，及時探尋處理方法，優化加工過程，提高生產效率。

2 虛擬制造技術國內外應用情況

虛擬制造技術在工業生產中具有寬闊的應用前景，促使以美國為首的工業發達國家對其展開了深入地分析研究，甚至還成立虛擬制造研究機構，完善虛擬制造技術體系并將其投入實際生產應用。例如美國密歇根大學成立的虛擬現實實驗室，主要研究虛擬環境的工業應用，以虛擬原型構筑為核心，重點針對海洋和汽車工業應用、制造過程的仿真技術應用開展研究工作;美國著名汽車公司福特、克萊斯勒與IBM（國際商業機器制造公司）為新型汽車的研制，合作開發了虛擬環境制造技術，該項技術能在生產樣車前檢測出設計缺陷，有效縮短新型汽車的研制周期;德國著名汽車公司寶馬集團設計了一款虛擬裝配系統用于車門的裝配設計，使其能夠通過語音識別完成指定操作，并在發生碰撞事故時進行報警。

近年來，隨著我國科技水平的不斷提升，虛擬制造技術開始受到各方科技研究人員的廣泛關注，全國部分企業、高校和科學研究所都開展了關于虛擬制造技術方面的研究，國家自然科學基金也設立了專門的研究探索課題。相較發達國家而言，我國對于虛擬制造技術的研究工作還處于初步理論研究階段，其中虛擬裝配設計技術正是我國主要的研究方向之一。

3 虛擬制造技術在汽車裝配工藝中的應用

虛擬制造技術在汽車裝配工藝中的應用涉及了計算機仿真技術、CAD技術、數據管理和裝配過程研究等多項技術的結合，它改變了汽車設計制造和生產加工的傳統方式，在裝配工藝設計初期就能觀察零部件的制造和裝配情況，通過在虛擬環境中對虛擬樣車進行裝配、檢測，優化了汽車生產加工過程的精確度和可操性，避免樣車生產的資源浪費，盡力達到最優設計。本文從以下幾方面對虛擬制造技術在汽車裝配工藝中的應用展開具體闡述。

3.1 建立數據庫

利用虛擬技術軟件中的PTS（設備類型集），將汽車裝配工藝中的各項信息分為產品、資源和工藝三類。產品是指汽車裝配中所有零部件的相關信息，一般包括標準件、裝配件、車身數據等，以及各部件之間所存在的內部聯系;資源是指為生產加工過程提供的全套操作設備和技術人員，一般包括車間、工廠、工位等，同時還有他們之間存在的內部邏輯關系;工藝是指關于零部件安裝方法、工藝過程、問題反饋等內容的具體描述。在汽車裝配工藝中建立數據庫，就是對以上三類信息進行定義，并充分按照不同企業的實際要求與流程規范，制定出相應的結構。

產品結構定義是根據企業當前數據標準中包含的產品數據模板和結構，制定出符合企業產品屬性的操作界面。工藝元素定義主要針對企業實際工藝流程的結構樹與操作界面并包括部分特定的對象。資源結構定義是根據企業的現有資源，全面定義資源結構和資源數。在汽車裝配工藝中，可以建立13個不同類型的資源數據庫，將各個設備的3D模型導入數據庫里，以便于后期裝配工藝規劃的進行。

3.2 數據的導入

利用虛擬制造技術導入基礎數據，主要從產品數據和工藝數據兩方面進行。產品數據導入是將Teamcenter軟件中的產品數據信息傳送到CATIA V5中，通過對應的接口程序把以上數據信息傳送到后臺數據庫的文件中，再利用部分腳本程序將其傳到BOM表，最終完成產品數據屬性的定義。工藝數據導入主要是利用腳本程序，將各項工藝數據和相關標準自動導入，再通過導入的數據信息構建出企業標準工藝模板。在設計新產品時，標準模板可作為重要的參考數據，用以新產品的工藝調整，能極大地提高生產效率。

3.3 工藝規劃的初步設計

一開始，先將上述導入的產品數據與生產工藝資源進行有效關聯，然后利用數據庫中的標準工藝模板對新產品進行工藝規劃，根據標準裝配順序操作，對新產品裝配進行初步的順序確定。在此之后，利用CATIA V5軟件打開新產品的各項數據，DELMIA軟件會自動按照預定的裝配順序對裝配過程進行仿真（如圖3所示）。這一操作可以全面檢測完整的仿真過程，深入判斷裝配順序的可行性，并具體分析出其中存在的數據錯誤或干擾項，有利于裝配問題的及時反饋與后期完善。

3.4 初步線平衡調整

在進行自動的線平衡計算以前，需要對整個裝配過程完成限制設定——根據產品裝配過程中的各個邏輯關系，對裝配順序進行相應調節;根據生產設備的具體情況，對裝配工藝工位進行設計規劃;根據產品的實際結構，對工作周期進行合理預估。完成以上操作后，再利用虛擬制造技術進行自動地線平衡計算，并按照實際情況做出自動調整，最后進行模擬驗證，如若仍出現問題，可再次調整。

3.5 詳細工藝設計

詳細工藝設計是利用虛擬制造技術，對汽車裝配過程中的重要步驟進行詳細裝配仿真與人機工程分析，其中裝配仿真包括對裝配順序和裝配設備的仿真，人機工程設計主要是對裝配方法的仿真模擬。

3.6 優化線平衡并輸出工藝文檔

首先，利用MTM法對裝配工藝進行工時分析，獲取較為準確的工時數據信息。此后完成優化線平衡工作，以增強線平衡可行性。利用對應的腳本程序對上述結果實現文檔的自動輸出，能夠有效地減少相關技術人員的工作量，提高整體工作效率。

4 結語

虛擬機制備技術在汽車裝配工藝中的應用，可以有效縮短新型汽車產品的開發周期，并降低開發成本，受到國內外汽車企業的廣泛關注。基于目前發展情況，我國汽車制造企業需要大力推廣新興思想技術，為虛擬制造技術的進一步實現提供堅實基礎。相關企業和研究機構可以在政府部門的協調和安排下，進行多角度、多層次的深度合作，通過雙方法協同工作有效縮短科研周期，強化科技成果的競爭力，以及對科研應用的全面推廣。與此同時，還需要根據汽車制造企業的具體需求來處理實際問題，力爭盡快創造效益，促進研究工作的深入開展，從而形成良性循環過程。

參考文獻

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