白车身装备数字化虚拟制造技术的发展与实施 - 文章

白车身装备数字化虚拟制造技术的发展与实施

作者：一汽模具制造有限公司李悦付昕亮来源：《中国机械与金属》

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长期以来，我国汽车车身工艺装备制造一直依靠人的经验和机械制图来完成。自从20世纪80年代起发展计算机辅助设计/制造（CAD/CAM）技术以来，这项技术已获得广泛认可，并以飞快的发展速度在实际生产中体现出巨大优越性。90年代开始发展的计算机辅助工程分析（CAE）技术，现在也已在汽车模具成形性分析领域中得以广泛应用。

自从计算机（数字化）技术与传统的车身工艺装备制造业的结合，短短的二十几年时间，中国汽车车身工艺装备制造业得到了快速发展。随着各企业对计算技术的重视和加大投入，我国车身装备制造业的计算机平均拥有量、宽带接入、网络建设、数据库（特别是产品/技术数据库）建设、各种业务应用系统的建设已经高于其他行业的平均发展水平。国内一些大型的车身装备制造企业，其软/硬件的先进程度已经十分接近，甚至超过国际先进水平。

但量大并不代表强大，软/硬件先进并不能说明技术先进。纵观我国发展程度较好的车身装备制造企业的数字化技术应用现状，不难发现，成形性分析、工装产品结构的三维实体设计、三维数控编程——这三方面内容占到数字化应用的90%以上，焊装工艺规划、检测、调试尚停留在传统生产方式上。技术不平衡造成工序之间的衔接不顺畅，数字化技术、仿真技术难以发挥整体作用，这成为我国车身装备数字化虚拟制造进一步发展的瓶颈。

虚拟制造是利用信息技术、仿真技术、计算机技术等对现实制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题，在产品实际生产前就采取预防措施，从而确保产品能够一次性制造成功。在虚拟制造中，产品从初始外形设计、生产过程的建模、仿真加工、模型装配到检验整个的生产周期都是在计算机上进行模拟和仿真的，不需要实际生产出产品来检验设计的合理性。这样一来，可以减少前期设计给后期加工制造带来的麻烦，更能避免报废情况的出现，进而达成提高产品开发的一次成品率、缩短产品开发周期、降低企业制造成本的目的。

国内白车身装备数字化虚拟制造的发展

我国汽车装备产业要实现真正的虚拟制造还需要一个深入应用与创新的过程。

1.现有CAE/CAD/CAM技术的应用需要进一步深入

目前模具的冲压工艺分析（CAE）在前、后处理方面没有形成一个统一的、标准的规范，对软件的使用可以说是因人而异、因公司而异，因此对分析结果的评价也必然存在一定的差异。另外，工作职责不够细化，难以培养出CAE分析的专家人才。DL设计人员进行产品的工艺性评审，工艺方案的预测，工艺方案的制定，工艺方案的可行性分析等工作，CAE的应用始终是处于一种泛泛的基础应用的状态。而目前的CAE主要应用于拉延成形类的可行性分析，对于后序的修边线优化、翻边成形的可行性，以及回弹扭曲的预测及补偿分析工作亦鲜有开展。也即，完善标准化、专业化，向后工序拓展应用，是需要进一步深入的内容。

结构设计（CAD）方面除了还需要进一步完善、推广现有的实体设计规范外，也需不断扩充实体资源库，这包括模具压床库、标准件库、典型结构库、厂房资源库等内容。而且，知识工程技术是提高设计效率和质量的有利工具，企业应该积极地将设计经验转化成可被重复利用的数学模型，从而发挥其指导设计、规范设计之功效。

在CAM方面国内的发展非常接近国外，在数控设备、编程能力方面并不处于劣势，只是在加工用数据上的差距就很大。模面的加工数模与产品数模可能有较大的差异，加工用模面的制作需要积累大量的实践经验并遵循相应准则，这种准则的编制需要对产品的匹配关系及整车的焊装具有相当程度的了解，甚至需要对白车身设计有足够的把握。这种精细化模面的制作，我们还需要长期的总结和积累。

另外，国外有采用实体数据直接编程的做法，这种做法的编程效率较高、效果也好，但因其对于产品数据质量的要求较高，还要求产品版本必须相对稳定，否则数据修改工作量会很大，而且难以维护。所有这些，都对国内的主机厂提出了较高要求。

2. 建立完善的仿真模拟体系

利用现有数字平台基础建立完善的仿真模拟体系，发挥出数字技术的优势，能在设计阶段发现制造中可能出现的问题，在实际生产前就采取预防措施，提高一次调试成功率。

（1）模具仿真模拟

·实现模具、级进模具、大型模具冲压线、压合模具及复杂模具的运动仿真分析。当前，车身模具的结构越来越趋向于复杂、紧凑，依靠以往那种在三维环境中采用人眼视觉判断、截面观察等设计验证手段，难以检验出运动中的问题。在分析机械搬运是否顺畅无干涉、人工搬运是否安全、便捷等方面，则更加有必要进行仿真模拟。另外，为提高运动仿真效率，应该建立典型机构的运动场景：比如搬运机构、压床运动机构、斜楔典型运动。

·实现数控加工仿真模拟，有效防止加工刀具的碰撞问题，优化切削轨迹，提高加工效率。

·应用白光扫描设备采集数控加工后模面数据，在计算机内虚拟合模，提前发现并处理调试中可能产生的问题，提高实际模具研修效率。还可以将钳工调试后模面数据与CAE的模拟结果相对比分析，积累冲压工艺设计经验。

（2）焊接工装仿真模拟

·实现焊装线整体工艺规划模拟。利用预先定义好的焊装工艺规划模板，导入产品树图后，进行实际的焊装工艺规划，规划过程中要同时将各种焊接资源如焊装厂房结构、工艺节拍、工装夹具布局、工艺物流、焊接设备等因素统一考虑，在计算机内形成“真实的”焊装工艺流程。并对焊装生产线的生产能力进行平衡分析，对产品的工艺分配、焊点分配、工位数量、人员分配、工装自动化程度等内容进行不断的优化。

·实现焊接产品在工位的装配顺序仿真（包括产品上件与卸件过程）、各个工位资源间相互匹配仿真、焊装线及夹具工位的时序分析及仿真验证、焊钳的仿真验证。

·实现人机工程仿真、机器人焊接装配过程仿真、机构运动仿真、三维工厂的建立。

实现上述内容具有相当的难度，需要专业型人才。大型冲压线、焊装厂房的数据量非常庞大，现有计算机硬件水平有时难以满足大量复杂运动的同时模拟，需要研究数据轻量化设计手段、以及分步模拟仿真。另外，由于这部分功能涉及到车身装备设计、制造的全过程，各业务阶段的软件平台并不统一，如何保证上下工序的数据、信息完整的传递与继承，往往需要进行详细规划和软件二次开发工作。

3.探索应用国际尖端的仿真模拟技术，实现对设计的精确控制和优化

VR（虚拟现实）是人们通过计算机对复杂数据进行可视化操作与交互的一种全新方式，通过大型三维立体投影设备再现计算机三维数据空间。与传统的人机界面以及流行的视窗操作相比，虚拟现实在技术思想上有了质的飞跃。虚拟现实具有多感知性（Multi-Sensory）、浸没感（Immersion）、交互性（Interactivity）、构想性（Imagination）等特点。使操作者能够真正进入一个由计算机生成的交互式三维虚拟环境中，与之产生互动，进行交流。

利用三维仿真软件和PC工作站可实现桌面虚拟效果。操作者可坐在电脑监视器前观察360度范围的虚拟境界，并使用鼠标、轨迹球等控制端改变观察视角。然而，操作者和其他参与者不是完全投入在虚拟场景中。要形成这种“真实”的投入感，就必须采用投入型虚拟设备。

利用该技术对模具冲压线、典型模具、数控加工过程、虚拟合模过程、大型焊装线规划、详细工艺内容、机器人动作、厂房建设等内容进行虚拟仿真，发挥投入型虚拟现实系统的特点：

浸没感（临场感）：指用户感到作为主角存在于模拟环境中的真实程度。理想的模拟环境应该使用户难以分辨真假，令用户全身心投入到计算机创建的三维虚拟环境中。

交互性：指用户对模拟环境内物体的可操作程度和从环境得到反馈的自然程度（包括实时性）。

构想性：强调虚拟现实技术应具有广阔的可想象空间，可拓宽人类认知范围，不仅可再现真实存在的环境，也能够随意构想客观不存在的甚至是不可能发生的环境。

通过这样的投入式虚拟现实技术，所实现的不再是简单的运动仿真、干涉检查等三维观察的基本功能，而是要创造出身临其境的感觉，启发设计者的创造性思维，为多人技术讨论、技术规划和审定提供广阔的空间环境和逼真的现场感。

冲压线运动分析

新技术的引进与应用经验

虚拟制造技术对于不少企业来说是一项全新的技术，它的应用仍然是企业需要面对的课题。企业作为一个直接面向巿场的实体，是最注重实效的，任何技术的研发与引进最终也必须要落实到生产实际中才有意义。

将一项技术应用好决非易事。首先要研究新技术的可行性以及其与现有技术方案的切入点，然后组织技术骨干搭建运行环境，进行方案测试，再打通上下相关环节保证新技术引进后能够顺畅运转，最后组织技术培训，形成作业规范。可以说，需要进行大量的探索与实施性工作，才能将新的技术手段纳入企业的正常业务流程。而且，往往还会由于某个环节的疏忽，使得新技术在推向应用后不但没能带来效率和质量的提升，反而扰乱了正常的生产秩序。

另外，新技术引进会带来业务内容的相应调整，部分工序的工作量会有所增加，在人力资源匹配以及解决与现有习惯的冲突等问题方面，解决不好会波及新技术的应用效果。

所谓创新就是创造性的破坏，就是要把自己原有的成功与平衡破坏掉，把自己原来成功的经验否定掉，不断地战胜自我、否定自我。这样做的企业将会在竞争中取胜！

刚开始用三维设计的时候，谁也没觉得它有多好，或许还觉得有点麻烦或没必要，但是现在技术成熟了，大家心里很明白，我们这是上了一个层次。这个过程势必会增加一些新的工作，也势必会减少一些工作，最重要的是能够完成此前做不到的事情，实现以往无法实现而又极为重要的工作。

无疑，一项新技术的成功应用需要主管领导的足够重视，以保证应用方向正确、获得顺利的推广和衔接。更需要坚持从实际出发，分步实施，稳步推进。最终，新的技术应用要落实到作业规范并融入业务流程，让全体员工明白为什么要应用这项新技术，每位员工的工作为其他人提供了哪些方便，他实施的操作会影响到哪些内容的更新等。让全员深入理解深入这种持续创新的意识，并将其打造成一种企业文化。

结语

应该看到，国内汽车装备制造企业的数字化虚拟制造还有很大的发展空间，纵向深入现有的CAE/CAD/CAM应用，并以此为依托横向拓展数字仿真体系，从而将单点的应用扩展到车身装备产品的方案规划、设计、制造、调试等过程，形成较完整的数字化制造体系。而VR（虚拟现实）技术的引进，能让我们紧跟世界先进的发展潮流。但更为重要的是，要把这些技术用好，让它们在企业中发挥作用，真正成为企业的一部分，实实在在地将我们企业的综合实力提升上去。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (1/21/2008)


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