汽车制造领域的数字化与可视化技术及其应用

刘冬冬

摘 要：近年来，数字化技术广泛应用于制造业中，其科学、高效、系统化的特性不断简化着生产过程，也提高了生产效率。在竞争越发激烈的汽车制造业，如何提高核心竞争力已成为企业需要考虑的重点问题。制造业对国家经济发展和政治地位至关重要，伴随着德国“工业4.0”和美国“工业互联网”的热潮，制造业备受世界关注，我国制造业也正处于传统产业调整和转型的关键时期，制造自动化和智能化已提到了国家发展战略层面。数字化技术在改善产品 质量、提升产品性能等方面具有显著的优势。实现汽车设计制造中的数字化，不仅需要转变传统理念，转换技术模式，同时要对数字化技术有深入地了解。数字化技术将不仅带动汽车设计与制造行业的改变，也将为人们的生活带来巨大的变化。

关键词：数字化工厂；个性定制；虚拟与现实结合

中图分类号：V262.4 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）18-0021-02

当新的形态开始进入产业领域时，一个全新的挑战已然开始，就是让制造业由机械化、电气化、数字化，转向网络化和智能制造。我们要从“中国制造”走向“中国智造”，而智能制造离不开信息化和信息技术的支撑。

但中国目前的现状是，信息制造业整体规模偏小。中国人均GDP水平和信息化程度显著低于发达国家。美国、日本的人均信息消费支出分别为每年3400美元和2400美元，中国仅为每年190美元。居民互联网、计算机普及率远低美日发达国家。而且国内信息产业一直以电子信息制造业为主导，信息服务业发展严重滞后。

在发达国家，先进的智能制造战略均与信息技术相关联。典型的是美国的先进制造战略和德国的工业4.0。这两个战略核心的内容是CPS，就是物联网。互联网技术、云计算、大数据、宽带网络等一系列技术也可以叫拓展的互联网或是广义的互联网，实现物理设备的信息感知、网络通信、精确控制和远程协作。

數字工厂是以物理工厂为基础，以先进的信息化技术为方法，构建真实工厂的虚拟现实仿真，实现对产品全生命周期的设计、制造、装配、质量控制和检测等各个阶段的功能，对生产进行规划、管理、诊断和优化，从而实现工厂的高效率、低成本、高质量。而高效、快速、柔性，正是数字化企业为制造业带来的最大变化。

1 数字化技术在汽车设计制造中应用概况

1.1 数字化技术的概念

数字化技术利用计算机系统、数据库、多媒体技术等，进行信息获取、信息处理，并与实际生产需求相结合，进行产品外观及结构的设计、性能的模拟以及生产制造，以生产出符合需求的产品。在此过程中，计算机及信息技术发挥了重要的作用。例如，数据库中的交互图形系统，可以实现快速计算和数据分析处理。计算机辅助软件的开发和使用可以实现产品设计的可视化和便捷化。数字化技术能够有效缩短产品开发时间、降低产品开发成本、提高产品质量，在今天产品制造日益精密化、复杂化的环境下，具有十分重要的意义。在企业的数字化体系建设过程中，包含着设计与生产平台的构建，以及评审体系的建立，涉及范围广、部门多，且一定程度上取决于公司运行和管理的结构。因此，实现汽车设计制造中的数字化，需要对企业进行全方面的考量，从而企业提升开发能力和核心竞争力。

1.2 数字化技术应用于汽车设计制造时遵循的原则

针对数字化技术的特点，汽车设计制造应遵循两个原则：科学性和实用性。科学性主要体现在汽车设计方案中，设计者需对汽车制造技术要求、数字化技术要点以及影响制造效果的因素全面了解，使数数字化技术在汽车设计生产中得到最大化利用。除了设计方法的科学化，设计理念和精神、设计手段等都要遵循科学方法，只有将数字化技术贯穿到汽车的实际设计生产中，才能更好的发挥其优势，实现行业新技术的探索和研发。实用性原则建立在汽车的实际生产情况上，由于汽车实际制造车间较科研场所来说比较简陋，生产能力较为落后，因此，一些精度高、难度大的生产任务难以实现。因此，为了使设计方案尽可能满足实际生产能力，数字化技术的容错率应适度提高，并充分考虑影响设计方案的外部因素。此外，企业坚持实用性能够避免不必要的投入，最大限度保证技术可靠性和经济性，提高汽车生产制造水平，提升产品竞争力。

1.3 数字化技术之于汽车设计制造的意义

数字化技术对于汽车设计与制造环节具有十分重要的意义。数字化技术较传统制造技术具有许多优势。首先，数字化技术的分散性和独立性能够将复杂整体分解化、详细化，并转化为数据，方便查找及实用。其次，数字化技术建立在计算机技术的基础上，因此能够进行个几何数据的计算，同时可以对模型进行和修正。例如，力学、声波等信息通过计算、建模的步骤，可以将具体信息直观的反映出来，且易于修改。此外，由于数字化技术大量使用信息系统，因此广泛使用于汽车产品设计等需要数据处理和融合、数据传输以及数据选择的环节。未来信息计算的发展也将带动汽车数字化水平的提高，汽车设计制造过程的现代化将是汽车行业发展的必然趋势。

2 实施数字化之前存在的主要问题

2.1 过程不透明

信息发布手段落后。生产指令基本靠手工发布，浪费了很多时间和资源；关键件装配信息仅凭操作工人的经验，降低了准确率和科学化。

数据采集不及时。靠ERP的HMI完成，操作不方便；没有断线重发功能，数据容易丢失；各车间按照不同的标识管理在制品，生产数据不能实时反映到系统中。

沟通不及时。各车间在制品分开管理，无法全局控制；生产状况靠电话沟通，不够及时，准确；生产过程不可观。

2.2 生产不优化

计划制定不合理。冲压车间受瓶颈资源制约，设备利用率低于70%；总装车间关键件装配切换频繁；经常因为上游供应不足或者下游生产能力不足影响生产。

物料配送繁杂易出错。完全手工生成配送清单，工作量大；信息滞后，导致配送不够及时；物料短缺经常导致停线，平均每天损失15万元以上；关重件无历史纪录，无法追溯。

2.3 信息孤岛

各种系统，操作复杂，种类繁多，无法进行有效数据交换（ERP、离线条码扫描、焊装打码机、总装打码机、VIN码打印机、大洋软件、RFID数据采集系统…）

3 数字化技术在汽车设计制造中的具体应用

3.1 数字化技术在汽车设计中的应用

数字化技术广泛应用于汽车新产品的开发，其中逆向工程技术最为常见。逆向工程技术将多种技术进行结合，常用于产品的快速改造或仿制，是新技术应用的关键。在使用中，根据可用数据信息，制作出自由曲面并对其进行反求设计，和实体设计，从而得到所需模型产品。目前，逆向工程技术广泛应用于激光快速成型中。在汽车设计中，由于设计师常通过油泥模型制作进行构思创作，因此需要对制作好的油泥模型进行信息采集，这时可以采用非接触式三坐标测量技术。该技术主要通过三坐标测量机获汽车模型的三维数据信息。由于其不需要接触，因此能够适用于大多数测量实体，并节省测试时间。在汽车模型的测量中，除了以上部分，还需对数据噪声点进行处理，避免尖角或边沿对数据的影响。此外，数字化技术还常用于汽车覆盖模具尤其是拉伸模型的设计。通过对覆盖模件的三维模型设计，配以部分优化，实现模件的构建。以拉延筋为例，通过构建二维特征曲线得到拉延筋曲面，将其与光滑曲面相连接，从而得到所需模件，可以大大提升设计效率，提高设计方案的准确性。

3.2 数字化技术在汽车制造中的应用

在汽车制造中，数字化技术的优势不仅体现在产品质量上，还体现在企业的生产效率以及生产成本上。数字化技术能够对汽车模型进行数据更改，尤其是复杂的曲面，能够有效简化加工工作，降低成本，同时提高产品精度。企业对数字化系统的建立能够改善企业整体生产状况，提升生产水平，而具体工件和刀具的数字化使用则对产品质量及生产效率有着重要的意义。刀具和工件的科学化是汽车数字化生产技术的关键。将确立好的模型参数输入到计算机系统中，通过刀具对工件毛坯、原材料等进行加工。采用这种方法，可以实现加工过程的科学测量，同时可以检测加工状态，并对紧急状况及时采取措施。除此之外，数字化技术还常见于刀具轨迹的设置中，由于汽车制造道具走向多样，因此针对不同生产要求，应选择合适的刀具轨迹。目前较为常用的为平行切法，采用这种方法不仅可以实现加工质量的最大化，同时操作难度较低，能够缩短生产周期，减小企业成本。实际生产过程中，针对可能出现的球头铣刀运动过大的情况，要及时进行参数处理，同时对基本参数如坐标系进行检查，以保证生产过程的稳定和高效化。

3.3 数字化技术在汽车评审体系中的应用

汽车评审体系的数字化技术主要体现在评审模型构架上。企业的数字化评审体系應包含四个部分，分别是产品造型、零部件开发、总布置、整车分析和制造工程。后两种为评审过程的重点。在此过程中，通过创建数据标准以实现汽车评审的直观性和统一性。定义模数成熟度要求，将不同的生产环节模数成熟度差异化。例如模具制造要求最终的三维模型，而计算机辅助分析等后续工作则对模数要求不高，能够反映相关特征即可。此外，规范数据发布流程，是评审工作的基础。将重要节点的数据冻结，保证下游系统数据使用的可靠性，保证评审工作的顺利进行。

3.4 物流执行优化

（1）冲压件考虑焊装需求拉动和经济批量，降低安全库存。（2）“焊装——涂装——总装”在制车身自动路由技术，减少物流成本。（3）发动机加工/装配协同，减少在制品库存和储运成本。（4）总装车间物料需求实时按需发布，大幅减少物料短缺导致的停线。

3.5 集成已有软硬件平台，消除信息孤岛

（1）自动获取ERP数据。（2）集成焊装、总装之间的三类打码机。（3）集成RFID系统。（4）VIN码生成及打印。（5）取代大洋软件等遗留系统。

3.6 实施数字化之后的效果

（1）冲压在制品库存减低30%。（2）商务车生产节拍从3.5分钟缩短至2.5分钟，轿车生产节拍从96秒缩短至88秒。（3）基本消除了因为物料短缺导致的非正常停线。

4 结语

数字化已成为汽车行业未来的发展趋势。数字化技术已逐渐应用于设计和制造的各个环节。计算机技术、数据库以及软件等的革新推动着汽车生产与制造业现代化进程的发展。高质量、高效率的数字化生产逐渐取代原有的生产模式，产品设计和研发研发体系也得到了有效的提升。我国的汽车制造数字化水平还有很大的发展空间，未来将有更多的先进技术投入到实际设计与生产中，将推动汽车行业实现更大的进步。

参考文献

[1]王书林.数字化技术在汽车制造中的应用[J].工业设计，2016，（4）：168-169.