虚拟制造技术在汽车装配工艺中的应用

尧永春

摘 要：随着我国的经济水平的快速提升与科学技术的创新发展，大量的新兴科技被应用于现代化生产加工过程当中，其中虚拟制造技术作为一项由多门学科先进知识成果所形成的综合系统全新技术，在制造行业具有广泛应用。将虚拟制造技术应用于汽车装配工艺中，不但能模拟产品制造和装配工艺过程，还能有效处理汽车装配过程中产生的技术性问题，对于有效提高汽车生产质量和生产效率而言具有重要意义。

关键词：汽车装配工艺;虚拟制造技术;实践应用

中图分类号：U466  文献标识码：B  文章编号：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

汽车作为现代最普遍的交通运输工具，其工业生产过程历经上百年的发展，现如今逐渐步入增长平稳的成熟时期。汽车行业产业链完备、关联产业丰富，并且能有效促进国民经济的提升，是世界各国经济基础的重要组成。二十一世纪的到来伴随着人民经济水平与生活质量的提高，这使得我国对于对汽车的需求也越来越高，有效促进了汽车生产行业与销售市场的发展，使其成为支撑和提高我国经济稳步增长的主导产业之一。从2010-2016年我国汽车产量变化情况来看（如图1所示），受到全球经济形势变化的影响，汽车产量增长率有所波动，但由于基数较高，每年新增产量也具有一定规模。然而在产品质量和技术含量等方面，我国汽车生产实际情况与汽车行业发达的国家仍存在差距。

汽车装配行业作为汽车工业发展的基础领域，也是国家长期重点支持的发展产业，其零部件制备过程、生产加工以及装配环节都会对汽车生产市场和设备维修市场的发展造成重大影响。根据2010-2016年我国汽车零部件制造规模变化情况分析（如图2所示），我国零部件制造规模虽在持续增大，但增长速率不太稳定。近年来，随着汽车工业的不断发展，全球竞争也在不断增大，汽车生产行业及零部件制造业的行业内部竞争日益激烈，给传统制造行业造成了严峻的考验。因此，为了适应市场飞快的变化发展，满足汽车生产行业与消费者的高品质、多功能要求，汽车装配行业对零部件的精度、可靠性、技术含量和节能环保等各项性能的技术标准把控愈加严格，零部件制造企业需要创新材料开发与制备技术，在装配环节对产品设计、模具设计与实施流程都提出更高的标准，才能满足生产发展对产品质量的追求。在汽车装配工艺中引入虚拟制造技术，可以对装配产品流程与实际效果进行模拟，以便检测问题并及时解决，提高产品质量，为汽车装配行业及汽车制造业带来了全新的发展方向。

1 虚拟制造技术

虚拟制造技术（简称VMT）是以计算机仿真技术为理论核心，通过计算机建模技术对产品设计及零件制造等各项生产过程统一建模，模拟全套生产加工过程，从而预估产品的实际使用情况、技术性能，检测技术问题，优化工艺生产路线。在设计初始阶段，首先利用计算机模拟出制造过程中各项参数的变化趋势，并分析其对产品设计产生的影响，再预测产品制造成本和各项性能，有利于更加经济、有效地组织生产加工步骤，使资源得以合理配置，最终达到产品制造成本与生产周期最小化，設计品质最优化，生产效率最高化。

计算机仿真技术对零部件的制造过程、加工方法、加工工序、工装过程、工艺参数的选用、加工工艺和装配工艺性等操作步骤均可进行建模仿真。尤其是在装配工艺中，操作者可通过虚拟环境对虚拟零件观察、操作，进一步分析、评价产品的可装配性问题，操作技术问题及工程学问题。因而将虚拟制造技术应用于汽车装配工艺，有利于研究、处理复杂的产品装配问题，同时能提前发现加工缺陷与装配过程中的问题，及时探寻处理方法，优化加工过程，提高生产效率。

2 虚拟制造技术国内外应用情况

虚拟制造技术在工业生产中具有宽阔的应用前景，促使以美国为首的工业发达国家对其展开了深入地分析研究，甚至还成立虚拟制造研究机构，完善虚拟制造技术体系并将其投入实际生产应用。例如美国密歇根大学成立的虚拟现实实验室，主要研究虚拟环境的工业应用，以虚拟原型构筑为核心，重点针对海洋和汽车工业应用、制造过程的仿真技术应用开展研究工作;美国著名汽车公司福特、克莱斯勒与IBM（国际商业机器制造公司）为新型汽车的研制，合作开发了虚拟环境制造技术，该项技术能在生产样车前检测出设计缺陷，有效缩短新型汽车的研制周期;德国著名汽车公司宝马集团设计了一款虚拟装配系统用于车门的装配设计，使其能够通过语音识别完成指定操作，并在发生碰撞事故时进行报警。

近年来，随着我国科技水平的不断提升，虚拟制造技术开始受到各方科技研究人员的广泛关注，全国部分企业、高校和科学研究所都开展了关于虚拟制造技术方面的研究，国家自然科学基金也设立了专门的研究探索课题。相较发达国家而言，我国对于虚拟制造技术的研究工作还处于初步理论研究阶段，其中虚拟装配设计技术正是我国主要的研究方向之一。

3 虚拟制造技术在汽车装配工艺中的应用

虚拟制造技术在汽车装配工艺中的应用涉及了计算机仿真技术、CAD技术、数据管理和装配过程研究等多项技术的结合，它改变了汽车设计制造和生产加工的传统方式，在装配工艺设计初期就能观察零部件的制造和装配情况，通过在虚拟环境中对虚拟样车进行装配、检测，优化了汽车生产加工过程的精确度和可操性，避免样车生产的资源浪费，尽力达到最优设計。本文从以下几方面对虚拟制造技术在汽车装配工艺中的应用展开具体阐述。

3.1 建立数据库

利用虚拟技术软件中的PTS（设备类型集），将汽车装配工艺中的各项信息分为产品、资源和工艺三类。产品是指汽车装配中所有零部件的相关信息，一般包括标准件、装配件、车身数据等，以及各部件之间所存在的内部联系;资源是指为生产加工过程提供的全套操作设备和技术人员，一般包括车间、工厂、工位等，同时还有他们之间存在的内部逻辑关系;工艺是指关于零部件安装方法、工艺过程、问题反馈等内容的具体描述。在汽车装配工艺中建立数据库，就是对以上三类信息进行定义，并充分按照不同企业的实际要求与流程规范，制定出相应的结构。

产品结构定义是根据企业当前数据标准中包含的产品数据模板和结构，制定出符合企业产品属性的操作界面。工艺元素定义主要针对企业实际工艺流程的结构树与操作界面并包括部分特定的对象。资源结构定义是根据企业的现有资源，全面定义资源结构和资源数。在汽车装配工艺中，可以建立13个不同类型的资源数据库，将各个设备的3D模型导入数据库里，以便于后期装配工艺规划的进行。

3.2 数据的导入

利用虚拟制造技术导入基础数据，主要从产品数据和工艺数据两方面进行。产品数据导入是将Teamcenter软件中的产品数据信息传送到CATIA V5中，通过对应的接口程序把以上数据信息传送到后台数据库的文件中，再利用部分脚本程序将其传到BOM表，最终完成产品数据属性的定义。工艺数据导入主要是利用脚本程序，将各项工艺数据和相关标准自动导入，再通过导入的数据信息构建出企业标准工艺模板。在设计新产品时，标准模板可作为重要的参考数据，用以新产品的工艺调整，能极大地提高生产效率。

3.3 工艺规划的初步设计

一开始，先将上述导入的产品数据与生产工艺资源进行有效关联，然后利用数据库中的标准工艺模板对新产品进行工艺规划，根据标准装配顺序操作，对新产品装配进行初步的顺序确定。在此之后，利用CATIA V5软件打开新产品的各项数据，DELMIA软件会自动按照预定的装配顺序对装配过程进行仿真（如图3所示）。这一操作可以全面检测完整的仿真过程，深入判断装配顺序的可行性，并具体分析出其中存在的数据错误或干扰项，有利于装配问题的及时反馈与后期完善。

3.4 初步线平衡调整

在进行自动的线平衡计算以前，需要对整个装配过程完成限制设定——根据产品装配过程中的各个逻辑关系，对装配顺序进行相应调节;根据生产设备的具体情况，对装配工艺工位进行设计规划;根据产品的实际结构，对工作周期进行合理预估。完成以上操作后，再利用虚拟制造技术进行自动地线平衡计算，并按照实际情况做出自动调整，最后进行模拟验证，如若仍出现问题，可再次调整。

3.5 详细工艺设计

详细工艺设计是利用虚拟制造技术，对汽车装配过程中的重要步骤进行详细装配仿真与人机工程分析，其中装配仿真包括对装配顺序和装配设备的仿真，人机工程设计主要是对装配方法的仿真模拟。

3.6 优化线平衡并输出工艺文档

首先，利用MTM法对装配工艺进行工时分析，获取较为准确的工时数据信息。此后完成优化线平衡工作，以增强线平衡可行性。利用对应的脚本程序对上述结果实现文档的自动输出，能够有效地减少相关技术人员的工作量，提高整体工作效率。

4 结语

虚拟机制备技术在汽车装配工艺中的应用，可以有效缩短新型汽车产品的开发周期，并降低开发成本，受到国内外汽车企业的广泛关注。基于目前发展情况，我国汽车制造企业需要大力推广新兴思想技术，为虚拟制造技术的进一步实现提供坚实基础。相关企业和研究机构可以在政府部门的协调和安排下，进行多角度、多层次的深度合作，通过双方法协同工作有效缩短科研周期，强化科技成果的竞争力，以及对科研应用的全面推广。与此同时，还需要根据汽车制造企业的具体需求来处理实际问题，力争尽快创造效益，促进研究工作的深入开展，从而形成良性循环过程。

参考文献

[1] 严舰.虚拟制造技术在汽车装配工艺中的应用研究[J].电脑编程技巧与维护，2013（20）.

[2] 刘继红.虚拟制造技术概述[J].智能制造，1999（12）.

[3] 张毅.虚拟制造技术在汽车装配工艺中的应用研究[J].上海汽车， 2012（10）.

[4] 吴维江.虚拟装配中DELMIA/Ergonomics的应用研究[J].科技资讯，2008（19）.