浅谈虚拟制造技术与汽车制造工艺的发展

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２００３年１０月（ＳＡＥ－Ｃ２００３Ｍ１３１） ^{汽车工程（}^增刊）

浅谈虚拟制造技术与汽车制造工艺的发展

　　　　尹洋

第一汽车集团公司

摘要１本文简要介绍了虚拟制造技术的概念及其在汽车制造中的应用，给出了采用虚拟制造技术时的一些建

议。

关键词：虚拟汽车制造工艺

Ａ　Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｖｉｒｔｕａｌ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

　　　　　　

ｉｎ　ｔｈｅ　Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　Ｐｒｏｃｅｓｓ

Ｙｉｎ　Ｙａｎｇ

Ｆｉｒｓｔ　Ａｕｔｏ　Ｗｏｒｋｓ

［Ａｂｓｔｒａｃｔ）　Ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ，　ｉｔ　ｊｕｓｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ　ｔｈｅ　ｃｏｎｃｅｐｔ　ｏｆ　ｖｉｒｔｕａｌ　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｗｉｄｅｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ．　　Ｉｔ　ａｌｓｏ　ｐｏｉｎｔｅｄ　ｏｕｔ　ｓｏｍｅ　ｓｕｇｇｅｓｔｉｏｎ　ｗｈｅｎ　ｉｔ　ｗａｓ　ｂｅ　ｕｓｅｄ．

Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｖｉｒｔｕａｌ　　　　ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ　　　　ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ

１虚拟制造技术的概念

虚拟制造技术是对新产品及其制造系统进行开发的一种哲理和方法论。其本质就是以新产品及其制造

系统的全局最优化为目标，以计算机支持的仿真技术为前提，对设计、制造等生产过程进行统一建模，在

产品设计阶段，实时地、并行地模拟出产品未来制造全过程及其对产品设计的影响，预测产品性能、产品制造成本、产品工艺性等，从而更有效地、更灵活地组织制造生产，使工厂和车间的资源得到合理配置。

资源重组使得生产布局更合理、更有效，以达到产品的开发周期和成本最小化、产品设计质量最优化，生

产效率的最高化的目的。

２虚拟制造技术产生背景及出现的必然趋势

工业革命以来，追求制造业的最高利润一直成为企业的主题。随着市场分工的逐渐细化，顾客多样性需求的不断变化，以及制造商之间竞争的不断加剧，更加迫切地要求制造商能够快速、准确地生产出市场急需的产品，同时要降低大规模投入的风险，降低成本。所以企业为追求最大利润、降低投资风险及提高市场的快速反应能力为虚拟技术的发展壮大提供了广阔的空间。

另外，计算机技术的飞速发展为这一要求插上了强劲翅膀。２Ｄ和３Ｄ的计算机辅助设计技术，特别是计算机快速建模技术和网络技术突飞猛进的发展，为计算机仿真和协同作业奠定了牢固的基础。所以，近

十年以来，世界知名的制造商纷纷采用了虚拟制造技术，并取得了可人的成果。

虚拟制造技术的特点主要表现在以下几个方面：

　　　　

（１）可以解决大型制造系统在正式建立与运行前，评估其可能的效益及存在的风险。

　　　　

（２）在无法大量投入前，对新产品的开发价值进行评估其可能的效益及存在的风险。

　　　　

（３）把握产品制造过程中的各阶段情况，有效协调设计、制造的关系，实现企业全局的最大利益。

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（４）实现信息集成、技术集成、资源集成、智能集成、串并行工作机制集成、人机集成，从而实现高

度协同，达到全局的最优化的目的。

３虚拟制造技术的优点

３．１工艺规划设计环境可视化　　　　

由于虚拟制造技术是基于ＣＡＤ技术的发展而出现的，最大特点在于以模型为基础，尤其以三维模型为基础。这样就大大方便了产品设计、过程设计人员，使产品的细节都可以直观、快捷地反映在设计场景中，而且可以方便地获得产品部件的结构和关系，快速地分析出产品功能及其工艺性，节约了大量制图和理解设计的时间。

另外，在此环境中还可以进行工艺过程的干涉分析、装配分析、物流分析、动态断面分析、运动学特性等分析，为产品的工艺规划，提供了良好的视觉环境和运算环境，是工艺规划人员的高效工具及工艺规划相关人员的工作平台。

３．２计算程序化

借助于强大的计算机技术，提供了强大的统计功能，所需规划数据可以通过模块的形式与整个平台进行集成，极大地提高了工艺数据统计的效率，并且便于工艺信息的集中管理。

３．３知识扩大化　　　　

由于计算机的高度存储功能和快速读取输出功能，通过对现有资源的建模，可以很好地将先进的知识进行保存、传承，使得企业对专家的依赖性减弱，整个系统的抗老化能力增强。同时可以不断增加新的知

识，不随个别人员的调离而使整个系统受到冲击。只能因为人员的流动而使资源库的内容丰富，因为它是一个开放性的系统。

３．４时间最小化、风险最小化、效益最大化　　　　

由于虚拟制造技术提供了一个良好的虚拟环境，可以完全不以传统的串行工作方式工作，而是并行地提前进行产品结构、性能构成分析及工艺分析，并可以进行模拟现实场景进行预先运行，发现存在的问题和风险，使风险可视化，并提前制订应对措施。这样大大节约了由于出错造成的返工时间和投资损失，从而缩短了产品投入市场的时间。

３．５协作平台化

由于虚拟技术嵌入了网络技术模块，所以它也为人们提供了一个很好的交互平台。在这里，复杂的交互工作得到了很好的协调，一些先进的管理思想得到了彻头彻尾的贯彻。所以这也是一个协调工作人员行

为的有效工具。

３．６知识和信息高度集成化　　　　

虚拟制造技术是综合运用了计算机技术、信息处理技术、决策技术、仿真技术、并行工程、产品开发

技术、制造技术、ＣＡＤ／ＣＡＥ／ＣＡＰＰ／ＣＡＭ／ＰＤＭ／ＥＲＰ等技术的结果，并为这些技术提供了应用环境，同时

还集制造信息、测试信息、供应商信息、市场信息于其中。虚拟技术平台可以方便地将ＰＤＭ与企业的ＥＲＰ联系起来，使产品数据与企业其它资源得到良好协调，达到一种全局最优的结果。

４传统工艺规划面临的困难和挑战

汽车总成产品制件多，个性化需求的日益增长，使得产品品种增多，品种变化大，新产品开发和投放市场的时间愈来愈短，这就更给汽车产品的工艺规划提出了很大难题。

传统工艺规划采用串行方法。只有在产品设计完成之后，将产品图传到工艺规划部门进行工艺方案设计，很多问题只有在制造、调试过程中才能发现并予以补救，这样会造成大量的人财物及时间、机会的浪费。传统工艺规划方法越来越不适应汽车产品制造的发展需要，主要表现在以下各方面：

４．１　　２Ｄ局限性

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传统的工艺规划的产品数据主要是二维图纸，这样存在很多问题。

　　　　

（１）　２Ｄ为平面视图，空间关系及结构很难在有限的图面上表达清楚，而且设计时很容易丢失信息。特

别是在制造模型时，必须到主模型上逐点量取数据，这样会造成时间的浪费，而且形成的系统误差很大，

数据传递容易失真。

　　　　

（２）在２Ｄ环境中，很难分析产品结构及工艺性，如断面的选取及搭接关系的分析，在２Ｄ环境下几乎

不可能完成断面的全过程扫描、分析。分析产品结构及工艺性需要花费数周的时间。

　　　　

（３）在２Ｄ环境下几乎很难实现同步工程，即使可以实现，也要花费大量的打印、传递等过程，这样

要花费不少费用和时间；在工艺规划部门发现问题反馈速度很慢，不能及时与产品部门沟通，更改设计，

造成时间及金钱上的浪费。

　　　　

（４）汽车制品的工艺繁杂，工装夹具、焊接辅具、制件、运输设备、吊挂装置等的空间结构及位置都

很复杂，且人的２Ｄ视觉分析能力及头脑的立体视觉想象能力是有限的，仅凭二维图纸很难表达完全，而且在设计时也很难完全理解清楚，所以不出错几乎是不可能的。这就比如开车的司机，如果汽车在设计上就存在盲区，那么不出事故几乎就是不可能的。

４．２串行工作方式造成时间的浪费

传统的工作方式多为串行的，产品部门先出图，然后工艺规划部门按图研究产品结构及工艺性，再后

制定工艺和订购设备、工装等。一般来说一个较大工程，如发动机项目，也许需要１．５年以上，如果遇到较大返工，还需要更多的时间。

４．３传统的方法很难准确地定量评估方案的可行性　　　　

传统的工艺方案评估办法一般以专家联席会议或会签评审制度为手段，也就是所谓的头脑风暴法。这样所有的判断全部掌握在专家手中，完全要依赖于他们判断的准确性，同时专家很难在很短的时间内对项目过程有清晰的了解。所以这也是一种定性的分析，而不是基于定量的分析，风险性很大。这对于投资日益壮大的汽车生产企业来说，不能不说是一种潜在的威胁。

４．４传统方法不能很好地解决干涉问题　　　　

随着自动化技术的广泛应用，变型车的种类日益激增，所有这些都导致汽车产品制造装备的复杂，如一个工位６个机器人的协同作业，多品种柔性焊夹及多品种产品的焊接辅具适应性，这样在传统的方式下，

几乎可以说耗尽规划人员脑汁也很难保证不出现干涉的问题。在这种情况下，技术人员一般都采用增大余量的方法，同时却导致空间浪费，使投资增大。

４．５制造特性定义不充分

以白车身为例，焊点是关键的制造特性，它直接关系到焊接强度，与焊点关联的就是设备的选择及焊接参数的确定。但是传统的办法对于２０００＾３０００个焊点，仅给出部分属性，如点径、点距、焊点数量等，

而对于焊接自动化极为重要的焊点坐标、法向距离、相关制件等就很少有相关信息或者说表达得不充分，

这无疑对采用先进技术是个障碍。对于机械加工，加工部位、形位公差、加工余量等制造特性，在规划过程中更难以表达充分。

４．６物流分析不能定量化

传统的物流分析主要是基于物流方向的分析，以及基本存储量的经验估算，一般以最小路径、最少交叉、最小存储量为原则。但对于精确的数据分析来讲，这就有些不足了，特别是对于小批量多品种适应市场的精益生产方式来讲，物流分析就更为复杂。一般来讲，企业都是以加大存储量及存储面积为代价来弥补这一不足，其缺点是加大了在制品流动资金的占用及生产面积的占用，并且给生产组织埋下了潜在的麻

烦和隐患。这是许多工艺规划很少考虑或考虑不充分的部分，也是传统办法无法充分规划的部分。

５工艺规划的成本控制困难

由于传统的工艺规划信息是分散的，一般以手工计算为主，这样如果遇到技术改造、增加变型产品及多方案的优化比较，成本计算重复工作量很大，这无疑给成本计算带来困难。如在布局、加工部位等因素

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变化时，与之相关的设备、工装等的属性，包括价格、厂家等要素也要产生相应的变化，那么整个方案的成本情况就要变化，这样改动起来工作量很大。方案的成本控制很难与方案本身进行同步变化，达到一种

即时平衡、控制成本的目的。

５．１平面布局的局限性　　　　

平面布局仅可以表达平面上资源的投影位置关系，这对于纷繁复杂的汽车制造工艺布局来讲是远远不够的。因为在二维图中，很难表达清楚夹具与工件、工件与焊辅、焊辅与夹具等的相互空间关系，另外还有复杂的公用设施布点，所有这些都要求有一个强大的３Ｄ浏览和分析环境，以便处理资源间的复杂关系，

使空间得以充分利用。另外，传统的布局方法很难实现布局的对象与其属性的关联，如电焊机，仅为一个图标，背后没有用电量、冷却水量、电压、厂家、价格等信息为支持，这样给统计带来很大麻烦，浪费了

好多时间，

５．２协同作业很难

传统沟通方式多为会议、会签、电话、便函等形式，这样的方式效率低，很难完全表达清楚，使得一些信息丢失，效率低下，很难在很短时间内做出正确快速反应。

５．３数据与模型管理难度大

传统的数据形式为图样，而且在更改数据后，其管理手段多为人工控制，很难做到版本完全统一，这

样会给产品造成极大的不良影响。

５．４技术传承性很差　　　　

以往的技术传承多为以文本资料形式储存在资料室中，另外一些知识存储在经验丰富人员的头脑中或个人的小笔记本中。随着人员的更迭，一部分知识就无形地被带走了，从而出现青黄不接的局面。

６虚拟制造技术可为工艺规划解决哪些方面的问题

６．１可提供３Ｄ可视环境

　　　　

（１）在３Ｄ立体视窗中，产品可以较完整得到表现，而且由于数模的应用，这样以产品模型反求模具

和夹具，工作起来非常方便，特别是曲面，制造效率更高，数据传递精度也很高。

　　　　

（２）在３Ｄ环境中，分析产品结构及工艺性非常方便、快捷，如断面的选取及搭接关系的分析，在３Ｄ

环境下几乎可以按要求进行全过程扫描，分析产品结构及工艺性的时间大大缩短，如本次换代车驾驶室产品数据，只用了４天时间。

　　　　

（３）在３Ｄ环境中，由于设备、人员、工装是模型化的，而且其立体效果是即时可见的，杜绝了２Ｄ环

境的视觉局限及表达不完全的缺点，特别是对于形状复杂的图形，其优越性尤为突出。

６．２可提供一个并行的工作平台

在３Ｄ环境下很容易实现同步工程，由于是在计算机平台中实现的，所以通讯迅速，沟通方便及时，

可以跨越传统的空间和时间，节约了大量的时间和费用。另外在工艺规划部门发现问题后可以通过该平台进行快速反馈，及时消除隐患，避免了时间和金钱的浪费。

在这一环境中，只要有产品设计的初步数据就可以进行工艺的初步规划、进行初步布局、建立物流模型及其它工作的初步过程。随着产品设计的进一步进行，也可以同步进行工艺的修改设计，并且随时反馈产品设计中的问题。在这次的换代车驾驶室工艺规划过程中，工作小组发现了顶盖后加强板与侧顶盖的联接部位工艺性不好，并及时向设计者反馈。设计者确认后，与联合设计的意大利工程师联系，及时采取了改进措施。所有这些，也只用了一天半的时间。同时也可以进行设备、工装的初步定货，到产品正式确认之后，设备、工装的精确订货再按精确技术要求进行改进，这样就会大大缩短整个产品的开发周期及投产周期。无疑给企业增强了极大的竞争力。

６．３可提供科学的工艺规划方案评估办法

在这样的平台下有以下方法来评估方案的可行性、优化程度。

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（１）物流仿真：通过对对象的运算来处理事件的一项技术，可以很好地处理离散事件。这一手段可以很方便地处理白车身的复杂物流，进行瓶颈分析，优化工艺方案，使生产线各工位生产能力达到均衡，并且使得工艺分析有数据为依据，科学性更强。

（２）人机工程仿真：可以分析操作者的劳动强度、疲劳强度及工时分配情况，并进行优化。

（３）运动仿真：判断设备、工装等是否干涉并进行优化。在生产设备资源中，夹具、工件、焊钳、运输设备之间的关系很复杂，特别是机器人的运动更为复杂。而机器人的大量应用，就更需要事先仿真。

６．４可提供较为先进的工艺制造特性管理模块

以这次工作的白车身为例，可以将焊点的点径、点距、数量、焊点坐标、法向、相关制件、焊点名称、

板料厚度、材料等焊点属性进行管理。并且在工艺规划时，检查焊点完成情况。遗漏的焊点都可以显示出来，得到自动提示。哪些焊点与哪个设备焊接都可以很好地关联。所以这为工艺规划人员解决了一个老大

难问题。

６．５可提供工程成本运算模块　　　　

只要将各相关资源的成本要素输入数据库，该模块会自动形成表格并输出成本报表，实现与方案的即时性，便于成本控制，同时可以进行工时分析，提高工时利用率。

６．６可提供协同作业平台

由于采用了计算机的网络技术及协同作业技术，通过制造服务器可以与产品设计部门进行很好地通信，进行数据传递、信息处理、授权管理、网络会议、网络对话等活动，各方面相关人员可以在这个环境中进行产品结构分析、数据库建立、工艺布局、工艺分析、相关计算、仿真分析、人机工程分析、成本分析、工时分析等。在这一平台上，可以使规划人员及各相关人员的意图表述清楚、沟通迅速，信息传递准确，整体工作效率很高。

６．７可提供良好的技术传承平台

由于所有的企业资源，如典型的、先进的工艺、设备、工装等资源都被建立成模型，存储在服务器或数据库中。这样随着人员的更迭，数据库的数据不断丰富，特别是随着案例的增多，这个数据库信息就越来越丰富，而不会因为个别人的中途调离而给企业带来巨大损失，所以它可称得上是企业的 “聚宝盆”。

７应用 “数字化工厂”技术工艺规划工作流程

７．　１产品数据读入　　　　

产品数据是工艺规划的基础，只有读懂产品图后，才能进行正确的工艺分析。本次工艺规划，用了不

到一周时间，就将产品图全面理解。据焊接工程师经验，此类项目传统方法读图时间不会少于３周。

７．２建立产品结构、进行工艺性分析

７．３输入焊点数据，井分配到各个相关的产品模型　　　　

焊点在赋值的过程中，输入的是三轴坐标值，每个焊点的ＸＹＺ坐标都是唯一的，不会产生重复赋值的漏项的问题。

７．４确定基本工序，确定工位数，井对各工位进行工时的大致分配

根据焊点数量、焊缝长度和焊枪到达焊点的难度，并根据现有的工时标准，对各类操作如点焊、搬运、

检测等建立标准数据库，将各工位工步细化，各工步都采用该标准数据库进行工时计算。在定好工艺方法后，工位数就基本确定下来。

７．５按需要选择资源，井输入成本、占地面积、水电气用量等属性信息　　　　

用所选择的资源进行二维平面布局。二维布局使用的模型全部是各种资源的真实数据，布局的结果非常精确。可根据需要作局部的多种方案，并对各方案的占地面积进行综合对比。

７．６对二维布局作物流分析

主要是对工位布置和二维平面布局形式做定量的验证，并对检测到的问题做适当修改。同时对有争议的工艺方案做物流仿真，以量化的结果，来选择最优的方案。

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７．７三维平面布局　　　　

经过对二维平面布局和仿真模型的修改，基本完成了主要工艺设备的工艺布局。这时可在三维状态下将二维的工作结果显示出来，并对其再作修改。包括空间位置的利用、工作台的高度、机器人及操作者的

空间运动等都可清楚、直观地表现出来，空间的利用效率最高。

７．８指定报表的翰出

该报表是根据具体需要编制的，与操作树中的资源相关联。输出的所有资源信息，都是布局中所使用的资源。布局中所做的修改，也适时地在报表中显示出来。这是该技术所具备的统计功能。在实际规划工

作中，可对有争议的不同方案的输出结果综合对比，从中选出性价比最好的方案。

８对于传统的工艺规划领域应用虚拟制造技术需要解决的几个问题

８．１　　３Ｄ模型创建

由于虚拟技术是基于模型的一项技术，所以企业的建模能力和基础建模机制是该项技术的基本要求。

如企业需要具备适当的软件、硬件、建模人员的编制，并配有模型处理、存储能力。

８．２管理程序革新

需要革新数据的传递、处理、保存、保密、授权的管理方式，因为一项开创性的技术需要一项新的管

理方式做支撑；反之，一项新的开创性技术又会引起管理方式的变革。如果再以处理２Ｄ图纸那样管理数

据模型，比如说传递过程，那么就会由于过程的冗长而湮没了其应有的网上传递快捷的特点等，从而影响整个工程的进度。

为了适应虚拟技术特点及发挥其最大效用，企业应该及时调整自身的流程和相应的管理办法。如工艺规划部门与产品设计部门的关系，应该是一种非常紧密的协作关系。只有两者紧密结合，规划人员和具体设计人员之间及时沟通并且充分接触，才能将彼此的建议和意见表达清楚，达到完美和谐，而不应该像现

在这样，规划人员与设计人员之间的交流不多。只有很好地处理好产品和工艺部门的关系，同步工程才有

管理上的保证。

８．３人员分工调整　　　　

由于技术及管理职能的变革，那么必然引起人员职能的变化。针对虚拟技术，必然要产生物流工程师、

人机工程学工程师、３Ｄ建模工程师、３Ｄ仿真工程师等相应的岗位，才能将该项技术功能全面发挥。

８．４数据库的维护

企业需要建立强大的数据库信息的支持及维护机制。维护工作必须在日常工作中持续进行。只有这样，

才能保证先进的、经典的技术被输入和保存，使得企业永远都站在先进技术的前列。

９虚拟制造技术在同行业应用的情况及效果

该项技术己越来越广泛地应用于汽车、电子、航空、航天、通讯、

企业如美国三大汽车公司等已经应用了该项技术，并且有全球化的趋势；

机械、轻工、交通领域。国外知名国内上海大众也引进了部分模块，

在通用、宝马、福特等知名大公司都己得到广泛使用。随着计算机技术的日益发展，虚拟制造技术将会在

汽车制造业得到越来越广泛的应用。

综上所述，可以看出对于越来越复杂的汽车制造工艺来讲，越来越迫切地需求一个平台来解决其复杂问题；反之，虚拟制造技术正好为汽车制造工艺提供了很好的工艺平台。该项技术与汽车业的结合，已产生一场汽车行业的革命，这种革命的效果１０年前就已在发达国家得到了实现，效果十分明显，目前正向我国波及。也可以说，谁掌握了这门技术，那么可能就又获得了一次领跑的机会。但是，如果不掌握这门

技术，就根本没有领跑的机会！

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