梁慶文

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

0 引言

汽車零部件數(shù)量大，品種多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，是一項涉及多個領(lǐng)域?qū)W科的綜合集成技術(shù)。在快速迭代的市場需求變化下，產(chǎn)品開發(fā)周期，制造質(zhì)量和制造成本關(guān)系企業(yè)的生死存亡。汽車行業(yè)迫切需要一種新技術(shù)來滿足對縮短開發(fā)周期和降低成本的高質(zhì)量發(fā)展訴求。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（Augment Reality，AR）可以在產(chǎn)品設(shè)計階段對產(chǎn)品的整個生命周期進(jìn)行建模、仿真和優(yōu)化，從而更加高效、經(jīng)濟(jì)、靈活地組織生產(chǎn)，達(dá)到了縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低研發(fā)成本、優(yōu)化產(chǎn)品質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率的目的，使產(chǎn)品的開發(fā)周期和制造成本最小化。因此VR/AR技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展是汽車產(chǎn)業(yè)升級的核心推動力之一。

1VR/AR的發(fā)展概述及在汽車行業(yè)的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)概念最早由美國VPL Research公司創(chuàng)始人之一的Jaron Lanier在1989年提出，其實質(zhì)是構(gòu)建一種人為的能與之進(jìn)行自由交互的“世界”，在這個“世界”中參與者可以實時地探索或移動其中的對象，使實際制造過程在計算機(jī)上進(jìn)行本質(zhì)實現(xiàn)，以增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計、制造、工藝、質(zhì)量、性能控制的決策與控制能力，從而形成企業(yè)的市場競爭優(yōu)勢[1]。VR/AR發(fā)展的具體類型如下：

1.1 虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）

虛擬現(xiàn)實描述為由交互式計算機(jī)仿真組成的一種媒體，能夠感知參與者的位置和動作，替代或增強(qiáng)一種或多感官反饋，從而產(chǎn)生一種精神沉浸于或出現(xiàn)在仿真環(huán)境（虛擬世界）中的感覺。簡而言之，就是“無中生有”，在VR中，用戶只能體驗到虛擬世界，無法看到真實環(huán)境。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）

增強(qiáng)現(xiàn)實是VR技術(shù)的延伸，能把計算機(jī)生存的虛擬信息（物體、圖片、聲音、視頻、系統(tǒng)提示信息等）疊加到真實場景中并與人實現(xiàn)互動，簡而言之，就是“錦上添花”。在AR中，用戶既能看到真實世界，也能體驗到虛擬的事物。

1.3 混合現(xiàn)實（Mixed Reality，MR）

混合現(xiàn)實是VR技術(shù)的延伸升級，實現(xiàn)虛擬世界與真實世界的無縫銜接的虛實融合世界。其中的物理實體與數(shù)字對象滿足真實三維投影關(guān)系，簡而言之，就是“實幻交織”。在MR中，用戶難以分辨虛擬世界與真實世界的邊界[2]。

1.4 VR/AR在汽車行業(yè)的應(yīng)用情況

VR/AR技術(shù)既是一種新技術(shù)開發(fā)方法，又是一項復(fù)雜的仿真工具。由美國于20世紀(jì)80年代提出以來，當(dāng)時主要應(yīng)用軍工、航天、科研等領(lǐng)域。2015年以來，隨著虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實（Augment Reality，AR）發(fā)展并與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能技術(shù)相結(jié)合，使得VR/AR技術(shù)發(fā)展為一種新興的技術(shù)趨勢。VR/AR技術(shù)從根本上改變了設(shè)計、試制、修改設(shè)計、規(guī)模生產(chǎn)的傳統(tǒng)汽車制造模式，是制造業(yè)在信息技術(shù)推動下發(fā)生的最顯著變化，也是工業(yè)4.0下的趨勢與潮流，為汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級能力賦予新動能。

VR/AR技術(shù)正進(jìn)入汽車工業(yè)的各個領(lǐng)域，如汽車的虛擬造型、虛擬設(shè)計、虛擬工藝制造、虛擬試驗、虛擬裝配等，它的推廣和應(yīng)用將對汽車工業(yè)的思想概念、開發(fā)方式、部件供應(yīng)、組織形式、市場競爭及人才培訓(xùn)方面產(chǎn)生全方位的創(chuàng)新和變革。德國汽車業(yè)應(yīng)用VR/AR技術(shù)最快也最廣泛，目前，德國所有的汽車制造企業(yè)都建成了自己的虛擬現(xiàn)實開發(fā)中心。奔馳、寶馬、大眾等大公司的報告顯示，應(yīng)用虛擬制造技術(shù)，以“數(shù)字汽車”模型來代替木制或鐵皮的汽車模型，設(shè)計發(fā)動機(jī)、車體、電氣線路等，建立了三維模型，并進(jìn)行了碰撞分析和運動分析等，還進(jìn)行了模擬數(shù)控加工和質(zhì)量檢驗等，大大縮短了設(shè)計周期，降低了設(shè)計成本，可將新車型的時間從一年以上縮短帶2個月左右，開發(fā)成本最多可降低到原先的1/10。我國VR技術(shù)在汽車工業(yè)的應(yīng)用和國外相比雖然起步較晚，但也取得了卓越的成果：清華大學(xué)研制出的VASS虛擬裝配系統(tǒng)可對產(chǎn)品的可裝配性進(jìn)行檢驗；浙江大學(xué)設(shè)計的VDVAS虛擬裝配設(shè)計系統(tǒng)可在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品零部件進(jìn)行更換修改，提高了工作效率以及裝配質(zhì)量。一汽、二汽、上汽等汽車公司運用UG、CATIA、PRO-E等三維軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計已積累多年的經(jīng)驗，具備了應(yīng)用虛擬現(xiàn)實所需的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

但是總體來說國內(nèi)汽車企業(yè)對VR/AR技術(shù)還處于發(fā)展與應(yīng)用的孕育期，VR/AR技術(shù)在汽車制造中各環(huán)節(jié)與VR/AR技術(shù)的結(jié)合點尚不清晰，應(yīng)用場景和應(yīng)用路徑尚不充分，加之應(yīng)用場景設(shè)計缺失，產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，從而制約了VR/AR技術(shù)應(yīng)用范圍的拓展。

2VR/AR應(yīng)用實踐的總體思路

2.1 背景

VR/AR技術(shù)目前在國內(nèi)汽車行業(yè)的成熟應(yīng)用模式和應(yīng)用路徑基本上體現(xiàn)在產(chǎn)品的外形與結(jié)構(gòu)設(shè)計、產(chǎn)品裝配與生產(chǎn)過程評估等方面，用于產(chǎn)品工藝規(guī)劃及產(chǎn)品性能預(yù)評估的成功案例在業(yè)內(nèi)很少看到。本項目通過汽車零部件智能制造示范工廠的建設(shè)實踐活動，在國內(nèi)汽車零部件行業(yè)首次將VR/AR技術(shù)用于輕量化汽車底盤關(guān)鍵零部件的產(chǎn)品工藝規(guī)劃及產(chǎn)品性能預(yù)評估，將極大縮短研發(fā)周期，減少運營成本。屬于行業(yè)內(nèi)變革性創(chuàng)新應(yīng)用。可為同行及制造業(yè)開展AR技術(shù)的應(yīng)用模式和應(yīng)用路徑提供重要借鑒，并具有典型廣泛的示范作用。

2.2 VR/AR應(yīng)用實踐策略

構(gòu)建AR/VR平臺，實現(xiàn)輕量化汽車底盤關(guān)鍵零部件（后橋/獨立懸架）工藝規(guī)劃、仿真及管理協(xié)同制造環(huán)境。解決輕量化汽車底盤關(guān)鍵零部件（后橋/獨立懸架）裝配生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃、加工策略優(yōu)選、機(jī)器人路徑仿真、裝配進(jìn)度的跟蹤和控制、數(shù)字化選配、裝配質(zhì)量控制。對產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行模擬與分析，對裝配方案進(jìn)行快速評價，優(yōu)化產(chǎn)品的裝配過程，及早發(fā)現(xiàn)潛在的裝配沖突與缺陷。實現(xiàn)3D數(shù)字化多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計、虛擬仿真評估及其裝配工藝規(guī)劃、虛擬檢測等。AR/VR平臺如圖所示2。

圖2AR/VR平臺

2.3 產(chǎn)品研發(fā)及驗證的優(yōu)化

2.3.1 模型的定義

基于 MBD（Model based Definition，MBD，即模型的定義）技術(shù)，以輕量化、節(jié)能降耗為目標(biāo)，用集成的三維實體模型來完整表達(dá)產(chǎn)品定義信息，詳細(xì)規(guī)定了三維實體模型中產(chǎn)品定義、公差的標(biāo)注規(guī)則和工藝信息的表達(dá)方法。

2.3.2 產(chǎn)品可視化研發(fā)及評估分析平臺

基于 MDO（Multidisciplinary Design Optimization，MDO，即多學(xué)科優(yōu)化）產(chǎn)品可視化研發(fā)及評估分析平臺，頂層構(gòu)建面向輕量化汽車底盤關(guān)鍵零部件和企業(yè)MBD規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)體系及產(chǎn)品模型庫，采用MDO設(shè)計方法，引入汽車底盤系統(tǒng)的動態(tài)耦合動力學(xué)模型、數(shù)值仿真分析，進(jìn)行輕量化汽車底盤關(guān)鍵零部件（后橋/獨立懸架）產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及虛擬仿真分析與評估。運動學(xué)分析如圖3所示。

圖3 運動學(xué)分析

2.3.3 PLM軟件

使用三維數(shù)字化建模，建立綜合多學(xué)科技術(shù)優(yōu)化設(shè)計的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，搭建聯(lián)通設(shè)計、工藝及生產(chǎn)制造等各個環(huán)節(jié)的協(xié)同平臺，使得產(chǎn)品設(shè)計階段考慮工藝和生產(chǎn)環(huán)節(jié)制約因素，從而避免生產(chǎn)以設(shè)計脫節(jié)，減少研發(fā)周期、減少工藝修改、降低成本、提高效率等。

2.3.4 VR/AR技術(shù)的虛擬實驗平臺

實現(xiàn)VR/AR技術(shù)與產(chǎn)品設(shè)計、檢測過程相結(jié)合，通過采用VR/AR技術(shù)對設(shè)計、生產(chǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行仿真分析，直觀實時的對產(chǎn)品進(jìn)行分析、檢測，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計生產(chǎn)的閉環(huán)流程。VR/AR技術(shù)的虛擬實驗平臺如圖4所示。

圖4VR/AR技術(shù)的虛擬實驗平臺

2.3.5 虛擬裝配工藝仿真平臺

應(yīng)用虛擬裝配工藝仿真技術(shù)，使用虛擬三維原型代替零件原型，可以大幅度降低設(shè)計成本，并縮短設(shè)計研發(fā)時間，基于AR技術(shù)實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實融合，使裝配環(huán)境更加真實，交互方式更加自然，裝配操作更加直觀高效，裝配效果更加可靠。同時通過對裝配過程仿真及優(yōu)化，輸出應(yīng)用于裝配生產(chǎn)現(xiàn)場的虛擬作業(yè)指導(dǎo)書，保證產(chǎn)品的裝配質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，滿足裝配制造的任務(wù)需求。虛擬裝配工藝仿真平臺如圖5所示。

圖5 虛擬裝配工藝仿真平臺

3VR/AR應(yīng)用實踐

介紹基于VR/AR技術(shù)的三維裝配工藝規(guī)劃及產(chǎn)品性能評估解決方案。

3.1 VR/AR技術(shù)的三維裝配工藝規(guī)劃及驗證

3.1.1 后橋/獨立懸架裝配工藝規(guī)劃流程

主要解決輕量化汽車底盤關(guān)鍵零部件（后橋/獨立懸架）裝配生產(chǎn)線的工藝規(guī)劃，加工策略優(yōu)選，工裝卡具優(yōu)選與機(jī)器人路徑仿真、裝配線平衡、裝配進(jìn)度的跟蹤和控制、數(shù)字化選配、裝配質(zhì)量控制。對產(chǎn)品的裝配過程進(jìn)行模擬與分析，對裝配方案進(jìn)行快速評價，優(yōu)化產(chǎn)品的裝配過程，及早發(fā)現(xiàn)潛在的裝配沖突與缺陷。后橋/獨立懸架裝配工藝規(guī)劃流程如圖6所示。

圖6 后橋/獨立懸架裝配工藝規(guī)劃流程

3.1.2 三維裝配工藝規(guī)劃與仿真驗證

導(dǎo)入裝配件的EBOM/PBOM、MBD模型、工裝模型，進(jìn)行裝配工藝規(guī)劃，通過三維工藝設(shè)計與裝配仿真驗證工具進(jìn)行參裝件的裝配順序、裝配操作、裝配路徑的詳細(xì)設(shè)計，建立參裝件、工裝資源和工藝過程的關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)裝配流程過程設(shè)計，通過仿真驗證并優(yōu)化裝配流程、裝配關(guān)鍵數(shù)據(jù)，最終形成三維AO指令。

例如：主減速器主被齒耦合模型分析

為確認(rèn)后橋主減速器關(guān)鍵裝配尺寸，裝配工藝規(guī)劃時進(jìn)行了虛擬樣機(jī)仿真分析。主減速器主被齒耦合模型如圖7所示。

圖7 主減速器主被齒耦合模型

仿真分析不同主齒安裝距，不同被齒安裝距，不同傳動速度下關(guān)鍵裝配尺寸對主減振動的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，得出關(guān)鍵主被齒輪安裝距裝配尺寸為：在裝配時應(yīng)保證主齒偏移在92（-0.01，0.01），被齒偏移47（-0.01，0.01）范圍內(nèi)。關(guān)鍵裝配尺寸對主減振動的影響如圖8所示。

圖8 關(guān)鍵裝配尺寸對主減振動的影響

仿真分析不同主動齒輪軸軸承間距、不同轉(zhuǎn)速下對振動的影響。根據(jù)仿真結(jié)果，得出當(dāng)兩軸承跨距為55 mm時，各轉(zhuǎn)速下被齒角速度均值、差值均較小，與被動齒輪的理想轉(zhuǎn)速最為接近，有利于被齒的平穩(wěn)轉(zhuǎn)動，能減小被齒轉(zhuǎn)動過程中的波動，降低振動噪音。主被齒角Y方向加速度均/差值如圖9所示。

圖9 主被齒角Y方向加速度均/差值

仿真分析不同齒輪間隙對后橋總成動態(tài)特性的影響，根據(jù)仿真結(jié)果：當(dāng)齒輪間隙為0.05 mm時，可使后橋總成保持較低振動值。

3.1.3 三維裝配工藝指令的生成與管理

利用文字、仿真動畫、輕量化模型和圖片等多種數(shù)據(jù)格式編制三維裝配工藝指令，實現(xiàn)三維工藝指令流程的審簽發(fā)布、組織和管理。包括動態(tài)的加工過程仿真視頻，動態(tài)的工藝文件，各種現(xiàn)場需要的其它指導(dǎo)性文件等，在現(xiàn)場部署的屏幕上供交互式查看。

3.2VR/AR技術(shù)的三維虛擬裝配及產(chǎn)品性能評估

三維增強(qiáng)現(xiàn)實裝配仿真研究及裝配生產(chǎn)過程實時指導(dǎo)及糾錯。VR/AR系統(tǒng)平臺的通過虛擬開發(fā)工具、片面模型生成工具、輸出渲染工具及輸出設(shè)備等功能，完成設(shè)計建模、工藝仿真、質(zhì)量檢測等可視化產(chǎn)品虛擬驗證。

明確三維虛擬裝配仿真技術(shù)方案，三維虛擬裝配仿真技術(shù)方案如圖10所示。

圖10 三維虛擬裝配仿真技術(shù)方案

3.2.1 主要工作

虛擬模型展示及仿真?；诂F(xiàn)有三維CAD軟件系統(tǒng)，如 UG、SolidWorks、Inventor等，進(jìn)行 MBD 建模模塊的合作開發(fā)；基于現(xiàn)有系統(tǒng)開發(fā)平臺如ARToolkit、ARTag等，進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實軟件系統(tǒng)的合作開發(fā)；基于MBD技術(shù)創(chuàng)建的零部件，采用Deep Exploration、3dsMAX等工具和簡化算法等轉(zhuǎn)換為面片模型，再用Creator等軟件進(jìn)行紋理貼圖，最后生成虛擬模型，以滿足實時性和零部件模型細(xì)節(jié)展示的需要。

驗證與實車對比分析。將企業(yè)原有整車/底盤的三維實體模型進(jìn)行讀取，轉(zhuǎn)化為虛擬模型；將虛擬模型運用到系統(tǒng)各個平臺，與實車/底盤進(jìn)行靜、動態(tài)對比分析；將多個底盤模擬及實車底盤對比數(shù)據(jù)進(jìn)行分析綜合，找出平臺系統(tǒng)與相應(yīng)車型底盤之間的參數(shù)關(guān)系，并對各個車型底盤進(jìn)行分別調(diào)校，記錄相應(yīng)的系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)找出最佳設(shè)置參數(shù)。

3.2.2 數(shù)值仿真分析與虛擬評估模塊

通過構(gòu)建基于數(shù)據(jù)挖掘和分析算法的智能決策分析系統(tǒng)平臺，研制高精度智能可視化裝配裝備、實時動態(tài)檢測智能裝備及基于RFID技術(shù)的制造信息精確追溯系統(tǒng)，進(jìn)行產(chǎn)品裝配品質(zhì)在線評估、產(chǎn)品裝配工藝參數(shù)優(yōu)化、故障智能預(yù)報，實現(xiàn)智能優(yōu)化自決策，提高產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)品一致性。產(chǎn)品性能虛擬評估框架如圖11所示。

圖11 產(chǎn)品性能虛擬評估框架

（1）差速器路況振動虛擬仿真模塊：模擬差速器在不同路況下對整車振動的影響，評估差速器結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性。差速器模型及部分仿真如圖12所示。

圖12 差速器模型及部分仿真結(jié)果

（2）主減速器品質(zhì)實時在線測試評估。系統(tǒng)通過模擬主減速器在實際運行過程中的工況對主減速器進(jìn)行檢測，電機(jī)主軸通過錐銷連接法蘭（或橡膠摩擦盤）帶動主減速器運行，通過PLC及其控制電路對主軸電機(jī)進(jìn)行控制，控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來模擬實際路況中的前進(jìn)與后退。通過垂直方向和徑向的加速度傳感器對運行過程中的主減速器主被齒與軸承位的振動進(jìn)行檢測，根據(jù)大量實驗、測量得出固定轉(zhuǎn)速下振動的臨界閾值，通過對比實際工況下振動加速度與閾值大小來判斷主減速器總成合格與否。振動信號由數(shù)據(jù)采集卡采樣后送計算機(jī)處理，并由系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的分析計算、保存，同時與系統(tǒng)軟件所存的閾值標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，然后將結(jié)果送PLC處理，并由PLC控制報警。

（3）測試系統(tǒng)的主要功能

1）主減速器磨合：在不同的驅(qū)動轉(zhuǎn)速下磨合主減速器的主被動齒輪。

2）振動性能在線檢測：通過控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來模擬實際路況中的前進(jìn)與后退，如果主減速器總成存在故障則對應(yīng)的工作零件振動會超出正常值，對運行過程中振動加速度信號進(jìn)行采集，通過系統(tǒng)軟件對振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示，分析主減速器各工作零件的振動性能。

3）性能品質(zhì)評估：通過測試系統(tǒng)對振動信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)顯示，對振動時域信號設(shè)置一定的閾值，當(dāng)振動曲線低于設(shè)定的閾值時系統(tǒng)認(rèn)定的主減裝配正常，若振動曲線高于設(shè)定閾值則系統(tǒng)會報警提示主減不合格。

4 結(jié)束語

基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的虛擬制造技術(shù)是在一個統(tǒng)一模型之下對設(shè)計和制造等過程進(jìn)行集成，它將與產(chǎn)品制造相關(guān)的各種過程與技術(shù)集成在三維的、動態(tài)的仿真真實過程的實體數(shù)字模型之上，可以更加有效地、經(jīng)濟(jì)地、柔性地組織生產(chǎn)，增強(qiáng)決策與控制水平，有力地降低由于前期設(shè)計給后期制造帶來的回溯更改，達(dá)到產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本最小化、產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的最優(yōu)化、生產(chǎn)效率的最大化。

近年來，虛擬制造技術(shù)已經(jīng)和人工智能、系統(tǒng)控制、網(wǎng)絡(luò)集成、信息處理等學(xué)科和技術(shù)相結(jié)合形成了智能制造并上升為國家戰(zhàn)略，而虛擬制造作為智能制造的重要組成部分必將實現(xiàn)以數(shù)字化為核心、自動化為基礎(chǔ)、集成化為措施、網(wǎng)絡(luò)化為道路、智能化為目標(biāo)的發(fā)展應(yīng)用前景。