馮智超，李 巖，李書劍

（上汽通用汽車有限公司整車制造工程部總裝工藝科，上海 201206）

1 虛擬現(xiàn)實技術在整車制造應用的實施背景

1.1 虛擬現(xiàn)實技術在汽車領域的應用日趨成熟

虛擬現(xiàn)實技術，英文名稱Virtual Reality，簡稱VR，是近年發(fā)展起來的高級計算機技術，是建立在計算機圖形學、仿真學、并行技術、人工智能、多媒體技術及高性能計算機系統(tǒng)等技術基礎之上。目前世界上對虛擬現(xiàn)實還沒有一個確切的定義，不同的人對其有不同的理解，比較有代表性的定義有下列三種：

（1）虛擬現(xiàn)實是一種可以創(chuàng)造和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。這里所說的虛擬世界是指所有虛擬環(huán)境或給定仿真對象的全體。

（2）虛擬現(xiàn)實是使人可以通過計算機看見、操作極端復雜的數(shù)據(jù)并與之交互的一種方式。

（3）虛擬現(xiàn)實是一種媒介，它具有三維合成環(huán)境，人們可以按自己的意愿，從任選視點實時地在其中連續(xù)而自由地探測、考察和體驗。

圖1 VR/AR 行業(yè)趨勢分析

目前，虛擬現(xiàn)實技術已廣泛應用于汽車工業(yè)的各個領域，如汽車的虛擬造型、虛擬設計、虛擬試驗、虛擬裝配等。通過這一技術的應用，不僅可以提高汽車制造企業(yè)的市場競爭力，也為我國汽車工業(yè)提供了追趕發(fā)達國家的機會。

1.2 企業(yè)自身調整，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)“提質、提速、降本、增效”

由于國內外汽車業(yè)市場競爭日趨激烈，縮短汽車開發(fā)周期，降低開發(fā)成本成為決定汽車業(yè)競爭力的關鍵因素之一。世界各工業(yè)化發(fā)達的國家都競相把最先進的制造技術應用于汽車制造業(yè)，以提高本國在國際汽車市場的競爭力?；谟嬎銠C和信息技術的虛擬現(xiàn)實技術被認為是加速汽車新產(chǎn)品開發(fā)的有效手段，即以更快的上市速度、更好的質量、更低的成本、更優(yōu)的服務來提高自身品牌在汽車行業(yè)內的競爭力。

傳統(tǒng)汽車產(chǎn)品的研制，都要先制造出大量樣件、樣車，進行性能試驗，然后根據(jù)實驗結果進行改進，周期長，耗資大。而采用虛擬現(xiàn)實樣機的概念，可以在虛擬環(huán)境中進行設計、性能測試與檢驗。使用虛擬現(xiàn)實技術，可以快捷地建立產(chǎn)品的模型族，通過強大的可視化沉浸式環(huán)境，迅速實現(xiàn)產(chǎn)品的變形設計和系列化設計。通過虛擬設計，可以明顯地縮短汽車開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高設計質量。20世紀90年代車輛的研發(fā)時間是48至60個月，采用了虛擬技術后，已經(jīng)縮短到24至36個月，甚至18個月。

虛擬現(xiàn)實技術在整車系統(tǒng)的應用，可以進一步提升員工培訓效率，降低物料采購成本，提高同步工程的質量及便利性，有著非常廣泛的應用空間。

2 虛擬現(xiàn)實技術在整車制造的主要應用

2.1 基于虛擬現(xiàn)實的總裝裝配工藝培訓及考核系統(tǒng)

總裝裝配是汽車產(chǎn)品制造過程中最重要工藝環(huán)節(jié)之一，是把經(jīng)檢驗合格的數(shù)以千計的各種零部件按照一定的技術要求組裝成發(fā)動機、變速器總成及整車的工藝過程。通常來說，整車總裝裝配工藝可以分為兩類，一類是基礎安裝工藝，例如線束接插，緊固件打緊，管路連接等通用的裝配工藝；一類是基于產(chǎn)品或者工藝要求，針對某一特定零件裝配制定的關鍵工藝，例如半軸安裝，側氣簾安裝等等，都有其特有的關鍵工藝要求。

圖2 側氣簾裝配VR培訓示意

總裝車間，作為整車廠四大車間中人員最多的一個車間，員工的裝配培訓一直是工作的重點。無論是新車型引入，亦或是新員工的入職培訓，都需要投入大量的人力物力，用于對總裝操作人員進行系統(tǒng)的裝配培訓。通過引入VR虛擬現(xiàn)實技術，在總裝裝配工藝培訓及考核領域進行創(chuàng)新應用，有效地降低了人員培訓的成本，提升了培訓的效率。

2.1.1 模型定義

基于虛擬現(xiàn)實的總裝裝配工藝培訓系統(tǒng)，特別適用于具有特定產(chǎn)品或工藝要求的、高價值的、不可反復拆裝模擬等類型的裝配模型。例如側氣簾安裝、eboost安裝、RESS拼合等與安全相關的，或者實物不適合多次反復安裝培訓的零件。

2.1.2 輕量化處理

虛擬現(xiàn)實環(huán)境的運行是否流暢，極大程度取決于計算機CPU及顯卡的物理性能，而對于計算機物理性能的要求，又極大程度取決于導入的數(shù)字模型的大小、面片的多少、結構的復雜程度。因此，在搭建虛擬環(huán)境之前，首先需要對產(chǎn)品數(shù)模、工裝數(shù)模以及工作場景做模型輕量化處理。經(jīng)過輕量化處理的數(shù)模，兼顧核心區(qū)域的內部細節(jié)以及背景零件的外形輪廓，幫助VR環(huán)境下的裝配培訓能夠流暢運行。

2.1.3 工藝導入

有了“硬”件支撐，還需要“軟”件導入，總裝裝配對的工藝要求非常多，培訓的核心，就是識別出“關鍵”的工藝要求，例如：前后道零件裝配的強制順序要求、單一零件不同緊固點之間的強制順序要求、側氣簾裝配時不可扭轉的要求、eboost零件抓取部位的要求、RESS拼合試對工裝托臺使用的要求，等等。將這些關鍵工藝要求，分步驟加入裝配培訓的模塊當中，這些經(jīng)過提煉和設計規(guī)劃的要點，都是后期裝配培訓的關鍵點。

2.1.4 模型搭建

將經(jīng)過輕量化的模型、預先設置的裝配順序及工藝要求進行整合，搭建成各種專項培訓及考核場景，再經(jīng)過環(huán)境渲染與美化，形成最終基于虛擬現(xiàn)實的總裝裝配工藝培訓及考核模塊。

2.2 基于虛擬現(xiàn)實的總裝虛擬評估系統(tǒng)

產(chǎn)品設計與工藝開發(fā)的同步工程，一直以來都是車型研發(fā)階段的重點工作，基于產(chǎn)品數(shù)模通過UG/CATIA等模型處理軟件的虛擬評估，是目前主流的工作方式。隨著近幾年虛擬現(xiàn)實行業(yè)軟硬件的迅速升級，已支持工業(yè)領域應用，因此研究將虛擬現(xiàn)實技術與總裝工藝虛擬評估相結合，研發(fā)出一套可以在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的動態(tài)評估工具，以進一步提升同步工程的效率及質量。

2.2.1 虛擬現(xiàn)實環(huán)境搭建

作為同步工程的基礎，首先需要進行評估場景的搭建。通過將新車型研發(fā)過程中階段性的產(chǎn)品數(shù)模進行輕量化處理，加上總裝生產(chǎn)線使用的工裝設備及動力工具等，一同導入虛擬現(xiàn)實的環(huán)境中，并進行渲染。沉浸式的評估場景中，人、車、零件，工裝等都是等比例搭建，極大程度模擬真實裝配環(huán)境，使評估結果更符合實際。

2.2.2 VR動態(tài)虛擬評估

相比傳統(tǒng)的虛擬評估，VR評估有其特有的優(yōu)勢。動態(tài)模擬更高效，以往需要通過專用軟件，設定運動軌跡、邊界條件等才能進行的動態(tài)模擬，在VR環(huán)境中只需抓取零件，即可模擬真實狀態(tài)，朝任意方向進行移動或旋轉，以查看被評估件或工具與周邊環(huán)境的關系。動態(tài)模擬更真實，在沉浸式的VR環(huán)境中，可真實模擬生產(chǎn)線高度，操作人員的姿勢，甚至后期可以根據(jù)不同生產(chǎn)節(jié)拍，模擬正在移動的生產(chǎn)線，評估角度更廣，評估結果更接近真實情況。

圖3 VR虛擬評估示意

3 虛擬現(xiàn)實技術在整車制造的應用總結

基于VR平臺二次開發(fā)的人機交互系統(tǒng)，結合由制造工程發(fā)布的裝配工藝要求，在預設邏輯和場景下體現(xiàn)，通過文字、圖像提示和虛擬實踐，錯誤操作會及時提示，實現(xiàn)高效高質量的總裝基礎安裝工藝、關鍵工藝的培訓及考核。通過引入該系統(tǒng)，降低各項目用于人員培訓的樣車樣件費用，提升工藝培訓的質量。

VR虛擬評估將現(xiàn)有3D數(shù)模導入VR環(huán)境，保留完整數(shù)據(jù)信息，增加物理引擎，具備邊界碰撞、重力等功能，實現(xiàn)針對復雜工藝的動態(tài)模擬評估，與現(xiàn)有工藝仿真工具互補。通過使用現(xiàn)有產(chǎn)品、工裝數(shù)模，應用VR虛擬裝配，實現(xiàn)產(chǎn)品和工藝的同步工程，虛擬評估進一步提質提效。

基于虛擬現(xiàn)實技術的研究不僅限于整車系統(tǒng)，通過近幾年多部門多領域VR/AR結合技術的研究，已突破多個技術瓶頸，實現(xiàn)了多個基于虛擬現(xiàn)實技術的“端”的應用?？深A見的將來，結合不斷升級迭代的可視化技術，還會有更多的“端”被研發(fā)出來，助力智能制造，開啟全新篇章。