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国产品牌汽车“智造”战略到底有多强?

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汽车制造工业是衡量一个国家制造能力的重要标志,发展汽车智能制造是我国从汽车大国迈向汽车强国的必由之路。汽车智能制造的核心,就是“数字化”和“智能化”。数字化制造战略的实施就是要结合众多的核心技术,以其前瞻性、低成本和提升企业整体效率的优点,实现制造的数字化、智能化和定制化。

调研国内主要研究现状,其中比亚迪股份有限公司针对新能源汽车制造设计了生产管控系统,以MES系统为中心,打通了各系统间的孤岛壁垒,实现了整车信息追溯[1];北京汽车集团有限公司建造了智能电动汽车共享工厂,构建了新能源汽车国家大数据联盟,意在实现资源共享和产业链的进一步开放合作[2];上汽大通汽车有限公司则对汽车个性化定制进行了研究,提出了C2B大规模个性化智能定制模式[3];广州汽车集团有限公司建设了全球首个能源综合利用生态工厂,定位于拥有物联网、大数据和个性化定制的世界级数字化智慧工厂[4];吉利汽车对全柔性化的生产线、智能排产系统进行了研究,并制定了详细的智能制造实施战略,新一代工厂正在规划建设中。从全球汽车关键技术发展来看,新兴技术与制造的融合仍是企业保持竞争力的关键,同时也迫切需要通过降低制造链、产业链成本来提升竞争力。当下,5G技术、大数据以及人工智能的快速发展,给各行各业都带来了新的机遇,如何以互联网技术为基础,实现对汽车制造产业聚集区域各类资源的协同整合变得尤为重要。

吉利智能制造战略的实施,就是通过将产业数据链和价值链进行打通,形成网络协同制造服务支撑体系,最终实现汽车设计、制造、服务一体化和供应链、营销链、服务链企业群协同,促进汽车产业发展。具体来讲就是——以汽车制造服务为核心理念,融合信息技术、制造技术以及物联网技术,支持制造企业内部及企业相互间在可靠的网络资源支持下实现对产品不同阶段的增值,建立共享制造资源的公共服务平台,将产品研发、制造、运维等全生命周期的相关数据资源整合在一起,提供标准、规范、可共享的制造服务模式,促进创新资源、生产能力、市场需求的集聚与对接,提高产业链资源整合能力和协同效率,实现汽车制造企业内部、企业间、区域性的制造服务协同。

吉利汽车智能制造战略实施方案,主要采用“三线”互通模式,如图1所示,该策略打通了产品研发线、产品交付线(含供应链)及生产制造线数据,并以IOT平台作为数据中台,应用BI、微服务开发、AI算法等技术为数据应用赋能,部署智能管理驾驶舱、IOT微服务群、精益排班数学模型、高级排产及工艺管理平台等应用系统,从业务管理到业务分析、从精益生产到敏捷响应,产生“知识泛在”效应,为打造魅力品质、精益管理、及时交付与敏捷开发的品牌价值提供了技术支撑。

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构建虚拟生产系统

按类别建立模型库,实现三维虚拟生产车间的快速构建,使车间模拟系统尽可能地与未来实际生产系统的三维空间布局结构、生产运行和物流过程相吻合,为生产方案的可行性、合理性提供身临其境的评判依据,并为将来由于不确定因素带来的生产布局变更提供快速修正和预言评估。模型库采用的都是预投产设备的真实模型,与真实工厂是完全一样的,以保证评估的有效性和可靠性。

1.仿真技术应用

在三维软件环境下,将制造数据与业务进行集成,对产品设计和工艺开发方案进行评估和仿真,找出设计不合理的地方或问题点,针对这些问题点给出优化建议,并验证更改后的方案,如此反复的实验和验证,保证生产过程的最优化。如图2所示,搭建焊装车间,对工艺资源进行定义和布局,评估设计方案的合理性并给出整改方案或措施。

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制造过程设计的科学与否、装配水平的高低和质量的优劣,直接关系到组装后的产品是否满足设计要求。只有严格控制装配工艺,才能保证产品的合格率。数字化预装配技术在产品开发中的应用,有利于在设计阶段及时发现产品装配设计和规划中的问题与缺陷并加以解决,从而使企业能够以更短的时间、更高的质量、更低的成本和更好的服务来赢得市场竞争。

借助于物流仿真软件对工装(吊具、滑板、滑橇等)数量、缓冲区合理性、瓶颈工位及线体产能进行分析,提前发现问题并进行高效、准确地解决,优化设备投入,节省项目资金。这样,能更加充分地验证方案,减少甚至避免设计缺陷,尽量避免项目实施过程中给生产车间和公司带来经济和时间损失。相对于停留在CAD平面设计及经验积累的物流规划和设计,缩短从概念到安装的工厂设计时间,使得内部和外部供应链、生产资源和业务流程合理化,按材料要求、集装箱大小、集装箱堆放条件以及进出指导原则,充分利用工厂和运输车辆的空间,减少浪费。在原有自带库中增加新的标准化模块,建立属于吉利汽车专用数据库,快速搭建物流仿真模型,缩短方案验证周期,使验证更具时效性。

2.虚拟调试技术

汽车生产线集成是一场与时间的赛跑,如何实现在最短时间内以最高的效率将生产线投入生产,是各主机厂面临的挑战。传统的模拟仿真所实现的,是生产线联动,只是视觉上的设备同时动作,无法准确评估工位运行状况,很难达到精益制造的目标。利用虚拟调试技术建立逻辑块,在软件环境中完成各种“假设分析”的方案执行、系统诊断,实现虚拟与现实工厂的互通,如图3所示,使虚拟资源成为智能元件,具备与真实资源相同的功能和信号识别能力,为机械操作顺序及联动控制逻辑的正确性提供保证,提高在线调试通过率,缩短现场调试时间。

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为保证虚拟调试的有效性,需要在设备进场之前完成生产车间坐标系的创建和控制网的布测。控制坐标系一般会选取车间已有坐标系,也可根据需要自定义坐标系。控制点的布设应覆盖生产线体的周边,尽量高低错落,严禁布置在同一条直线上。控制点测量使用精度不低于“2mm”的全站仪,采用闭合导线或附合导线进行导线和水准平差,得到各控制点的精确三维坐标,形成局部坐标系下的控制网。测量完成后,将测得的坐标导入数据平台中,通过自主开发插件,使生产车间网格化。

虚拟调试技术的引入,使得机器人编程和示教环节、PLC的编程和调试环节都可以在办公室进行。对于虚拟调试技术,控制机器人、伺服电动机、电控阀等设备可以无需依赖对应人员,生产线的所有设备在计算机中呈现,设备的安装程度亦无要求,只需要在软件内实现快速控制。虚拟调试中可以做各种“假设分析”,充分识别系统风险,保证系统的可靠性和稳定性。虚拟调试技术打通现场电气控制系统的调试与机械工艺设计系统的信息隔离,尽最大可能性减少现场无效劳动。

3.数字化工厂发布

如图4所示,利用数据库平台发布数字化工厂,并实现对整个工厂做测量和现场验证分析。

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通过虚拟生产系统的建立,实现新工厂建设规划、已有生产线改造以及智能制造虚拟现实交互,实现生产制造过程数据在计算机虚拟环境中进行仿真、评估、优化。基于数字化模拟和三维设计对工厂设备、工艺流程等进行规划,利用三维设计软件进行厂区布置、厂房设计、物流规划,依靠高柔性运输和自动化装备,实现了多品种的混线生产的工厂建设。利用该工厂模型可以方便的对生产线或者设备位置进行调整,与传统平面图纸相比,三维模型仿真可以更直观地对生产环节进行模拟,更快地发现问题并进行优化,还可以为快速、灵活地调整生产提供精准、全面的实时数据。

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构建虚拟现实系统

国内汽车企业仍以“物理试验为主,仿真为辅”的开发模式,导致了产品研发周期长、开发费用巨大、生产与研发脱节等问题。物理样机的局限性使汽车开发中的很多方案无法充分验证,使用虚拟仿真替代物理样车是制造发展的必然趋势。面对虚拟现实VR(Virtual Real i ty)掀起的信息技术创新革命,VR技术已在国防军事、航空航天、轨道交通等领域广泛运用,在汽车行业的应用相对较少。虚拟现实仿真技术即将成为未来工业生产最大的驱动力。现以吉利NPDS研发流程为契机,依托以获得审批的浙江省重点研发计划项目《新能源汽车虚拟现实仿真系统研发与推广应用》,如图5所示,构建虚拟现实系统技术路线图。

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使用虚拟仿真替代物理样车是制造发展的必然趋势。一方面,制造物理样车需要相当长的时间,对于严格按照研发进度日历进行的技术团队而言,只能为这种后知后觉的发现提供补救措施;另一方面,制造物理样车需要相当大的资金投入,而为了降低研发成本,尽可能减少甚至取消物理样车是企业管理者的迫切要求。运用虚拟仿真技术则极大地弥补了这方面的不足。虚拟现实系统能够使用现有设计CAD模型进行刚体部件的可装配性分析、动态碰撞检查、运动机构的定义和动态仿真、基于真实材料物理属性的柔性体定义及行为仿真。

1.虚拟评审

通过使用三维交互式系统进行设计评审,为企业决策者提供不同于以往的决策环境,对准确了解设计意图、状态、问题,加速决策流程提供更快捷的方式,虚拟评审内容包括:虚拟造型评审、虚拟人机工效评审以及虚拟性能评审。

  1. 虚拟造型评审 如图6所示,通过实验室的沉浸式可视化设备,系统对造型CAS数据快速着色和渲染,形成立体三维虚拟造型进行评审,代替传统油泥模型制造与评审,提高造型评审效率。图片
  2. 虚拟人机工效评审 汽车设计SAE标准以驾驶员作为设计的出发点,对整车进行符合人机工程学要求的设计。开发平台软件作为可视化环境,通过第一人称视角为设计者、决策者提供产品体验的环境,以评审产品设计是否满足驾/乘人员的体验要求。其中,驾/乘人机工程,是车辆在前期设计和市场定位时,应考虑到产品的客户群体特征,以及使用过程中的人机工程要求。诸如行李舱的开启与关闭等过程对人机工程的要求。过高的行李舱张开角度能够解决大行李的装卸问题,但对于身材较小的女性用户而言,可能会带来使用过程中的不良用户体验。使用软件的人机工程仿真,通过虚拟人体模型的操作体验,可为决策者和设计者提供产品修改的依据。另外,制造、维修人机工程是对于车辆的制造与维修,需要考虑生产工人和后期车辆维修人员的人机工程要求。工艺规划时,使用虚拟现实系统对制造过程的人机工程学检查,确保复杂、精密部件的装配过程符合基本人机工程学要求,避免由此导致的错装、漏装等质量问题;产品设计时,使用虚拟现实系统对维修过程的人机工程学检查,确保车辆可维修性和便捷性,提高产品质量和效率。
  3. 虚拟性能评审 虚拟现实系统在重视视觉的效果真实的基础上,也专注于工程需求,通过多来源数据的集成,不仅可以查看产品结构数据,还可以随时查看有关性能的仿真数据。将研发阶段中采用传统的、分散的图表、曲线等各虚拟性能表达方式集成为逼真的真实感受进行感知评审,提高性能评审效果与质量(例如NVH噪声分析,将原来的曲线表达方式转换为空间立体声音呈现出来,更直观和有效)。与此同时,通过软件功能开发,对CAE不同学科计算结果数据的再处理,还能够提供一般后处理工具无法实现的实时机构运动仿真、管线路仿真和人体模型仿真,进行性能的深层次研究与提升。如图7所示,在进行整车碰撞仿真后,后处理工具可对碰撞变形进行显示,还能够将假人模型放置在变形后的车身内,以评估碰撞变形后乘员的逃生空间;还能够将电池作为仿真对象,研究碰撞变形后,汽车电池能否拆除等装配问题。图片通过动作捕捉系统,操作者可以身临其境地在虚拟产品中漫游,并切换为第一人称视角,对产品进行真实视觉尺寸的交互式体验,指导产品设计通过手柄可以便捷的对产品零部件进行实时地拖拽、移动以及隐藏等动作,增加了评审的效率与手段的多样性。同时,支持跨地域的协调评审功能。可将不同地域的用户同时纳入一个评审系统中进行设计的评审,例如在一个评审中心打开需要评审的模型,进行移动、装配、交互等动作时,在其他地域参与评审的用户也可以实时地得到反馈,他们可以获得跟上述操作者一样的视觉效果,同步的移动、装配、交互等动作的可行性及评审。

2.虚拟装配

结合虚拟生产系统 在统一的使用环境下实现虚拟装配,我们在读取CAE、CAD设计数据进入系统时用户仅需进行简单定义,无需预先进行运动路径等复杂的设置就能实现对数据中零件的实时交互操作,包括实时仿真、动态干涉检查、摩擦与滑动分析、实时拖拽、移动、隐藏、标注标记及测量等动作。如图8所示,这就方便评审过程中对问题零件的工艺性、可装配性、干涉及装配顺序等关键问题、关键零件的排查与实时仿真测试,实现产品的操控性、可视性、可达性、舒适性及安全性。

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3.虚拟展示

依托虚拟现实系统提供对外宣传平台,向来访贵宾展示吉利具备国际水平的沉浸式、可视化的虚拟产品开发能力与技术,亲身体验吉利在研发设计阶段先进的虚拟性能开发、生产制造阶段先进的数字化工厂,从虚拟概念设计到产品生产全生命周期的开发过程,为吉利自主品牌勇于创新、精品开发与制造的形象提供了很好的宣传平台。如图9所示,通过虚拟现实系统和虚拟生产系统相结合,可以让参观者带上设备在虚拟环境中参观工厂,缩短汽车制造商与客户之间的距离,增强与客户的互动,更好地了解客户的需求,并将需求转化到产品设计中。

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数字化虚拟设计和验证,可以打破时间和空间的距离,数字化信息的传输速度非常可观,不受访问人员数量和地域的限制,使异地协同设计成为可能。与传统制造相比,节约人力成本的同时也降低了设计过程中对人工操作能力的依赖性,极大地减少材料浪费,真正实现柔性化、个性化设计。

(待续)

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作者:李瑞方,周军,张洋,王坤

单位:  吉利汽车集团有限公司

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