浅谈VMT与白车身工艺发展
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虚拟制造（VM）是为新产品及其制造系统开发的一种哲理和方法论，是一种全新的制造体系和模式。在虚拟制造中，产品开发是基于数字化的虚拟产品开发方式，保证了产品开发的效率和质量，提高了企业的快速响应能力和市场开拓能力。因此，虚拟制造技术（VMT）的应用越来越广泛。在汽车制造业，VMT可以为汽车的白车身提供3D可视环境、一个并行的工作平台、科学的工艺规划方案评估办法、较为先进的焊点管理模块、工程成本运算模块、协同作业平台和良好的技术传承平台。
虚拟制造的本质是以计算机支持的仿真技术为前提，以新产品及其制造系统的全局最优化为目标，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，对产品性能、产品制造成本和产品可制造性等进行预测，从而更加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加合理有效，以达到产品开发周期的最短化、制造成本的最小化、产品设计质量的最优化和生产效率的最高化。
一、VMT产生背景
工业革命以来，追求最高利润一直是制造业企业发展的主题。随着市场的细分及顾客需求的多样性以及制造商之间竞争的加剧，迫切要求制造业企业能够在降低大规模投入风险、降低成本的前提下快速、准确地生产出适应市场需求的产品。因此，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VMT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的突飞猛进，为计算机仿真和协同作业奠定了坚实的基础。所以，近十多年以来，世界知名的制造商纷纷采用了VMT，并取得了喜人的成果。
二、 VMT主要表现在以下几个方面：
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；
在无法大量投入前，对新产品的开发价值进行评估，评估其可能的效益及存在的风险；
为了寻求把握产品制造过程中的各阶段情况，有效协调设计与制造的关系，寻求企业全局的最大利益；
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，达到全局最优化的目的。
三、VMT的优点
1、工艺规划设计环境可视化
由于VMT是基于CAD技术的发展而出现的，其最大特点在于以模型尤其以三维模型为基础。这样就大大方便了产品设计和过程设计人员，使产品的所有细节都可以直观、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、动态断面分析以及运动学特性等分析，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。
2、计算程序化
助于强大的计算机技术，所需规划计算可以通过模块的形式与整个平台进行集成，极大地方便了工艺计算并提高了计算速度和效率，便于工艺信息的集中管理。
3、知识扩大化
由于计算机的高度存储功能和快速提取输出功能，通过对以往知识的建模，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，不会因为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丰富资源库的内容，因为它是一个开放性的系统。
4、时间最小化、风险最小化、效益最大化
由于VMT提供了一个良好的虚拟环境，可以完全不需像以往那种串行的工作方式工作，而是可以并行地提前进行产品结构、性能分析及工艺分析，并可以进行模拟现实场景进行预先运行，及时发现并解决存在的问题和风险，大大节约了由于出错造成的返工时间和金钱损失，从而大大地缩短了产品的投入市场时间。
5、协作平台化
由于VMT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，所以它也是一个很好的协调人们行为的工具。
6、知识和信息高度集成化
VMT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，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、市场信息等于一体。例如汽车的白车身中，VMT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他资源协调起来，达到一种全局最优的效果，图1所示为VMT在白车身工艺规划中的应用实例。
四、在传统的白车身领域，VMT需解决的问题
1、3D模型创建
由于VMT是基于模型的一项技术，所以企业的建模能力和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、建模人员编制、模型处理能力、存储能力。
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。如果再像处理2D图样那样管理数据模型，比如传递过程，就会由于过程的冗长而湮没了其应有的网上传递快捷等特点，从而影响整个工程的进度。
为了适应VMT的特点并发挥其最大效用，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应该是一种非常紧密的协作关系，只有两者紧密结合，及时沟通并充分接触，才能将彼此的建议和意见表达清楚，达到完美和谐，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。
3、人员分工调整
由于技术及管理职能的变革，必然引起人员职能的变化。针对VMT，必然要产生物流工程师、人机工程工程师、3D建模工程师、3D仿真工程师等。
4、数据库的维护
企业需要建立强大的数据库支持及维护机制。只有这样，才能保证有先进的、经典的技术被输入和保存，使得企业永远都站在先进的技术前列。
五、VMT为白车身解决的问题
1、提供了3D可视环境
在3D立体视窗中，产品可以较完整地得到表现，而且由于数模的应用，这样以产品模型反求模具、夹具的形面非常方便，特别是对于曲面来说，其制造效率和数据传递精度更高；在3D环境中，分析白车身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，使得分析产品结构及工艺性的时间大大缩短，几天就可以解决；在3D环境中，由于设备、人员、工装是模型化的，而且其立体效果即时可见，这就杜绝了2D环境的视觉局限性及表达不完全的缺点，特别是对于复杂图形，其优越性尤为突出，图2所示为3D可视化效果示例。
2、提供了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，此外，在工艺规划部门发现问题后可以通过该平台快速反馈，及时消除隐患，争得了时间和金钱。
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、初步布局及其他工作的初步过程。随着产品设计的进一步进行，也可以同步进行修改设计，并且可以随时反馈产品设计中的问题；也可以进行设备、工装的初步定货，到产品正式确立之后，设备、工装的精确订货再按精确技术要求进行改进，从而大大缩短了整个产品的开发周期及投产周期，增强了企业的竞争力。
3、提供了科学的工艺规划方案评估办法
这样的平台下，评估方案的可行性和优化程度的方法主要有：
物流仿真：该技术通过对对象的运算来处理事件，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，以数据为依据进行分析，其科学性更强，图3所示为物流分析举例。
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，图4所示为人机工程分析举例。
运动仿真：判断设备、工装等有否干涉并进行优化，特别是在白车身中，夹具、工件、焊钳、运输设备之间的关系非常复杂，尤其是机器人的运动是更为复杂，而机器人的大量应用，就更需要事先仿真。
4、提供了较为先进的焊点管理模块
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。在工艺规划时，哪个焊点被遗漏可以显示出来并得到自动提示；哪些焊点与哪个设备焊接也可以很好地关联，为白车身规划人员解决了一大难题。
5、提供了工程成本运算模块
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，实现与方案的实时性，便于成本控制。此外，还可以进行工时分析，提高了工时利用率。
6、提供了协同作业平台
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的通讯，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，可以使规划人员及相关人员表达清楚、沟通迅速、信息传递准确，从而提高整体的工作效率。
7、提供了良好的技术传承平台
由于所有的企业资源，典型先进的工艺、设备、工装等都被建立成模型，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，这个数据库就越来越丰富，不会因为个别人的中途调离而给企业带来巨大损失，所以它是企业的“聚宝盆”。
六、VMT在国外同行业应用的情况及效果
VMT已越来越广泛地应用于汽车、电子、航空航天、机械、交通等诸多领域。在汽车制造领域中，美国通用、福特、克莱斯勒，德国大众、奔驰、奥迪、宝马，日本丰田、本田、马自达、三菱、尼桑，瑞典的绅宝、沃尔沃，韩国现代、起亚，意大利菲亚特、依维柯，法国雷诺等已经广泛应用该项技术；国内的上海大众和华中理工、上海交大、上海同济、北京理工、北京科技大学引进了部分模块。随着计算机技术的日益发展，VMT会越来越广泛应用于制造业。
下面以某著名汽车厂的成功案例为例，说明采用VMT的白车身解决方案后为企业带来的实际效益：
1、在减少生产准备时间方面，企业获得的效益：
减少了一周的生产准备时间，可提前一周（5天）正式投产；正式投产期间每天生产1500辆车，正式投产后每辆车比在生产准备时减少制造费用2000美元。生产准备期间每天可生产500辆车，每辆车的制造费用为3000美元，采用白车身解决方案后可节省10%。
2、在提高项目规划效率与能力方面，企业获得的效益：
企业有80位规划人员，每位规划者每年用在工作中的费用为12万美元，因为采用了工艺规划模块，提高了工作效率与质量，每人可节约20%的费用，图5所示为应用了工艺规划模块后，并行的工艺规划能很快地使生产线发挥最佳性能。
3、在减少项目投资方面，企业获得的效益：
每条生产线的投资为5000万～7000万美元，采用新技术后使制造资源得到了重复利用，优化了通用设备的利用率并进行了标准化，明确了供应商的责任，企业可节省5%的资金。
综上所述，我们可以看出，越来越复杂的白车身工艺迫切需求一个能够解决其复杂问题的平台，而VMT正好为白车身工艺提供了这一平台。如果早日将其结合，将产生一场汽车工业的革命，而且这种革命的效果在发达国家早在10年前已经实现，效果十分明显，目前，正向我们国家波及。可以说，谁抓住了这次机会，谁就又获得了一次占领市场的机会！
发布于：2024-12-10，除非注明，否则均为原创文章，转载请注明出处。
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