第三節(jié) 高效建模

當(dāng)具備了穩(wěn)定的材料來源時(shí)，我們是不是就能做出一道色香味俱全的生炒肉排呢？明顯不是。我們只有在經(jīng)過無數(shù)次的試驗(yàn)后才得出最優(yōu)的原料組合：肉排切小塊，打入雞蛋后加粟粉拌勻，然后加姜汁1/2茶匙，最后加入蔥節(jié)、料酒、精鹽和胡椒粉腌制15分鐘。這個(gè)最優(yōu)組合，我們可以稱為最優(yōu)的肉排原料模型！因此，若把配菜的過程應(yīng)用到汽車工業(yè)里，也就是一個(gè)高效的研發(fā)優(yōu)化過程，那么如何將零配件組合成最佳的汽車模型呢？在虛擬制造的基礎(chǔ)上采用仿真建模是一個(gè)不錯(cuò)的方法，目前已被國(guó)外大型的汽車生產(chǎn)商所采用，而虛擬制造本身也成了高效數(shù)據(jù)積累的良好平臺(tái)。

一、高效的虛擬制造

首先，我們來了解一下：什么是虛擬制造？虛擬制造是在實(shí)際制造前，汽車制造商為了獲取最佳的汽車模型數(shù)據(jù)，運(yùn)用高性能計(jì)算機(jī)，模擬開發(fā)過程中的設(shè)計(jì)、測(cè)試和改進(jìn)等環(huán)節(jié)。具體的實(shí)施步驟是：

·首先，研發(fā)工程師輸入汽車各總成圖紙?jiān)O(shè)計(jì)參數(shù)；

·其次，構(gòu)建三維模型和整車數(shù)據(jù)集成；

·然后，各總成三維數(shù)據(jù)進(jìn)入超級(jí)計(jì)算機(jī)，超級(jí)計(jì)算機(jī)即時(shí)演算虛擬環(huán)境，并投影至特殊功能的玻璃墻，其投影精度可以達(dá)到毫米以下；

·接下去通過數(shù)據(jù)線，將投影模型傳送至世界各地的研發(fā)人員；

·最后，各地研發(fā)人員只要戴上特殊眼鏡，立即進(jìn)入虛擬的開發(fā)環(huán)境。

這樣一來，不同顏色的噴漆和設(shè)備的規(guī)格，都可以在短短幾秒鐘之內(nèi)呈現(xiàn)出來，并且只要點(diǎn)一下鼠標(biāo)，就能轉(zhuǎn)換汽車角度，讓人們從任何一個(gè)可能的視角進(jìn)行觀察。而且，研發(fā)團(tuán)隊(duì)可以用三維立體的方式模擬任何的內(nèi)容，包括車內(nèi)部件、車身強(qiáng)度、動(dòng)力系統(tǒng)性能、碰撞性能等。

以奧迪Q7車頭一個(gè)碰撞試驗(yàn)為例，為了模擬汽車碰撞分析，需要100萬個(gè)數(shù)據(jù)來支持，計(jì)算機(jī)可以在150毫秒內(nèi)計(jì)算出結(jié)果，為了計(jì)算一個(gè)車頭碰撞的結(jié)果，超級(jí)計(jì)算機(jī)需要?jiǎng)佑盟?個(gè)處理器工作22小時(shí)，工作人員以毫米為單位修正，修正后繼續(xù)重復(fù)這個(gè)試驗(yàn)。當(dāng)奧迪Q7的開發(fā)已經(jīng)完成的時(shí)候，已經(jīng)經(jīng)歷了大約2000次準(zhǔn)確率達(dá)到了90%以上的車頭碰撞虛擬試驗(yàn)；相同時(shí)間下，如果用真車的話，大概只能做40次。毋庸置疑，虛擬制造和仿真建模大大提高了研發(fā)和制造的效率。

二、虛擬制造與傳統(tǒng)模式間的差距

為了進(jìn)一步比較虛擬仿真與傳統(tǒng)模式在研發(fā)制造中的差距，我們用虛擬仿真系統(tǒng)——DELMIA系統(tǒng)在白車身制造中的應(yīng)用來說明兩者間存在的效率上的差距。在研究過程中，我們留意到，德國(guó)大眾2007年3月在全球范圍內(nèi)實(shí)施虛擬制造商達(dá)索（Dassault Systè mes）的虛擬流程管理系統(tǒng)（DELMIA Process Engineer）。這個(gè)系統(tǒng)是通過虛擬仿真設(shè)計(jì)出最優(yōu)的工藝流程方案，大大提高制造效率。

白車身制造的基本過程就是采用機(jī)器人（或者手動(dòng)加機(jī)械手輔助）的手段，傳輸、抓取、夾持離散的鈑金和沖壓件并將其焊接成復(fù)雜的白車身結(jié)構(gòu)。白車身焊裝過程的操作工序繁多，工藝內(nèi)容復(fù)雜，是汽車制造企業(yè)最為關(guān)心的工藝領(lǐng)域之一，據(jù)統(tǒng)計(jì)，一個(gè)轎車的白車身在焊裝過程中要經(jīng)歷3000～5000個(gè)點(diǎn)焊步驟，用到100多個(gè)大型夾具，500～800個(gè)定位器，許多工藝信息都和零部件的三維幾何特性密切相關(guān)，這給車身焊裝工藝參數(shù)選擇、工藝流程規(guī)劃、車身焊裝的質(zhì)量控制甚至車身設(shè)計(jì)都帶來很多挑戰(zhàn)。如何管理好數(shù)以千計(jì)的焊點(diǎn)，保證無漏焊、重焊，是白車身工藝規(guī)劃的難點(diǎn)。

DELMIA的虛擬仿真技術(shù)就是通過在白車身制造過程中的八大工序仿真（工位仿真、工裝布局仿真、工序分析、焊裝仿真、人機(jī)仿真、機(jī)器人仿真、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真和立位工廠仿真）來實(shí)現(xiàn)高效率制造的前提。首先，在虛擬系統(tǒng)中建立白車身制造各步驟所需的模型，各模型參數(shù)可由實(shí)際供應(yīng)商直接提供，例如焊裝線上可供選擇的機(jī)器人品種多達(dá)800種，主要由Fanuc和ABB等一線大廠提供，不同機(jī)器人需要的運(yùn)行參數(shù)就由供應(yīng)廠商提供，然后各工位設(shè)計(jì)人員通過共享的虛擬開發(fā)環(huán)境，輸入各工位參數(shù)在DELMIA系統(tǒng)中仿真運(yùn)行。假如白車身結(jié)果出現(xiàn)偏差，各工位要根據(jù)偏差調(diào)整參數(shù)，然后DELMIA系統(tǒng)重新仿真計(jì)算，直至穩(wěn)定輸出為止。最后，每次調(diào)整的數(shù)據(jù)都記錄至數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫最終給出了最佳的白車身模型。這樣一來，只要把最佳模型中參數(shù)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，所有的工藝難題都能迎刃而解。

然而多年以來，在白車身焊裝線領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)絕大多數(shù)整車廠還處在一個(gè)很低的技術(shù)水平上，相關(guān)數(shù)據(jù)多數(shù)還停留在二維的圖紙狀態(tài)，焊裝工藝工程師最為主要的工作內(nèi)容就是Excel填表和截圖，工程師難有時(shí)間去考慮制造工藝本身的問題，如節(jié)拍平衡、生產(chǎn)線布置以及工位仿真等。正因?yàn)楣に囋O(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和手段依然停留在二維年代，國(guó)內(nèi)制造商難以實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的有效管理，所以為了保證白車身的質(zhì)量投入大量的人力物力，耗費(fèi)了大量的時(shí)間和資源。同時(shí)，因?yàn)槿狈y(tǒng)一的管理平臺(tái)，難以進(jìn)行精確的焊接過程分析，更不可能打造精確的工廠布局。特別是新車型的生產(chǎn)初期，白車身制造要經(jīng)過漫長(zhǎng)的生產(chǎn)磨合期，這直接影響到新車型的產(chǎn)量和質(zhì)量穩(wěn)定性。

當(dāng)然，白車身制造只是汽車生產(chǎn)的一個(gè)環(huán)節(jié)，假如我們把虛擬制造貫穿到從研發(fā)到生產(chǎn)的整個(gè)環(huán)節(jié)，它能給我們帶來多大的價(jià)值？以新車的設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試為例，虛擬仿真只需要兩年半就可以實(shí)現(xiàn)車身的研發(fā)和生產(chǎn)，而傳統(tǒng)的二維模式卻需要五年之久，這樣看來，虛擬制造能大大縮短研發(fā)周期。而且它是一個(gè)很好的工具，可以直接縮短本土汽車廠和國(guó)外汽車廠的差距。事實(shí)真的如此嗎？

三、無法跨越的虛擬世界

在參觀過國(guó)外優(yōu)秀的環(huán)境后，本土的汽車制造商們引進(jìn)了高效的仿真系統(tǒng)，真正的自主品牌似乎離我們不遠(yuǎn)了。然而，真正高效的仿真還沒有我們想得那么簡(jiǎn)單！超級(jí)計(jì)算機(jī)、華麗的墻體屏幕加上強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)雖然可以組建虛擬世界，但是卻無法保證完美的汽車模型，因?yàn)檫@并不是仿真研發(fā)的核心。真正的研發(fā)核心是必須通過不斷的重復(fù)模擬流程，持續(xù)地進(jìn)行改進(jìn)來積累汽車模型參數(shù)，從而獲取最優(yōu)制造模型參數(shù)。

因此，虛擬仿真軟件運(yùn)行的首要前提是要有運(yùn)行參數(shù)，仿真軟件的公司并不會(huì)提供運(yùn)行參數(shù)，國(guó)內(nèi)汽車生產(chǎn)商由于缺乏參數(shù)的積累，根本無法直接運(yùn)用軟件進(jìn)行開發(fā)。因此，雖然奇瑞和吉利等自主品牌企業(yè)自2000年來，不斷努力向數(shù)字化制造靠攏，然而在昂貴的仿真軟件面前，卻發(fā)現(xiàn)沒有適合的參數(shù)作為自主研發(fā)的輸入，所以無奈之下他們只能采用逆向研發(fā)來實(shí)現(xiàn)。

什么是逆向研發(fā)？逆向研發(fā)是相對(duì)于正向研發(fā)而言的研發(fā)模式，正向研發(fā)是先從事基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究取得參數(shù)，后進(jìn)行市場(chǎng)測(cè)試和產(chǎn)品推廣。而逆向研發(fā)正好相反，它通過先購買其他廠商的成熟車型，后通過拆解測(cè)量來獲得參數(shù)。如果我們?nèi)杂贸床说睦幼鞅扔鞯脑挘拖裆硖幖滓覂蓚€(gè)飯店的廚師A和廚師B，甲飯店廚師A做了一道很好的招牌菜，乙飯店應(yīng)市場(chǎng)需要，也要提供這樣的菜。可是廚師B不會(huì)，怎么辦？乙飯店派人去甲飯店買其現(xiàn)成的招牌菜，拿給廚師B做研究，得出其原料的構(gòu)成，估算其配方比例，然后做出類似的招牌菜。通過比較兩種研發(fā)模式（參見表5-2），逆向研發(fā)不但耗時(shí)少、投入低而且對(duì)市場(chǎng)的反應(yīng)也快，似乎非常適合國(guó)內(nèi)的汽車生產(chǎn)商。

事實(shí)上，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)商早已經(jīng)采取購買——分解——仿制的逆向研發(fā)模式。例如，長(zhǎng)城汽車開發(fā)精靈轎車時(shí)就模仿了菲亞特熊貓，他們?cè)谖猩虾Ｍ瑵?jì)同捷做新的同等定位設(shè)計(jì)的同時(shí)，用熊貓?jiān)蛙囎雠涮咨谈鞑考ヅ錅y(cè)試。另外，北京現(xiàn)代開發(fā)伊蘭特時(shí)，也模仿了起亞千里馬的外觀和參數(shù)，他們通過掃描儀把一些零件的形狀掃成數(shù)據(jù)，并且通過三維軟件畫出數(shù)模原型，然后開出模具才實(shí)現(xiàn)車型開發(fā)（參見表5-3）。

而最著名的當(dāng)屬2003年奇瑞QQ和通用Spark之間的故事，所有見過這兩款車型的人都承認(rèn)兩者極其相似，因此，更是鬧出了一場(chǎng)沸沸揚(yáng)揚(yáng)的奇瑞QQ外觀抄襲通用五菱Spark的侵權(quán)案件。姑且不論是否侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)，但從兩款車的外觀及基本參數(shù)對(duì)比，我們不難發(fā)現(xiàn)逆向工程的痕跡。

從歷史的角度來看，大小自主品牌的崛起都經(jīng)歷了逆向研發(fā)的過程，而且逆向研發(fā)的獲得數(shù)據(jù)可以直接輸入仿真系統(tǒng)，從而大大節(jié)省開發(fā)時(shí)間，對(duì)于在夾縫中生存的新生制造商而言無疑是一條捷徑。回顧40年前的日本，20年前的韓國(guó)，他們同樣是靠逆向研發(fā)的過程獲得了今天的成就，模仿也罷，抄襲也罷，問題是我們能否像日本韓國(guó)一樣，通過逆向研發(fā)積累大量的模型數(shù)據(jù)，為今后更高效的正向研發(fā)作準(zhǔn)備呢？

四、小結(jié)

通過以上的論述，我們看到世界汽車的研發(fā)已經(jīng)走進(jìn)了虛擬的世界。然而虛擬仿真平臺(tái)容易購買，高效的研發(fā)卻依然需要依靠自身所積累的扎實(shí)的數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)。逆向工程是一個(gè)良好的開端，它可以讓本土汽車制造商一步一步地進(jìn)行積累，但是我們不應(yīng)永遠(yuǎn)沉溺于逆向之夢(mèng)，汽車強(qiáng)國(guó)之路的最終目的還是需要一個(gè)從無到有的創(chuàng)造，那才是真正屬于我們的核心技術(shù)。