虛擬調試在新能源汽車驅動系統(tǒng)制造中的應用與發(fā)展趨勢

摘 要：為了縮短項目周期，提高產(chǎn)品上市速度，虛擬調試技術在新能源汽車驅動系統(tǒng)制造中得到了廣泛應用。虛擬調試技術通過在仿真軟件和虛擬調試環(huán)境中提前對目標設備進行調試和優(yōu)化，有效減少了機電設計缺陷和現(xiàn)場調試周期。文章介紹了虛擬調試的概念、流程及其在新能源汽車驅動系統(tǒng)中的應用案例，探討了機器人離線編程、數(shù)控機床虛擬調試和非標自動化設備虛擬調試的優(yōu)勢及收益。同時文章還分析了虛擬調試的難點，探討了未來發(fā)展趨勢，如AI驅動的自動化調試、云邊協(xié)同和行業(yè)生態(tài)建設。

關鍵詞：驅動系統(tǒng) 虛擬機床 虛擬調試 汽車制造 提質增效

新能源汽車驅動系統(tǒng)生產(chǎn)線設備緊湊，工藝復雜，制造方式以傳統(tǒng)的基于真實樣機的研發(fā)、制造組織形式為主，設計出現(xiàn)的問題往往在實物樣機調試階段才會發(fā)現(xiàn)。機電設計要經(jīng)過多次優(yōu)化，改進生產(chǎn)制造工藝才能最終穩(wěn)定運行，這種模式不僅導致研發(fā)周期長、設計變更多、制造成本高，還會造成管理難度大，成本不容易控制等管理問題[1]。

為了解決這些難題，虛擬調試技術應運而生。本文將結合上汽通用動力科技在新能源驅動系統(tǒng)制造中虛擬調試技術的應用實踐和創(chuàng)新，介紹虛擬調試技術在新能源驅動系統(tǒng)生產(chǎn)線的技術架構和典型應用案例，探究虛擬調試在項目安全、程序質量、調試周期和項目成本方面的應用價值，同時結合當前的主要發(fā)現(xiàn)，探討虛擬調試技術的未來發(fā)展方向，提出一些想法和建議。

1 虛擬調試技術概述

1.1 虛擬調試的概念

虛擬調試是在一個由仿真軟件和虛擬調試軟件構建的虛擬環(huán)境中對目標設備進行仿真、調試和優(yōu)化的過程。在這個虛擬環(huán)境中我們可以驗證設備運動部件的執(zhí)行情況，圖形化示教、測試和優(yōu)化機器人程序，可靠地測試PLC的安全、報警邏輯。虛擬調試有三種方式[2]，分別是軟件在環(huán)模式、硬件在環(huán)模式和混合模式，軟件在環(huán)模式所有調試均在軟件中進行，靈活成本低，硬件在環(huán)模式程序都運行在實物硬件中，仿真調試結果可靠但成本高，混合模式介于兩者之間。

1.2 虛擬調試的流程

傳統(tǒng)設備開發(fā)流程是順序執(zhí)行的，完成需求分析后依次進行機械、電氣和自動化設計。等待零部件生產(chǎn)制造采購完成后開始裝配，裝配完成后進行調試，調試階段發(fā)現(xiàn)設計缺陷往往會導致巨大的時間和成本損失。

應用虛擬調試的設備開發(fā)流程則是在完成需求分析后，同時開始機械、電氣和自動化的設計，在設備尚未開始制造時就在虛擬環(huán)境中對其進行調試，得益于虛擬環(huán)境的靈活性，可以快速高效地完成調試工作，提前驗證設計的正確性，有效避免設備安裝階段的返工問題。通過在工作流程上的優(yōu)化和增效，虛擬調試可有效地節(jié)約項目周期[3]。

2 虛擬調試在新能源汽車驅動系統(tǒng)制造中的應用及收益

新能源驅動系統(tǒng)生產(chǎn)線的主要產(chǎn)品是動力電池與電驅電機，加工工藝主要包含機加工，搬運，涂膠，焊接和裝配。生產(chǎn)線主要由兩類設備組成，一類是高精度數(shù)控加工中心，另一類是非標自動化設備。圍繞這兩類設備以及相關加工工藝，上汽通用動力科技構建了新能源驅動系統(tǒng)生產(chǎn)線中應用的虛擬調試技術架構，覆蓋相關設備的虛擬調試。

2.1 機器人離線編程

新能源驅動系統(tǒng)生產(chǎn)線離不開工業(yè)機器人。傳統(tǒng)機器人調試方式是在現(xiàn)場設備機械安裝完成后，由機器人工程師使用手持示教器進行軌跡示教，這種方式效率不高，面對動力電池涂膠這類復雜連續(xù)軌跡時，人工示教編程耗時顯著增加，且軌跡精度難以滿足工藝要求?，F(xiàn)場示教需要操作者近距離觀察運動部件，存在安全風險。

通過應用虛擬調試，借助西門子Process Simulate軟件，構建虛擬設備，在虛擬環(huán)境中進行安全無風險的機器人離線示教，面對復雜連續(xù)軌跡，只需標記特征點位或導入理論軌跡，軟件即可自動生成連續(xù)軌跡。對軌跡進行仿真驗證無誤后，將軌跡導出為機器人程序可直接使用的機器人程序。經(jīng)過實際驗證，機器人離線編程相比傳統(tǒng)人工示教，可提升70%的機器人調試效率，同時能降低50%的調試物料需求，提升軌跡質量，優(yōu)化機器人運行節(jié)拍。

2.2 數(shù)控機床虛擬調試

數(shù)控機床的虛擬調試包含兩部分內容，一是用于產(chǎn)品加工的NC程序虛擬調試，二是用于機床本身功能控制的PLC和NC程序虛擬調試。在實物機床上進行程序調試和驗證，會占用寶貴的機床開動時間，調試過程萬一發(fā)生碰撞事故，會導致巨大經(jīng)濟損失。借助虛擬機床在虛擬環(huán)境中進行程序虛擬調試是解決這一痛點的有效方法，高成熟度的虛擬機床能夠支持多學科、多領域的協(xié)同設計和仿真[4] ，傳統(tǒng)的數(shù)控機床仿真軟件，如Vericut，可提供三維虛擬環(huán)境，對刀具加工路徑進行仿真，但其沒有內置專用數(shù)控系統(tǒng)仿真內核和PLC仿真內核，無法100%還原真實設備的運行工況，仿真后的程序因缺少實物機床的特殊功能也需經(jīng)過專門后處理才能在實物機床上使用，增加了虛擬調試應用的難度。

為了實現(xiàn)與實物機床一致的調試效果，上汽通用動力科技采用西門子CMVM（Create My Virtual Machine）軟件構建與實物機床行為一致的虛擬機床。CMVM軟件內置了西門子數(shù)控系統(tǒng)內核和PLC內核，允許用戶通過與實物機床一致的參數(shù)和程序在虛擬環(huán)境中構建、測試和調試虛擬機床。圖2展示的即基于CMVM開發(fā)的虛擬機床，左半部分為與實物機床完全一致的HMI界面，右側為與實物機床一致的三維模型，實時展示機床各軸運行狀態(tài)，方便用戶動態(tài)觀察程序執(zhí)行過程。相比實物機床調試，程序調試效率提升60%，無需占用設備開動時間，碰撞風險降低為零，調試完成的程序在實物機床上可直接使用。

2.3 非標自動化設備的虛擬調試

非標自動化設備是新能源驅動系統(tǒng)生產(chǎn)線的主要組成設備，對于這類設備，傳統(tǒng)的虛擬調試會使用虛擬調試軟件，如西門子Process Simulate構建設備或生產(chǎn)線的虛擬環(huán)境，并在軟件中定義其行為模型和交互信號。復雜的行為模型和龐大的三維場景會嚴重拖慢虛擬環(huán)境的運行速度，影響虛擬調試的效率。此外受功能限制，當面對伺服等具備第三方控制器的虛擬調試應用時，無法在虛擬環(huán)境中構建與實物一致的行為模型，導致虛擬調試的程序無法直接在現(xiàn)場使用，降低了虛擬調試的應用價值。

為了解決這些問題，上汽通用動力科技在項目中應用了如圖3所示的行為模型與三維模型解耦的虛擬調試架構。與傳統(tǒng)的虛擬調試架構相比，該架構使用了第三方行為模型仿真軟件WinMOD來充當數(shù)據(jù)交換橋梁，借助WinMOD強大的數(shù)據(jù)連接能力，使用Process Simulate構建的虛擬設備可以無縫地與PLC和機器人仿真軟件進行與實際情況一致的I/O數(shù)據(jù)交換。此外WinMOD內置了強大的行為模型仿真能力，用戶可以基于標準庫或自開發(fā)庫，構建伺服，變頻器，RFID，相機等與設備中第三方控制器行為一致的行為模型，實現(xiàn)完整的程序虛擬調試。調試完成的程序可直接真實設備上直接使用。相比于傳統(tǒng)調試，非標設備的虛擬調試提升現(xiàn)場PLC調試效率提升50%，還可以安全無風險地在項目早期發(fā)現(xiàn)幾點設計問題，降低調試成本，充分的虛擬驗證可以進一步提升程序質量。

3 虛擬調試應用的難點與思考

虛擬調試在項目安全、程序質量、調試周期和項目成本方面有顯著的收益和價值，但在應用過程中我們發(fā)現(xiàn)存在許多難點，成功克服這些難點成為虛擬調試應用收益的關鍵。

3.1 跨學科知識儲備

虛擬調試融合了加工工藝、機械設計、電氣設計、自動化控制、機器人應用等諸多學科知識，應用開發(fā)人員需要熟練掌握如Process Simulate等虛擬調試軟件的使用，學習成本高。要在機電設計完成到現(xiàn)場設備安裝完成這個時間段內，完成虛擬環(huán)境的搭建和程序的調試工作，對虛擬調試的開發(fā)流程完善程度和團隊的默契配合程度有著極大挑戰(zhàn)。

3.2 數(shù)據(jù)互通互聯(lián)

復雜設備會同時連接多種類型的系統(tǒng)，如相機，RFID，機器人，伺服系統(tǒng)，MES，APS等。因通信協(xié)議或軟件限制，虛擬環(huán)境中這些系統(tǒng)及數(shù)據(jù)的互通互聯(lián)面臨較大的挑戰(zhàn)。虛擬環(huán)境中數(shù)據(jù)的完整性決定了虛擬調試程序的覆蓋率，決定了最終調試完成的程序是否能夠在現(xiàn)場直接使用。如何確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性是有效降低現(xiàn)場調試時間的關鍵。

3.3 復雜場景的性能優(yōu)化

當虛擬調試維度從單機發(fā)展到整線，即便采用三維環(huán)境與行為模型解耦的技術方案，也難以保證產(chǎn)線級復雜場景的流暢運行。采用將生產(chǎn)線拆分，在多個虛擬環(huán)境下使用虛擬工位組建虛擬生產(chǎn)線的方法可以滿足復雜整線的虛擬調試，但由此造成的架構復雜性提升和軟硬件投入增加也是無法回避的難題。

3.4 業(yè)務流程融合

虛擬調試推動了串行設備開發(fā)到并行設備開發(fā)的流程改變，這種變化會對原有開發(fā)流程中階段性交付物，如傳感器布置圖，時序圖，電氣原理圖等，提出更精確更快速的要求。業(yè)務流程以及業(yè)務能力層面是否能支撐這種改變對項目團隊來說是一個挑戰(zhàn)。

4 未來發(fā)展方向

隨著數(shù)字技術，AI以及算力的不斷發(fā)展，虛擬調試必將融合更多的前沿技術，朝著更高效，更經(jīng)濟，更智能的方向發(fā)展。

4.1 AI驅動的自動化調試

在虛擬環(huán)境中進行機器人離線編程，相比現(xiàn)場示教雖然已顯著提升了機器人編程效率，但面對復雜多機器人協(xié)作的場景，仍需花費大量時間來優(yōu)化程序路徑。隨著AI技術的不斷發(fā)展，借助AI生成軌跡完成自動化調試將有越來越多的嘗試和應用。Valiant TMS與Realtime Robotics合作[5]，通過快速生成和測試數(shù)十萬個潛在的機器人路徑，基于目標序列、機器人可達范圍等參數(shù)，確定最佳的運動序列，自動化完成機器人程序的最優(yōu)調試，顯著提升調試效率。

4.2 云邊協(xié)同虛擬調試平臺

虛擬調試開始前需要花費大量時間和精力搭建虛擬調試軟硬件平臺，與遠程團隊的協(xié)同開發(fā)困難。Process Simulate Collaborate 是西門子推出的基于云的3D協(xié)作工具[6]，通過云端協(xié)作。用戶可上傳工程文件到云端集中管理，確保數(shù)據(jù)準確一致。團隊成員無需安裝應用程序，直接通過專屬鏈接實時參與虛擬調試，進行交流討論，提升協(xié)作工作效率以及敏感數(shù)據(jù)的安全性。

4.3 標準化接口與行業(yè)生態(tài)建設

越來越多的元器件供應商開始提供標準化的程序接口或者仿真軟件，方便用戶在虛擬環(huán)境中快速集成和應用。比如西門子在Process Simulate虛擬調試軟件中集成了基于云端的機器人庫，實現(xiàn)了機器人在虛擬環(huán)境中的開箱即用。將來隨著生態(tài)建設的不斷完善，用戶在構建設備的虛擬環(huán)境時，只需導入相應的元器件模型，連接信號即可開始虛擬調試，無須進行復雜的運動學和行為模型定義，這將極大降低虛擬調試應用門檻，提升虛擬環(huán)境的構建效率。

5 結論

虛擬調試技術提升了新能源汽車驅動系統(tǒng)生產(chǎn)線的開發(fā)實施效率。其在機器人離線編程、數(shù)控機床調試和非標自動化設備調試中的應用，顯著降低了調試過程中的安全風險，極大提升了PLC程序和機器人程序的調試效率，減少現(xiàn)場調試的時間和成本，提前發(fā)現(xiàn)機電設計問題，提升設備及生產(chǎn)線的設計質量。然而，虛擬調試在應用過程中也面臨一些困難和挑戰(zhàn)，包括跨學科知識的整合、數(shù)據(jù)互通互聯(lián)、場景性能優(yōu)化以及應用虛擬調試后的業(yè)務流程融合與再造。未來，隨著AI以及云平臺等前沿技術的不斷融合，虛擬調試技術將向著更高效、更智能、更經(jīng)濟的方向發(fā)展，通過推動行業(yè)標準和軟硬件生態(tài)建設，進一步降低虛擬調試應用門檻，助力用戶降本增效，促進新能源汽車行業(yè)的快速發(fā)展。

參考文獻：

[1]李琳利，李浩，顧復，等.基于數(shù)字孿生的復雜機械產(chǎn)品多學科協(xié)同設計建模技術[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019，25（6）：5-17.

[2]Adrian D， Laurentiu N， Nicolae P. VIRTUAL COMMISSIONING AS A FINAL STEP IN DIGITAL VALIDATION OF THE ROBOTIC MANUFACTURING SYSTEMS[J].Proceedings in Manufacturing Systems， 2014，9（4）：215-220.

[3]陳明鑫，孔慶玲.虛擬調試技術在汽車焊裝線上的應用[J].汽車工藝與材料，2019（7）：19-21.

[4]李浩，陶飛，王昊琪，等.基于數(shù)字孿生的復雜產(chǎn)品設計制造一體化開發(fā)框架與關鍵技術[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2019，25（6）：1320-1336.

[5]Realtime ROBOTICS.Valiant TMS and Realtime Robotics Partner to Reduce a Customer’s Cycle Time by 17% and Cut Programming Time in Half[Z].

[6]Process Simulate Collaborate[EB/OL].https：//plm.sw.siemens.com/en-US/tecnomatix/products/process-simulate-collaborate/.