近年来，我国新能源汽车行业取得了很大的发展，呈现出产销量大幅提高、电车渗透率跨越式提升等特点。无论是电池技术的迭代，还是智驾场景的落地应用，都实现了技术自主化突破。汽车产业全球化布局和产业链国际化，提升并带动 OEM 设备厂商和集成商的技术升级。新能源汽车行业与传统汽车行业相比，依旧保留了冲压、焊接、涂装、总装四大传统工艺，同时随着新型合金材料在车身的广泛应用，一体压铸成型技术在行业的覆盖度提高，部分新能源车厂的工艺段逐步表现出与传统燃油车的区别，尤其在总装工艺段呈现出生产节拍快、产线高柔性等特点。
因此，为了满足新能源车企客户的需求，我们在某新能源车厂项目中，从设计端到执行端使用了较为创新的技术并最终满足客户的需求。
一、技术、经济效益分析
技术场景价值
本文针对该项目总装工艺中某一段工艺场景进行分析和技术研讨。大部分新能源车企沿用传统汽车行业设计端的工具和工作流程。本项目首先对设计、仿真软件及工作流程进行了改善与优化，并实现了与虚拟调试平台的无缝衔接，同时，从机械执行端运用先进重载磁驱输送系统（简称 QSHT）对工艺段进行了深度革新，用以提高产线的节拍和柔性。
经济效益分析
在以往的项目中，设计人员往往需要使用不同的设计软件来解决不同的场景问题，缺乏一个集设计、仿真和虚拟调试于一体的统一平台作为设计集成架构，导致很多跨专业学科工程师花费更多时间进行问题描述和沟通。同时，工程师在面对多类型的设计软件时，由此产生的学习成本和熟练度不足带来的效率损失，也是项目在设计阶段的隐形成本。所以，为进一步提高工程师的工作效率，引入一体化设计仿真和虚拟调试平台是本次改善的核心内容。通过引入新型的车身输送系统——重载磁驱输送系统，除了提高产线节拍和柔性外，该系统免维护的产品特性，在使用过程中也可以为企业用户节约成本。
二、设计和虚拟调试场景说明
文中的场景选用国外某新能源车生产线工艺段为对象进行场景落地，该场景是一个典型的车身装配线项目。
软件和硬件配备
表 1 软硬件配置
系统框架说明
如图 1 所示，本次设计和仿真端的场景通过虚实结合的方式进行。其中，总控 PLC 和重载磁驱输送系统的控制器采用实物接入，其余 Virtual commissioning（简称 VC）场景中的设备和传感器均采用虚拟组件搭建。仿真和虚拟调试平台主要依托 Emulate3D®（简称 E3D）进行。同时，HMI 侧依托 Optix 实现数据展示和操作控制，机械臂的虚拟调试通过依托 E3D 自带的 Plug In 插件和 Robot guide 实现无缝衔接，控制虚拟场景中的机械臂进行调试。虚拟场景中现实控制系统的架构如图 2 所示。
图 1 总控 PLC 控制架构
图 2 系统架构
三、实施阶段说明
项目痛点
BIM 技术主要应用于汽车工厂规划设计阶段，包括前期规划阶段的 BIM 仿真、土建及公用方案设计、管线综合分析、绿色节能分析及现场施工指导，但在工艺设计和虚拟调试阶段，通常采用专业的机械软件和仿真软件，这便带来了一系列问题，如图档格式的兼容性，以及隐形的图形轻量化问题等。
虚拟调试阶段为避免出现模型运行与外部控制数据不同步的情况，通常会在有限电脑机能的情况下保持场景 100% 倍速运行，从而避免仿真或虚拟调试结果误差过大导致其失去参考意义。另外现实控制系统中存在大量的传感器和安全设备，对于在虚拟环境中复刻这些模型存在一定工作量和难度，机械臂控制程序和生产工艺的匹配，产线节拍和主控 PLC 逻辑程序的匹配，重载磁驱输送系统在虚拟环境中如何进行节拍和柔性测试的工艺验证，这些场景都需要在有限的时间内，在虚拟环境中完成测试和验证。
CAD 模型数据接口
本次项目工艺段的设计、仿真、虚拟调试主平台选用 Emulate3D (V18.00 版本)，V18 版本 E3D 支持最新的Plug In图形插件系统。本项目中 CAD 主要涉及 Revit 和 Inventor 所示 CAD 模型架构（如图 3/4/5）在模型传输过程中保留模型树的层级架构，同时进行模型面数的优化，在图形不失真的情况下做到轻量化。
图 3 E3D 支持最新的 Plug In 图形插件系统
图 4 Revit 和 Inventor 通过 Plug In 导入 E3D 的部分模型组件
图 5 Revit 和Inventor 中的 E3D Plug In
数据接口说明
工艺阶段仿真和虚拟调试阶段，存在大量安全硬件和虚拟传感器的仿真，所以在设计阶段提前搭建好虚拟硬件，会提高虚拟调试过程的效率。E3D 自带虚拟传感器和硬件的组件库有助于快速建模和搭建逻辑，同时软件支持导入各种类型的外部控制硬件和控制逻辑（如图 6）。
图 6 E3D 自带虚拟传感器和硬件组件库
虚拟调试阶段采用罗克韦尔的 PLC Emulation 仿真器 Echo 接入 E3D 中。Fanuc 作为场景中机械臂的主要使用品牌，在没有实体机械臂控制器的情况下，RobotGuide 通过连接 E3D 的 Plug In 插件进行联调来实现（如图 7）。
图 7 虚拟调试
重载磁驱输送系统在仿真阶段对其工艺匹配节拍和效率验证，通过 E3D 自带的组件库和 QuickLogic 二次开发编程，可在不依赖外部系统的情况下独立完成（如图 8），在虚拟调试时切换到 Emulation 模式，通过仿真器 Echo（为了节约时间和硬件成本）可以实现测试程序 1:1 的验证。
图 8 E3D 仿真
HMI 软件作为数据展示和操作主体，本次采用 Optix，直接参与虚拟调试阶段和主控 PLC 进行通讯。
虚拟调试场景
为了提高模型运行的流畅度和展示效果，虚拟调试场景运用了 E3D 内置的 Unreal 引擎。V18 版本的 E3D 支持 Unreal 引擎，为了测试其实际性能，我们通过在同一台电脑在传统引擎和 Unreal 引擎模式下，运行同一个仿真细节较高且流程复杂的组装生产线模型并收集实验数据并进行对比，如图 9(a) 和 9(b) 所示，最终得出结论：
Unreal 引擎在模型运行的帧数可以做到 60 帧；运行倍速可以做到 1:1，其性能远胜于传统引擎
提高了 GPU 资源的利用率，降低了主线对于画面生成和渲染的资源消耗
更加逼真的动画效果（支持光追）
(a) 传统引擎
(b) Unreal 引擎
图 9 不同引擎模式下的仿真效果
四、调试过程说明
远程异地实现虚拟调试
由于空间所限，参与本次项目的电控测试人员和机械臂编程工程师均身处异地，因此在办公室分别同时接入进行远程虚拟调试，如图 10 所示。
图 10 远程虚拟调试
调试分为两个阶段：第一阶段主要在 E3D 的虚拟环境中通过 Echo 进行主控 PLC 和重载磁驱输送系统的控制匹配，待匹配稳定后开始测试产线的节拍和产能，为了进一步测试控制逻辑的稳定性和产线布局的合理性，会通过 E3D 和 Echo 的倍速运行功能，即以 50 倍速模拟 15 天的运行状况，系统架构如图 11 所示。
图 11 虚拟调试第一阶段系统架构图
第二阶段，将验证节拍和产能后的程序从 Echo 下载到 PLC （1786-L83SE）并连接到 E3D 的虚拟环境中，并通过 Robot guide 映射到虚拟环境中的 Fanuc 机械臂并进行虚拟调试，同时测试并优化 Optix 的 HMI 界面和控制交互系统。系统架构如图 12(a) 和 12(b)。
(a)
(b)
图 12 虚拟调试第二阶段系统架构图
现场阶段调试
在虚拟环境内完成产线总控逻辑、节拍以及机械臂控制程序的验证，且所有虚拟调试的结果均达到项目预期目标后，开始进行现场的实物并线联调。该阶段所有测试基本采用实物进行测试，对虚拟调试阶段的程序进行最终的优化。并快速完成项目现场调试。实施现场，重载磁驱输送系统的空载状态及运行状态分别如图 13(a) 和 13(b) 所示，图 14 为现场电气控制柜。
(a) 空载状态
(b) 运行状态
图 13 重载磁驱输送系统（部分场景）
图 14 现场电气控制柜
五、总结
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