虚拟维修性设计与整车开发的一体化研究 鲁砚 关立忠（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海２０１８０４） 【摘要】 结合先期维修性设计的思路和控制流程，提出了虚拟维修性设计概念。通过虚拟维修设计的 应用，有利于解决在设计的前期阶段不易开展维修性分析评估工作的问题，提高维修性设计的效率和自动化程 度，节约了研发成本，缩短了开发周期。 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】 Ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａｓ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｒｏｃｅｓｓ，ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｅｒ— ｖｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｉｓ ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｅｒｖｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｃａｎ ｈｅｌｐ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｓｅｒｖｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ａｓｓｅｓｓｍｅｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｗｈｉｃｈ ａｒｅ ｎｏｔ ｅａｓｙ ｔｏ ｃａｒｒｙ ｏｕｔ ｉｎ ｔｈｅ ｅａｒｌｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｅｓｉｇｎ ｓｔａｇｅｓ．Ｕｓｅ ｔｈｅ ｖｉｒｔｕａｌ ｓｅｒｖｉｃｅａｂｉｌｉｔｙ ｄｅｓｉｇｎ ｉｄｅａ ａｎｄ ｍｅｔｈｏｄ ｗｅ ｃａｎ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ ｄｅｇｒｅｅ．Ｂｏｔｈ ｃａｎ ｓａｖｅ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｃｏｓｔｓ ａｎｄ ｓｈｏｒｔｅｎ ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐ— ｍｅｎｔ ｃｙｃｌｅ． 【关键词】 整车开发虚拟维修性设计 同步开发 ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００７－４５５４．２０１６．０６．１１ 的产品设计都会考虑得比较周全，唯独售后维修 ０ 引言 性设计往往是容易被忽略的。任何车辆投入市场 后必将进行定期的保养和必要时的维修活动，如 在整车开发过程中，设计团队要充分理解项 果设计之初维修性评估不充分，后期暴露出的问 目目标和工作范围，在计划时间内逐一分解整体 题往往要花巨大的成本来弥补，浪费开发费用，影 目标到各个子系统甚至到每一个零部件，整个团 响整车开发周期，甚至会产生很差的用户体验。 队都要充分考虑设计的可行性，主要从系统／零部 因此在整车概念设计阶段维修性设计的研究输 件的造型设计、功能设计、成本预算、质量控制、可 入，到设计数模基本成型，以及最后的设计冻结的 制造性设计、维修性设计等全方位考虑，确保给每 全过程中与整车同步开发进行维修性评估，是一 个系统／零部件的设计提供充分的设计输入和建 个必不可少的设计输入。 设性意见。从而保证产品从概念设计阶段到产品 投放市场的每一步都能够稳健进行，以保证最终 １ 维修性设计的基本要求 投放的车型是一款高品质的产品。 从设计经验来看，在这些输入当中，除了维修 维修性设计是指产品设计时，工程师应从维 性设计的研究，其他几项都属于正向输入，在初期 修的角度出发，保证产品出故障后，易识别、易拆 收稿日期：２０１６—０３—１４ ·４８· 上海汽车２０１６．０６ 解、易检修、易安装，即可维修度要高。维修度的 高低直接影响产品的维修工时、维修费用，及产品 的利用率和竞争力。维修性设计中应考虑的主要 问题有可达性、零组部件的标准化和互换性、涉及 尽可能少的技术和设备，付出尽可能小的成本和 代价，使其质量和性能恢复到设计水平。这样才 能满足经济型保养／维修的要求，真正做到客户价 值的最大化体现。维修性设计主要表现在以下几 个方面： （１）在维修操作中，不损坏相邻的零件，甚至 做到对其他不相关的零件干扰最小。 （２）替换零件和材料的成本低。 （３）用当前市场维修车问主流通用工具／设备 即可完成维修。 （４）无需对维修工人做过多的专业培训即可 胜任维修工作。 （５）故障易于准确定位和排查，并可以准确迅 速地确定故障问题并提供维修方案。 （６）维修方案设计优良，尤其是保养工作，要 易于进行，达到一般车主可自行进行操作的标准。 其中，关于维修工具的开发原则是尽量避免 过多使用专用工具。应保证尽量使用当前市场维 修车间主流通用工具／设备即可完成维修，对必须 满足的精度、工艺要求或提高维修效率要求，仅通 过普通工具不能完成时，可以考虑使用专用工具。 但新的专用工具开发必须首先研究其他车型已有 的工具的共用性，尽量减少工具的种类和数量。 ２ 先期维修性设计的设计思路及流 程控制 ２．１维修性设计的设计思路 整个产品设计要经历概念设计阶段、开发阶 段、产品成熟阶段。维修性的设计和检查就是要 根据零件本身的成熟度来同步进行的。 （１）在设计概念阶段，确认售后设计需求在工 程概念中体现。售后工程师将零部件的维修性设 计基本要求与产品工程师充分交流，确保及时将 维修性设计的需求给到产品工程师。设计概念确 定后，售后工程师可以基于表明零件在整车位置 上海汽车２０１６．０６ 上的基本外形和尺寸的数模进行初步评估，其他 不能直观地从零件数模上判断的要求，如控制器 类的诊断要求等，应该保证在发布设计要求或者 规范文档中都有所体现。 （２）在产品开发阶段，同步确认售后维修性设 计需求的可实现性。在零件的数模以及与周边零 件的匹配关系锁定后，进行一轮全面的维修性设 计检查，通过虚拟维修性评审来评估维修性是否 合理，这个节点是评估维修空间和维修步骤是否 合理的最佳时机。 （３）在产品成熟阶段，设计重点是零部件内部 的优化，所有设计数模都是面向正式模具和零件 制造的标准，从维修空间角度来讲，维修设计策略 已经完成。零件本身、控制器软件及诊断功能相 应的设计是本阶段跟踪的重点。 ２．２维修性设计的流程控制 产品的维修性是设计出来的，只有在产品设 计开发过程开展维修性设计与分析工作，才能将 维修性设计到产品中。维修性设计参与整车设计 的流程控制如图１所示。 ３ 虚拟维修设计在售后工程中的 应用 维修性检查从基于物理样机到基于数字样机 已经取得了相当大的进步，如果能将当前可达性、 可视性、可拆卸性虚拟分析进一步深入到维修过 程的建模和仿真工作，那将给售后工程工作带来 巨大的变革，如图２所示。 虚拟维修设计是以信息技术、仿真技术、虚拟 现实技术作为支持，在产品设计或维修方案实现 之前，就可以使人体会或感受到未来产品与维修 相关的性能以及产品未来维修过程的合理性，从 而做出前瞻性的决策与优化实施方案。此外，虚 拟维修技术还可以支持售后维修信息的展现形式 向动画仿真、人机交互等形式发展。因此，虚拟维 修设计理念在整车开发过程中都发挥着重要 作用。 ３．１虚拟维修设计在先期维修性设计中的应用 在产品设计初期阶段，引入的虚拟维修性设 ·４９· （二二 整革概念设计 工程可行性分析及 多方面设计需求平衡 否 人／是否符合＼＼ 一 —— 概念性数模发布 ． Ｉ……～ Ｉ ¨ ，ｘ１ｌＪ 否 最终零部件数模发布 维修设计方案开发 （二二整车维修性设计方案发布二 图１维修性设计控制流程 计概念主要是着眼于产品开发设计的，即把产品 维修过程的信息引入到产品维修性设计中，通过 虚拟维修过程仿真进行产品维修性的优化。这 样，使得产品在设计阶段就可以对所设计的零件 ·５Ｏ· 产品数字样￣ＣＡＤ／ＰＤＭ 维修知识库 维 虚拟维修设计 修 目 人体模型库 标 和 描 维修工具库 述 维修场景设施 图２虚拟维修设计售后工程中的应用 或整个产品进行维修性分析。 虚拟维修设计充分利用数字样机技术和虚拟 现实技术的优势，为维修性分析评估工作提供了 新的手段，是虚拟现实技术在工业设计领域的重 要应用之一。完整的虚拟维修设计系统应该包 括：维修目标和描述、人机交互界面、虚拟人体模 型、维修工具模型、维修场景、虚拟维修单元、基于 数字样机技术实现的维修对象、维修过程仿真模 型等。 虚拟维修设计的关键技术主要体现在：计算 机与机械制造等交叉学科的协调统一，硬件设备 与ＣＡＤ软件的集成，虚拟模型库建立，维修过程 的约束管理，人机交互手段，记录拆装过程中的视 点变换和零件位置方向定位等。 虚拟维修性概念用于先期维修性设计的优势 主要在于虚拟环境的灵活性，维修操作的可重复 性，功能的多样性、通用性和可扩展性。 ３．２虚拟维修设计对维修信息开发的帮助 有了前期维修性设计检查的基础，所有知识 积累和仿真动画都可以直接用在售后维修信息开 发当中，通过虚拟维修过程的记录、编辑，使维修 过程可以反复再现及优化，为实现三维电子手册 打下了基础，有助于实现电子手册和维修性设计 上海汽车２０１６．０６ 的同步完成。即在缩短开发周期的同时又可以改 善当前枯燥、不便于查询的文本＋配图的手册模 （５）不断收集客户喜好的用户体验，通过售后 维修方案的设计，在产品投放市场同时或整个生 式。加以开发友好的人机交互界面，维修工人／车 主只要通过点击三维立体整车模型中的故障部 件，即可展现： （１）操作前的准备工作和注意事项； （２）排故过程关键步骤提示； （３）三维拆装动画演示； （４）所用配件信息； （５）故障排查／更换零件后的注意事项。 这样的维修体验是维修人员所一直期待的。 ３．３虚拟维修设计在维修工人培训中的优势 虚拟维修设计用在相关维修人员的业务培训 中，可以节省相当一部分需要实车拆解、讲解所投 入的时间和费用。 ４ 未来维修设计方案的优化和发展 方向 （１）在当前逐步完善并灵活运用工具模型和 人体手部模型的基础上，完善虚拟维修设计系统， 确保虚拟分析的及时性和可靠性。 （２）根据售后千车故障率（ＩＰ１１Ｖ）研究易损件 的维修策略及售后配件替代方案，提高零件可靠 性的同时，通过优化维修性设计降低维修成本和 索赔费用。 （３）通过大数据分析，定位消费群体对售后加 装／改装需求比较频繁的系统，在整车设计时做好 预留。同时对车型年改款也提供了一些便利，进 而保证了产品投入市场的灵活性和及时Ｉ生。’ （４）售后维修性设计进一步发挥操作简易、省 时省力的潜力，开发用户界面更加人性化的诊断 工具、手机ＡＰＰ及简单易懂的操作指导说明，逐步 适应市场越来越多的车主自行保养及主机厂上门 服务的需求。 上海汽车２０１６．０６ 命周期内不断升级，持续丰富产品的亮点和卖点。 ５ 结语 维修性是产品的设计特性，对于汽车这类系 统工程类的设计尤为重要，必须在设计时给予输 入，实时与其他设计输入同步进行分析和评估工 作，并贯穿产品整个设计周期。 维修性设计在整车设计中已经被给予越来越 多的重视，但当前的维修性设计做得还不够深入， 大多数还停留在可达性、可视性、可拆卸性虚拟分 析的层面，若充分利用计算机ＣＡＤ技术、仿真技 术、虚拟现实技术，发挥虚拟现实技术的可视化和 交互处理复杂数据的能力以三维模型方式对设计 的维修性进行分析评估的优势，逐步形成集计算 机辅助维修性设计建模仿真于一体的虚拟维修设 计系统。 虚拟维修设计的应用，可以提高维修性设计 的效率和自动化程度，缩减设计成本和周期，尤其 有助于缓解总体设计阶段不易开展维修性分析评 估工作的情况。并可以渗透到后期维修信息开发 领域，对售后工程开发工作有着深远的影响意义。 参考文献 ［１］ 章国栋．系统可靠性与维修性分析与设计［Ｍ］．北京： 航空航天大学出版社，１９９０． ［２］ 陈璐，蔡建国．可维修性设计及其技术方法研究［Ｊ］． 机械设计与研究，２００２（１８）． ［３］王晓晨，杨健美．维修性设计评价技术研究［Ｊ］．中国 机械，２０１４（９）． ［４］ 周晨．基于并行工程的汽车可维修性设计［Ｊ］．江苏科 技信息，２０１２（７）． ［５］柳辉，郝建平．基于虚拟维修仿真的维修性分析系统设 计与实现［Ｊ］．系统仿真学报，２００６（１８）． ·５１·