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虛擬實境和3D掃描:Audi e-tron GT的數位規劃生產

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VIRTUAL REALITY AND 3D SCANS: DIGITALLY PLANNED PRODUCTION OF THE AUDI E-TRON GT

虛擬實境和 3D 掃描:Audi e-tron GT 的數位規劃生產

Audi e-tron GT 是 Audi 四環品牌旗下第一個在生產規劃過程當中完全沒有使用實體原型的車款。這要歸功於多項技術創新,包括 3D 建模掃描、機器學習過程以及虛擬實境的使用。 所有組裝過程,包括程序和員工行動都在精確對應真實世界的虛擬環境當中進行測試和優化。現在,虛擬規劃已經超越了個別工廠的界線,可實現數位化的聯網作業,而無需人員出差或派駐國外工作,而且此作法不僅限於冠狀病毒大流行期間。3D 掃描和虛擬空間規劃使製程更加高效,也更具永續性。
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虛擬規劃用於何處?為什麼 3D 掃描如此重要?

過往在推出新車款的傳統生產規劃過程中,都會使用到各種原型。Audi 在規劃的初期階段就會用手工製作的組件製作出一次性使用的模型。這是一項費時且成本高昂的浩大工程。裝配規劃使用這些原型來定義和優化後續的生產流程。員工的任務是什麼?零件必須要放在哪個位置才能最方便員工使用?員工可以自己拿好並安裝零件嗎?他需要如何移動才能夠進行裝配工作?還有其他零件嗎?他需要什麼工具?在 Audi e-tron GT 的生產規劃中,這些問題是在虛擬世界中產生並回答的。每個步驟和每個動作都使用虛擬實境在數位空間中進行了測試。虛擬規劃的目標是確保在車輛的後續生產過程中,所有流程都完美地整合,並且會根據生產線的各個週期進行妥善的協調安排。這會要求生產車間的每個細節都必須精確建模並按比例繪製。這就是 3D 掃描發揮作用的地方。他們使用特殊的軟硬體來創建實體生產設施的虛擬複製品,包括所有設備,工具和貨架。

Audi e-tron GT 的生產地點是位於 Neckarsulm 廠內的 Audi BöllingerHöfe,因此也已經達到了數位化的境界。 由於採用了新的數位規劃方法,因此可以透過此模型幾乎提早數年規劃未來的生產活動。

3D 掃描如何運作?人工智慧又扮演何種角色?

作為硬體的掃描機對產生對應數據至關重要。它高約 2 公尺( 6.6 英尺 ),安裝在四個輪子上,以便員工可以在工廠內進行移動。其頂部是一具光達( 光偵測和測距 )、三台額外的雷射掃描器以及一台攝影機。掃描空間時,還會同時進行兩項工作:廣角相機拍攝空間圖片,而雷射精確地對其進行測量,並生成周圍環境的 3D 點雲。Neckarsulm 工廠的 250,000 平方公尺( 2,690,977.6 平方英尺 )空間已經透過此技術完全掃描過。但是,硬體和軟體之間的互動會將產出的點,圖像和數據集轉變為可搭配現有規劃系統一起使用的可用整體圖像。這裡使用的軟體是基於人工智慧和機器學習的 Audi 內部開發軟體。點雲和照片會被組合在一起,產生了一個 3D 逼真的空間,其類似於在 Google 街景視圖中看到的空間。比例和大小是按真實比例繪製的,並且對應現實情況。該軟體還可以自動識別空間中的所有物體,例如機器,貨架和系統。

它還會在每次掃描時自動學習,以更加精確地識別、區分和分類物件。 例如,系統會區分貨架和鋼樑。貨架的位置可以稍後在程式中更改,然後重新放置在虛擬空間中。鋼樑就無法如此更改。這些數據讓人可從任何起點透過虛擬方式瀏覽已掃描的生產設施,並可直接用於規劃排程。
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具有虛擬實境功能的虛擬規劃已用於何處,它提供了哪些優勢?

Audi e-tron GT 是品牌旗下首個裝配程序和相關的物流流程僅經過虛擬測試,沒有任何實體原型的車款。

Audi 為此準備了所謂的數位模型,其包括規劃組裝的虛擬模型以及車輛數據、物料搬運、設備、工具和計劃過程等相關資訊。3D 掃描也是其中的一個元素。正如 Audi 負責虛擬裝配規劃的 Andrés Kohler 解釋的一樣,數位模型是進一步創新的基礎。「 借助 Audi 開發的 VR 解決方案和數位模型,來自世界各地的同事現在可以在虛擬空間中開會,並且找到自己在未來的生產設施中的位置。在執行計劃的流程時,他們可以監看數位工作者的作業狀況。還可以體驗和優化我們應用程式中任何零件種類的計劃流程。」然後,其結果也可以透過 VR 應用程式來培訓員工。這些新的可能性現在正運用於越來越多的其他專案和多個站點當中。例如,在墨西哥 San José Chiapa 市的 Audi 工廠舉行了 3P 研討會( 3P = 生產、準備、流程 ),來自 Ingolstadt 的專案成員也參加了會議。透過數位替身的虛擬方式,專家們透過虛擬實境討論與規劃了 Audi Q5 小改款和新 Q5 Sportback 的生產細節。

所有裝配程序都可以即時共同定義和測試,包括人體工學的規劃或裝配線沿線的機器、貨架和零件的準確佈置也不例外。Audi 是負責開發包括數位模型在內的全方位 VR 解決方案的集團負責單位。在 Audi 的帶領下,這個集團計畫跨越了旗下各個品牌,並推廣到越來越多的工廠站點。
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不只是建物和排程:虛擬貨櫃規劃如何運作?

虛擬規劃不僅限於流程和工作程序。諸如用於運輸和存儲敏感零件的貨櫃( 稱為特殊裝載貨櫃 )之類的物件也可以用此技術進行規劃。這些裝載 Audi e-tron GT 當中特殊敏感零件( 例如,電子模組或內部零件 )的貨櫃是使用 Audi 的跨站點和跨部門虛擬實境應用程式,而非以鋼或鐵製成的多個實體原型來進行規劃的。虛擬容器計劃的工作原理如下:由於所有零件都有其所屬的資料集,因此這些資料集可以直接上傳至 VR 應用程式中按比例縮放。就像在 3P 研討會中一樣,來自不同站點的多名員工會在一個虛擬空間中會面,他們會使用零件來檢查完美且量身定制的裝載貨櫃。來自物流、裝配規劃、職業安全、品質保證,原料流動規劃的員工以及供應商都參與了此過程。他們使用數位筆在虛擬貨櫃上標記其更改。在此過程中,貨櫃會被裝卸、移動和測量。

零件在運輸過程中的最佳安全性是該計劃的目標之一。 但是,員工或機器人也必須能夠輕鬆抓住零件並將其從運輸載具中取出。 一旦完成虛擬設計,就可以簡單地匯出數據並製造特殊的運輸載具。

是什麼使虛擬規劃能夠做到永續性和生態保護?

有時少即是多。 因此,有三點可以使虛擬規劃具有永續性:

更少的資源:沒有實體原型的 Audi e-tron GT 虛擬規劃不僅節省了時間,而且節省了材料,從而節省了資源。特殊的運輸載具和虛擬貨櫃規劃也是如此:用鋼鐵製造原型需要耗費資源和能源。在許多情況下,虛擬計劃可以省略此步驟。

更少的浪費:敏感零件通常使用訂製的保護襯裡,透過通用載具運輸,而非使用特殊的運輸載具。但是,這種保護性襯裡往往只能單次使用,而使用客製化貨櫃也會耗費多餘的成本。虛擬規劃因此直接減少了浪費。

更少的出差:永續性和環境保護是主要目標。但是在冠狀病毒大流行期間,出於健康原因,也應盡可能減少商務旅的次數。虛擬規劃對這點做出了顯著的貢獻。過往需要召開實體會議的流程現在都可以在虛擬空間中進行。
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虛擬規劃帶來了什麼樣的未來前景?

數位模型是在虛擬空間中進一步創造可能性的基礎。如果將虛擬規劃的可能性( 包括數位模型、3D 掃描和虛擬實境應用程式 )與 3D 列印相結合,則將來也可以在混合實境中進行 3P 研討會。然後,僅需少量資源即可透過 3D 列印機立即生產單一零件。如此一來,我們就可以對虛擬空間中的各個元素進行物理測試,例如評估零件的觸感和重量。這是結合實體和虛擬兩者優勢的關鍵步驟。透過虛擬世界中的替身進行的虛擬會議和協作可以逐漸取代海外出差和較長的商務旅行。今天,3D 掃描儀創建的空間已經可以被用於數位室內導航。使用擴增實境技術就可以規劃空間中機器和設備的位置,精準程度直到以公分為單位。