基于DELM IA的某科研航空產品部件的裝配工藝仿真

彭志翔，李明章，高 祥，鞠新星

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

盡管現代自動化技術突飛猛進，但人工提舉作業在航空制造中仍較為普遍，特別是在產品科研各階段的裝配作業中。因為航空產品轉批產前涉及多個科研階段，每個階段的產品均為小批量，且由于設計不合理、零部件制造工藝經驗不足等原因導致的問題通常集中暴露在此階段，導致實際作業無法形成節拍，不適合建立自動化生產線實現流水化作業。而靈活的人工提舉作業方式有較強的適應能力，更能滿足科研各階段航空產品裝配作業的需求。目前，產品的裝配工藝策劃工作主要還是依靠工程經驗為主，未借助現代化人機工程CAD系統 （Computer Aided Ergonomics Design System）開展系統的、全面的、科學的裝配工藝策劃工作。同時，由于產品技術狀態未固化，工藝人員、作業人員未積累足夠針對新產品的經驗，作業人員常常缺乏詳細的、切實可行的作業指導，導致作業過程中可能發生因視野、姿態不適、負荷過大等原因造成的事故。

同時，作業人員提舉作業不當容易引起下背痛、肌肉骨骼等疾病。據有關資料顯示，馬來西亞制造業中每10萬名工人就有 3.5人患有肌肉骨骼疾病[1]。德國、美國等每年治療下背痛疾病的醫療成本均在百億美元以上[2]。而我國近年來制造業高速發展，勞動者平均文化程度、自我保護意識等都有了顯著的提升，勞動者越來越關注職業健康問題。而長期以來勞動保護力度薄弱積累下來的職業病隱患已進入高發期和矛盾凸顯期[3]。

因此，裝配工藝策劃人員有必要在工藝策劃階段，利用人機工程CAD系統提前對工作環境中人體操作空間、操作姿態、操作強度進行工效學分析評價，并針對評價結果進行設計方案和工藝方案的調整及優化。

1 人機工程CAD系統

人機工程CAD系統是指由計算機硬件和能協助人進行人機工程設計的軟件共同構成，并通過研究人在某種工作環境中的解剖學、生理學和心理學等方面的各種因素，分析人和機器及環境的相互作用，對人員的工作效率、健康、安全和舒適等問題進行評價的系統[4]。

目前，人機工程CAD系統已經可以流暢的在PC上運行，并降低了售價，實現了桌面化，為其在制造業的普及鋪平了道路[4]。

一般來說，人機工程CAD系統已包含人機工程設計的基本理論、方法、常用資源（人體尺寸數據、肢體活動范圍、視覺、聽覺、體力特性等），并可以嵌入數字設計流程中，提高協同設計效率[4]。當前，世界上功能較完善、應用較廣的人機工程CAD系統有SAMMIE、JACK、SAFEWORK、RAMSIS、UG NX、DELMIA。

除美國通用公司外，大多數汽車公司及美國波音、歐洲空客等飛機公司都采用法國著名軍用飛機制造公司Dassault開發的CAD/CAE/CAM軟件作為骨干建模、仿真分析的平臺。本文基于Dassault公司開發的DELMIA系統，并以某科研階段航空產品DXT艙裝配作業過程為研究對象，進行裝配工序仿真和人機工效分析、評價及優化工作。

2 創建中國人體模型

2.1 DELMIA人體模型庫的分析

DELMIA尚未建立中國大陸人的人體模型庫，只提供了美國、加拿大、法國、日本、韓國、德國以及中國臺灣地區的人體模型庫。不同種族、地域的人體尺寸相差較大，無法通用[4]，故為保證人機工效仿真評價的有效性，有必要建立中國人體模型。通過對DELMIA人體模型庫的研究、分析可知：

1）仿真系統對人體模型共定義了255個變量，其中HME （Human Measurements Editor）模塊Variable list定義了103個直接變量。

2）一個人群的人體模型文件 （擴展名為“.sws”）最多包含四個文件段，分別為人體尺寸均值和標準差文件段（MEAN_STDEV）男、女性各一，人體尺寸變量間相關性的文件段（CORR）男、女性各一。

3）一般來說顯性變量是需要在人體模型文件MEAN_STDEV數據段中直接提供Mean值、Std.Dev值。

4）仿真系統提供的7個人體模型庫中，美國人體模型文件MEAN_STDEV數據段中直接給定的變量數為104個，多提供了變量us218的Mean值、Std.Dev值。

5）加拿大、法國、日本、韓國人體模型文件MEAN_STDEV數據段中提供的變量都是103個，與Variable list保持一致。

6）而中國臺灣地區、德國人體模型文件MEAN_STDEV數據段中提供的變量分別僅為74個、29個，數量低于Variable list要求。

2.2 中國人體模型庫的建立

我國GB/T 10000—1988 《中國成年人人體尺寸》、GB-T 13547-1992《工作空間人體尺寸》按百分位的形式分別只列出7類47項、2類11項基本靜態人體尺寸數據，并不足以直接利用創建中國人體模型?？赏ㄟ^以下方式獲得其它所需人體模型數據：

李麗是北京一所普通大學的學生，專業一般，可是讓李麗的所有同學甚至連老師都沒有想到的是，李麗在大四的下學期就找到了一份無論是發展空間還是待遇都相當好的工作，而且拿到了北京戶口，聽老師說她的就業狀況是近幾年來畢業同學中最好的。

1）將中國人體尺寸數據近似看作服從正態分布規律，根據GB/T 10000—1988 《中國成年人人體尺寸》及GB-T 13547-1992《工作空間人體尺寸》提供的 1%、5%、10%、90%、95%、99%百分位尺寸數據，利用MATLAB計算得出每個人體尺寸不同百分位的標準差，取其平均值作為該項人體尺寸的標準差。

2）對于特定種族人群，某一人體尺寸數據與基本人體尺寸數據（如身高、體重、手長等）之間是存在線性關系的[4]，見以下公式：

式中Us i、Us j分別為255個人體尺寸變量中第i、j個變量，且Us j應為基本人體尺寸變量，k、b為常數。

3）仿真系統提供的人體模型庫文件CORR文件段中詳細提供了各變量之間的關聯關系，而理論上同為蒙古人種的中、日兩國人體模型變量之間關聯關系應是一致的。通過對比仿真系統提供的日本和中國臺灣地區人體模型庫可發現，兩者對應的男、女性變量間相關性文件段 （CORR）中變量之間的相關性系數是相同的，故可參考這些關聯關系建立中國人體模型。

3 裝配工藝仿真分析

3.1 工藝仿真流程

本文以某科研階段航空產品的DXT艙裝配過程為對象進行裝配工藝仿真，為科研階段和轉批產階段的工藝策劃提供指導。

DXT艙由主體件及4個DM件組成，其中主體件理論重量為11.7 kg，單個DM件理論重量為1.35 kg；DXT艙屬外購成附件，按要求必須存放在專用周轉箱中進行廠內周轉、運輸，箱體理論重量3.66 kg。整個裝配作業分為作業準備、DXT艙組裝作業、DXT艙與FDJ艙對接三個部分，裝配工藝仿真工作的流程如圖1所示。

3.2 數模準備及輕量化處理

創建操作工具、工藝裝備、基礎設施等的三維數模，并建立資源庫，如圖2所示。

圖1 裝配工藝仿真流程圖

圖2 建立資源庫

3.3 裝配工序的仿真

作業方案如下：

1）作業準備：一人負責將已出庫的標準件、操作工具、耗材等裝配作業所需物資準備到位，另一人員負責將已出庫的成附件運送至現場貨架上臨時存放；

2）DXT艙組裝作業：從成件箱中取出成件及其附件放置于工作臺上，并完成DXT主體與四件DM件的裝配，裝配標準件；

3）艙段對接作業：確認FDJ艙已可靠支撐，且高度、姿態適宜裝配后，拆卸FDJ艙的WPG；

4）將DXT艙沿艙體軸線方向水平推入FDJ艙，裝配緊固件及WPG。

根據作業工序方案，設計PERT Chart，創建Human Task及Activity，并為 Process分配人員、工具、工裝等資源及Task，Process simulation過程中進行可視性分析、可達性分析、干涉性分析，完成整個裝配工藝可行性的驗證，部分工序仿真如圖3所示，其中DXT艙組裝工序和艙段對接工序作業方式都是一人主要負責裝配，另一人則用手固定或承托待裝配件，配合完成裝配工作。

圖3 工序仿真示意圖

3.4 姿態評估及優化

完成作業工序仿真后，應根據實際工序作業情況，對各工序進行校對，調整人員部分不恰當的作業姿態。而對于某些工序，若依據經驗較難判斷作業姿態是否為最佳時，可通過HPA模塊（Human Posture Analysis）分檔劃分人體各關節自由度的活動范圍，確定優選角度，再應用Postural Score Analysis、Find best posture工具使各部位處于優選角度分值最高的區域，最終確定最佳姿態，如圖4所示。

3.5 裝配工序的工效分析

針對作業過程中一些需對人體關節、部位較大負荷的行為，可合理運用 HAA模塊 （Human Activity Analysis）的 RULA（Rapid Upper Limb Assessmen，快速上肢評價法）、Push-Pull Analysis（推拉分析）、Lift-Lower (升降分 析)、Carry Analysis （搬 運分析 ）、Biomechanics Single ActionAnalysis（生物力學單一動作分析）等進行工效分析。

圖4 Human Posture Analysis關節自由度分檔

工效分析主要是對作業過程中的人體工作姿態舒適性分析、能量消耗分析等。各裝配作業工序的工效分析如表1所示，其中艙段對接屬于小間隙套接，通過環向12個螺釘進行緊固，套接區密封槽裝配有密封圈。由于DXT艙內附件較多且都通過螺釘緊固在艙內壁，而壁厚較薄，剛度不足，易導致套接面形變，艙段對接較困難，需提前在配合面、密封圈處涂抹潤滑脂，并確保推入過程中兩對接艙段始終同軸，且處于正確姿態，否則人力難以推入，即使強行推入后，若孔位無法對齊，因套接面變形也不易調整。工藝規劃由兩人配合完成艙段對接作業，一人負責雙手承托DXT艙，確保艙體處于正確對接姿態后，另一人負責從艙段尾部施力，將艙段套接區沿軸向推入對接艙段套接區。

表1 工序工效分析方法

表2 LI級別定義

1）成件出庫后，置于現場貨架第一層，作業人員放置/提舉周轉箱姿態的 Lift-Lower（NIOSH 1991）評價結果如圖5（a）所示，其中1 lift every設置為最大值28800 s（科研階段產品量小、問題多），Duration為8 Hours，Coupling condition 選擇 Good，Object weight為 10.38 kg，評價結果中 Origin的 RWL（Recommended Weight Limit） 值為 10 kg， LI（Lifting Index） 值為 2.1，Destination 的 RWL 值為 10.5kg，LI值為2.0。參考表2中LI級別的定義，將周轉箱存放位置調整為第二層，工效評價結果如圖5（b）所示，Origin 的 RWL（Recommended Weight Limit）值為 11.4 kg， LI（Lifting Index）值為 1.8，Destination 的 RWL 值為11.2kg，LI值為1.9，評價結果稍有改善但作業活動仍不符合工效要求，需作出調整，現調整為兩人配合從第二層貨架取周轉箱，Lift-Lower（NIOSH 1991）工效評價結果如圖5（c）所示，Origin LI值為0.9，Destination LI值為0.6，符合工效要求。將工效參數1 lift every設置為批產理論節拍1200 s，評價結果如圖5（d）所示，符合工效要求。

圖5 工序③的Lift-Lower分析結果

2）將周轉箱搬運至工作臺的過程通過Carry Analysis（Snock＆Ciriello 1991）分析的結果如圖 6 所示，其中，1 carry every理論時間300s，理論搬運距離為3.5 m。搬運對象重量低于最大值304.61 N，但Hands distance稍大于極限，故作業活動調整為兩人配合搬運。

3）艙段對接時作業人員承托DXT艙的姿態經RULA分析的結果如圖7（a）所示，參考表3評分的定義，Final Scores 7不符合要求。作業方式調整為“兩人承托，一人對接”后，工效分析結果如圖 7（b）所示，Final Scores 6仍不符合要求。因成件主體長度僅295 mm，外圓輪廓直徑僅203 mm，外表面裝配有四件DM件，成件外表面可用承托面積不足，且對接過程對艙段的對接姿態要求較高，故建議采用對接車代替人力承托進行艙段對接，降低作業人員上肢及下背部肌肉損傷幾率，同時也避免因人力未能維持對接艙段正確姿態，導致的艙段無法推入套接面或多次裝配作業過程中配合面的劃傷、密封圈破損、成件摔碰等情況。

圖6 工序③Carry Analysis分析結果

圖7 工序⑥的RULA分析結果

表3 RULA Score定義

表4 作業時間仿真估算

3.6 工序作業時間仿真估算

對方案調整前、后的作業時間進行仿真估算，如表4所示。方案調整后，其中將送至現場的配套物資搬運至貨架和現場取料至工作臺的過程中，減少了人員彎腰的姿勢，理論搬運作業時間都減少了2秒，但在作業總人數不變的情況下，成件周轉箱、物料盒不能同時搬運，故總時間反而有所增加。同時，因為采用對接車輔助進行艙段對接，艙段對接準備的理論時間增加了6秒，但艙段對接所需迭代次數由2次減少為1次，理論作業時間減少了114秒。綜上，方案經優化調整后，理論工序總作業時間減少了98秒。

4 結語

本文對DELMIA提供的人體模型庫進行了研究分析，基于國家相關標準提出了一種建立中國人體模型的方法，并應用在某科研航空產品裝配工藝策劃階段的裝配工序仿真和人機工效分析中。通過裝配工序仿真和人機工效分析可以仿真整個裝配作業過程，分析作業人員的可視性、可達性和姿態舒適性，零部件裝配過程的干涉性以及操作工具的空間操作性等，盡可能在科研階段產品的裝配工藝策劃階段，充分考慮人、產品、工裝工具的相互關系，為作業人員提供具體的、切實可行的作業指導，避免作業過程中發生因視野、姿態不適、負荷過大等原因造成的事故，一定程度上提高了作業質量和效率；同時也為航空產品的轉批工藝策劃提供了科學依據。

通過人體工效學評價方法的實例應用，RULA、NIOSH和Snock＆Ciriello等評價指標簡便易行，可提供針對性的優化調整方向，易于在航空產品轉批前的裝配工藝策劃工作中推廣，控制不良工效負荷作業，降低作業人員患職業疾病的風險。