基于人機(jī)工程的某航天復(fù)雜柔性裝備虛擬裝配技術(shù)研究

蔡奇彧 鐘 涵 陳 勇 賀達(dá)龍 鄭森木

基于人機(jī)工程的某航天復(fù)雜柔性裝備虛擬裝配技術(shù)研究

蔡奇彧 鐘 涵 陳 勇 賀達(dá)龍 鄭森木

（四川航天長征裝備制造有限公司，成都 610100）

結(jié)合某航天復(fù)雜柔性裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜、裝調(diào)繁瑣易出錯(cuò)等問題，采用DELMIA仿真平臺研究其裝配過程，通過對該裝備結(jié)構(gòu)組成與裝配工藝分析，搭建基于DPM模塊的PPR模型并進(jìn)行人機(jī)工程仿真，分析其裝配工藝、路徑及順序的合理性，操作人員工作姿態(tài)舒適性，并生成相應(yīng)三維裝配演示，為技術(shù)人員作裝配工藝設(shè)計(jì)提供參考，為現(xiàn)場實(shí)際裝配提供方便的指導(dǎo)。

DELMIA；人機(jī)工程；裝配順序；裝配演示

1 引言

人機(jī)工程主要圍繞“人-機(jī)-環(huán)境”等工程問題，研究不同作業(yè)下人、機(jī)器和環(huán)境三者之間的關(guān)系[1]，其方法及評價(jià)手段涵蓋了工程技術(shù)學(xué)、人體測量學(xué)等多重領(lǐng)域，并將各科目知識結(jié)合與運(yùn)用，用于指導(dǎo)設(shè)備操作、工作方法和環(huán)境改善，提高工作效率，讓操作人員在更安全、健康、舒適的環(huán)境中工作。DELMIA是達(dá)索系統(tǒng)研制的一款面向制造過程的“數(shù)字化制造”平臺，建立一個(gè)可交互式結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品、工藝與資源模型（PPR），該模型使設(shè)計(jì)過程能夠?qū)Ξa(chǎn)品工藝實(shí)時(shí)驗(yàn)證，已廣泛應(yīng)用于航天、航空等制造業(yè)領(lǐng)域[2，3]。某航天復(fù)雜柔性裝備——攪拌摩擦焊可拆卸式內(nèi)支撐，是航天貯箱在封底焊接的重要工藝裝備，主要結(jié)合攪拌摩擦焊環(huán)縫焊設(shè)備完成貯箱封底焊的作業(yè)內(nèi)容。新型內(nèi)支撐的設(shè)計(jì)，特別在裝配工藝的驗(yàn)證過程尤為重要。某航天復(fù)雜柔性裝備結(jié)構(gòu)整體偏重，且由大量桿系組成，裝調(diào)繁瑣，若發(fā)生錯(cuò)裝等現(xiàn)象導(dǎo)致重新拆裝將大大降低整體裝配效率。該虛擬裝配仿真在工藝操作架、貯箱箱體內(nèi)等復(fù)雜環(huán)境中進(jìn)行，通過對該裝備的設(shè)計(jì)與仿真，最后將合格的裝配仿真分析結(jié)果輸出給技術(shù)人員，驗(yàn)證工藝可行性、裝配工藝方案，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同，提升現(xiàn)場裝配效率。

通過DELMIA數(shù)字化仿真軟件實(shí)現(xiàn)攪拌摩擦焊可拆卸式內(nèi)支撐產(chǎn)品的裝配工藝過程仿真，避免物理驗(yàn)證出錯(cuò)所帶來的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)損失，運(yùn)用軟件對該裝備組件裝配過程仿真，驗(yàn)證其組件間的裝配關(guān)系，包括可達(dá)性、可視性、干涉及裝配順序等內(nèi)容，幫助裝備設(shè)計(jì)和裝配人員更快找尋產(chǎn)品的設(shè)計(jì)缺陷。

2 結(jié)構(gòu)與裝配工藝分析

圖1 某航天復(fù)雜柔性裝備結(jié)構(gòu)示意

該航天貯箱用攪拌摩擦焊可拆卸式內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)如圖1所示，結(jié)構(gòu)可分為芯軸組件、芯軸連接桿組件、支撐組件Ⅰ、支撐組件Ⅱ、外環(huán)管組件、小接頭、大接頭、機(jī)械頂緊組件、消隙塊和墊板等多個(gè)部分。

圖2 復(fù)雜柔性裝備裝配流程

根據(jù)該可拆卸式內(nèi)支撐的具體結(jié)構(gòu)，整個(gè)裝配過程可分為外環(huán)管組件裝配、支撐組件裝配、芯軸組件安裝、芯軸連接桿組件裝配和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)調(diào)節(jié)5大部分，即線下裝配狀態(tài)；整個(gè)過程均由人工操作完成，具體裝配流程如圖2所示。

其使用工況主要有5種，即線下裝配狀態(tài)、起吊狀態(tài)、箱內(nèi)裝調(diào)狀態(tài)、工作狀態(tài)、箱內(nèi)拆卸狀態(tài)；整個(gè)過程同樣由人工操作，裝配使用流程如圖3所示。

圖3 某航天復(fù)雜柔性裝備裝配使用流程

3 裝配順序仿真和干涉分析

3.1 裝配順序仿真

依據(jù)裝配工藝模擬裝配過程，展示裝配順序和路徑。基于DELMIA的攪拌摩擦焊可拆卸式內(nèi)支撐裝配仿真環(huán)境建立的具體步驟如下：

a. Resource List構(gòu)建。DELMIA中的資源是指在整個(gè)裝配過程中所用到的人、機(jī)、料、法、環(huán)等要素[4]。例如廠房環(huán)境、工具、工裝、設(shè)備、人等，導(dǎo)入后可在資源列表中展現(xiàn)。

圖4 PPR模型布局

b. Product List構(gòu)建。在CAD建模完成后，可拆卸式內(nèi)支撐模型導(dǎo)入到產(chǎn)品目錄下，可在目錄樹Product List中查閱。通過以上準(zhǔn)備工作，按車間實(shí)際情況布局各模型，保存初始位置，如圖4所示。

圖5 裝配工藝計(jì)劃

c. Process List構(gòu)建。根據(jù)裝配工藝建立裝配結(jié)構(gòu)樹，并構(gòu)建序列節(jié)點(diǎn)，如圖5所示，在后續(xù)仿真過程中，調(diào)整裝配關(guān)系順序，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。

d. 裝配路徑規(guī)劃。根據(jù)裝配順序可分為正裝與反裝。正裝依據(jù)裝配順序依次裝配；反裝依據(jù)“可拆亦可裝”理論，把產(chǎn)品反向順序拆分，再將其倒置，即轉(zhuǎn)換為“裝”的過程[5，6]。考慮該裝備內(nèi)支撐裝配組件繁多，可采用反裝倒置的裝配順序，實(shí)現(xiàn)裝配路徑規(guī)劃。

3.2 過程干涉檢查

在DELMIA仿真過程中運(yùn)用自動(dòng)干涉檢查模式，檢測各零組件間是否存在碰撞、干涉等情況[7]，發(fā)現(xiàn)存在干涉將及時(shí)報(bào)警，并顯示該部位的干涉量，幫助技術(shù)人員查找和分析原因，生成相應(yīng)干涉報(bào)告，及時(shí)解決產(chǎn)品模樣在裝配中的問題。

4 人機(jī)工程仿真分析

圖6 人體測量編輯

在DELMIA仿真環(huán)境中，建立1:1的裝配人員三維模型，如圖6所示，動(dòng)態(tài)仿真分析攪拌摩擦焊可拆卸式內(nèi)支撐組件的人體搬運(yùn)、裝配操作、箱內(nèi)裝調(diào)和拆卸，分析該過程中人體的可達(dá)性、可視性、姿態(tài)和舒適度等，驗(yàn)證裝配過程的可行性和合理性，進(jìn)一步優(yōu)化工藝流程，改進(jìn)工藝裝備設(shè)計(jì)信息，同時(shí)也有利于指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)，提高一次性裝配效率。

驗(yàn)證裝配可達(dá)性實(shí)質(zhì)上是對人體空間和裝配工位的同步驗(yàn)證，例如裝配安裝工件的高度，貯箱空間內(nèi)可操作性等。通過分析肢體部位的操作域檢驗(yàn)裝配可達(dá)性，操作域不僅指人個(gè)體的操作范圍，也包含多人之間操作空間的影響。圖7a為當(dāng)前裝配芯軸連接桿組件姿態(tài)下的操作空間可達(dá)性，圖7b為在貯箱內(nèi)裝調(diào)姿態(tài)下的操作空間可達(dá)性。分析結(jié)果表明，芯軸組件和箱內(nèi)裝調(diào)的人體姿態(tài)均符合操作空間可達(dá)性要求，而貯箱空間內(nèi)裝調(diào)在4人以上作業(yè)時(shí)會(huì)相互影響其操作空間，建議控制協(xié)同裝配人數(shù)。

圖7 可達(dá)性分析

裝配可視性的驗(yàn)證是對人體視野在一定空間，特別是在狹小空間內(nèi)是否影響其裝配的檢測，人的水平視野范圍通常為120°，垂直視野為100°。圖8為當(dāng)前協(xié)同搬運(yùn)傳遞組件和貯箱內(nèi)裝調(diào)時(shí)裝配人員的視野范圍，可根據(jù)需求調(diào)節(jié)，其視野范圍劃分為3個(gè)區(qū)域，分別為區(qū)域A、B、C。

可視性評價(jià)根據(jù)工件在裝配操作視野范圍內(nèi)的位置[8]。區(qū)域A表示裝配可視性良好，裝配人員能夠舒適地作業(yè)，可視性評價(jià)為0.7～1；區(qū)域B表示可視性普通，裝配人員可以勉強(qiáng)作業(yè)，可視性評價(jià)為0.4～0.7；區(qū)域C表示可視性差，裝配人員基本無法目視作業(yè)，可視性評價(jià)為0～0.4。分析結(jié)果表明，協(xié)同搬運(yùn)傳遞組件時(shí)不會(huì)對操作人員的視野產(chǎn)生影響，而貯箱內(nèi)裝調(diào)時(shí)特別在安裝消隙塊時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響裝配人員的視野，必須改變操作姿態(tài)調(diào)整視野到合理范圍。

在虛擬環(huán)境中分析人體姿態(tài)舒適性，需要緊密結(jié)合操作者搬運(yùn)工件的負(fù)載大小。在DELMIA軟件中，可用顏色來反映裝配人員的作業(yè)舒適度：綠色代表舒適（可接受的）、黃色代表稍有不適（進(jìn)一步調(diào)查）、橙色代表較不舒服（盡快調(diào)查和改變姿勢）、紅色代表非常不舒服（立即調(diào)查和改變姿勢）。其中支撐組件的形狀較不規(guī)則，體積較大，13.5kg重量沉重，圖9展示了該組件拆卸搬運(yùn)過程中裝配人員單側(cè)人體姿態(tài)的舒適度，通過分析發(fā)現(xiàn)，單人獨(dú)立搬運(yùn)支撐組件會(huì)嚴(yán)重影響姿態(tài)舒適性，應(yīng)增添搬運(yùn)人手；右側(cè)人員左臂托舉傳遞支撐組件嚴(yán)重加大手臂負(fù)荷，左側(cè)人員在還未接到支撐組件時(shí)姿態(tài)已不舒服，其中問題均需進(jìn)一步工藝優(yōu)化。

5 結(jié)束語

對于某航天復(fù)雜柔性裝備桿系組件過多、裝配時(shí)間過長、重裝成本過大等問題，分析了其結(jié)構(gòu)組成及裝配工藝流程，建立了廠房環(huán)境、工具工裝及可拆卸式內(nèi)支撐模型，在DELMIA軟件的DPM模塊中搭建了真實(shí)的仿真環(huán)境，并引入具有生理參數(shù)的虛擬人體模型，運(yùn)用Human task simulation模塊人機(jī)仿真攪拌摩擦焊可拆卸式內(nèi)支撐的裝配過程并生成三維裝配演示；分析其整個(gè)裝配過程的可達(dá)性、可視性、干涉碰撞和姿態(tài)舒適性等方面，給出了適當(dāng)?shù)墓に嚫倪M(jìn)建議。實(shí)踐證明，運(yùn)用該方法裝配設(shè)計(jì)某航天復(fù)雜柔性裝備和應(yīng)用能夠快速提高裝配質(zhì)量，縮短研制周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率；同時(shí)，對數(shù)字化裝配仿真的技術(shù)推廣和智能產(chǎn)線的規(guī)劃具有重要的參考價(jià)值。

1 Luo Shijian, Sun Shouqian. Research on product information design and cognition[C]. 3rd Inter2 National Conference on CAID&CD, 2000

2 冷毅勛，代正會(huì)，趙軼，等. DELMIA數(shù)字化裝配工藝設(shè)計(jì)與過程仿真流程[J]. 中國制造業(yè)信息化，2012(1)：40～42

3 鈕建偉，劉靜. DELMIA人機(jī)工程從入門到精通[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2018

4 賈朝定. 基于DELMIA的虛擬裝配技術(shù)[C]. 2007年國防科技工業(yè)虛擬制造技術(shù)高層論壇論文集，西安：2007國防科技工業(yè)虛擬制造技術(shù)高層論壇組委會(huì)，2007：30

5 李靜洪，唐高虎，田剛，等. 基于DELMIA的短艙結(jié)構(gòu)虛擬裝配過程仿真[J]. 機(jī)電一體化，2013(11)：52～55

6 李澍.飛行器虛擬維修關(guān)鍵技術(shù)研究與環(huán)境實(shí)現(xiàn)[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2007

7 黃娟，顧寄南. 裝配仿真中碰撞干涉檢查研究的綜述[J]. 江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2002，23(2)：17～21

8 丁勇. 產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃與維修性評價(jià)方法研究[D]. 南京：南京航空航天大學(xué)，2010

Research on Virtual Assembly Technology of A Certain Aerospace Complex Flexible Equipment Based on Ergonomics

Cai Qiyu Zhong Han Chen Yong He Dalong Zheng Senmu

(Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co., Ltd., Chengdu 610100)

Combined with the problems of complex flexible equipment structure design of complex aerospace, complicated installation and error-prone, this research uses DELMIA simulation platform to study its assembly process. Through the analysis of the equipment structure composition and assembly process, building a PPR model based on DPM module and carrying out ergonomic simulation, analyzing the rationality of its assembly process, path and sequence, the comfort of the operator?s working posture, and generating a corresponding three-dimensional assembly demonstration. The research provides a reference for the technician to design the assembly process and a convenient guide as well.

DELMIA；ergonomics；assembly sequence；assembly demonstration

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國航天科技集團(tuán)有限公司航天先進(jìn)制造技術(shù)研究聯(lián)合基金（U1737203）。

蔡奇彧（1989），碩士，機(jī)械制造及其自動(dòng)化專業(yè)；研究方向：先進(jìn)裝配制造與數(shù)字化仿真技術(shù)。

2020-09-21