面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價

西北工業(yè)大學(xué)機電學(xué)院 郝天峰 賈曉亮

飛機維修是保證航空系統(tǒng)可靠使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，維修性作為飛機的固有屬性，在設(shè)計階段就決定了飛機的維修品質(zhì)，反映了飛機維修的難易程度。維修性分析和評價應(yīng)納入到飛機的整個生命周期過程中，尤其在設(shè)計階段就要考慮分析維修性，即進行維修性設(shè)計。如果在設(shè)計階段對維修性考慮不足，會造成飛機維修保障困難和可用度很低，就必須花費更多的時間和費用通過后期更改設(shè)計來改善維修性。傳統(tǒng)的維修性設(shè)計分析工作中，許多工作項目依賴于物理樣機，這種傳統(tǒng)的“串行”設(shè)計方式無法盡早地發(fā)現(xiàn)維修缺陷，有些維修問題甚至要等到飛機投入使用之后才暴露出來，因此隨著數(shù)字樣機、虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機支持協(xié)同設(shè)計（Computer-Supported Cooperative Design，CSCD）的發(fā)展，面向產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）進行飛機的虛擬仿真協(xié)同設(shè)計，有助于提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題[1]。

面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析

1 面向PLM的飛機維修性協(xié)同設(shè)計流程

在現(xiàn)代飛機的設(shè)計中，波音公司使用達(dá)索公司的PLM V5R16[2]（包括CATIA、DELIMA等）為波音787設(shè)計項目提供了一個分布式、世界范圍的協(xié)同工作空間，針對波音787項目進行了數(shù)字化設(shè)計、制造和測試，使波音787成為第一架從產(chǎn)品概念設(shè)計到生產(chǎn)全過程使用PLM解決方案的飛機，其開發(fā)設(shè)計時間與上一代波音777飛機相比，從5年減少到4年。我國的航空工業(yè)通過建立支持多廠所協(xié)同的PLM平臺，從傳統(tǒng)的“一廠一所”研制模式轉(zhuǎn)變至“多廠多所”跨地域研制模式。

PLM是在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種全新的管理理念和技術(shù)，通過管理整個生命周期（包括從產(chǎn)品設(shè)計、工藝規(guī)劃、制造裝配、維護服務(wù)到報廢回收）中所涉及的產(chǎn)品、過程、資源等，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有序、設(shè)計過程的優(yōu)化和資源的共享[3]。對航空產(chǎn)品實施產(chǎn)品全生命周期管理，可以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計和生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、縮短研制周期的目的。

面向PLM的飛機維修性協(xié)同設(shè)計考慮各階段的工作相互影響，通過協(xié)同開展工作保證設(shè)計任務(wù)實現(xiàn)飛機好的維修性。通常飛機設(shè)計包括總體設(shè)計、部件與系統(tǒng)設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計3個部分?？傮w設(shè)計主要闡述飛機方案的形成；部件與系統(tǒng)設(shè)計則是連接前兩者之間的橋梁；結(jié)構(gòu)設(shè)計則闡述設(shè)計原則方法。面向PLM的協(xié)同設(shè)計過程需要在各部門工作者之間提供方便、快捷的信息，并可以即時直觀地呈現(xiàn)設(shè)計數(shù)據(jù)，這就需要資源庫等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[4]。設(shè)計中還需要采用虛擬維修仿真來驗證設(shè)計是否符合維修性要求，在飛機的設(shè)計階段中就引入虛擬維修性分析評價，可以提前發(fā)現(xiàn)維修缺陷，進而對設(shè)計進行優(yōu)化，如圖1所示。

2 飛機虛擬維修性分析過程

基于數(shù)字樣機的協(xié)同維修性分析是指在設(shè)計階段以數(shù)字化信息為基礎(chǔ)，構(gòu)建數(shù)字化維修仿真環(huán)境，并在維修仿真環(huán)境中進行維修過程建模與仿真，從而獲得維修過程中關(guān)于“人-機-環(huán)境”相互作用的數(shù)據(jù)，以維修性設(shè)計準(zhǔn)則和人因工效標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進行維修性分析和人因工效分析，從而提前發(fā)現(xiàn)存在的問題。其基本過程如圖2所示[4-6]。基于數(shù)字樣機的協(xié)同維修分析主要包括建模、仿真、分析、協(xié)同、管理、評估等內(nèi)容，其應(yīng)用框架如圖3所示。

飛機虛擬協(xié)同維修性分析方法

1 飛機虛擬協(xié)同維修性分析建模

對飛機進行虛擬協(xié)同維修分析，要建立數(shù)字化維修環(huán)境模型，包括數(shù)字樣機、工具模型、虛擬場景和虛擬維修人員。

（1）數(shù)字樣機、工具模型創(chuàng)建：產(chǎn)品數(shù)字樣機是維修仿真作業(yè)的對象，基于模型建立數(shù)字樣機，能表現(xiàn)實體的幾何、物理特性并能描述零部件間的關(guān)聯(lián)運動和約束關(guān)系[6]。

（2）數(shù)字化仿真維修場景創(chuàng)建：數(shù)字樣機、人體模型等都要放置于虛擬維修場景之中，須按照真實特征屬性設(shè)計，具有支持維修活動空間、自由度約束等物理屬性和運動屬性，其構(gòu)建可以分為幾何模型構(gòu)建、物理屬性建模、行為建模3步。

（3）虛擬維修人員創(chuàng)建：創(chuàng)建維修人員的全尺寸模型，生成具有精確結(jié)構(gòu)層次的數(shù)字人體模型，其特性包括標(biāo)準(zhǔn)姿勢編輯器等。人體建模分人體幾何建模、人體運動建模、人體行為控制3步完成。

圖1 飛機維修性協(xié)同設(shè)計流程

2 虛擬協(xié)同維修拆卸分析

零部件的拆卸是飛機維修作業(yè)的重要工作，拆卸在整個維修活動中占有相當(dāng)比例，必須盡早考慮航空維護修理過程中面臨的拆卸問題。虛擬協(xié)同維修拆卸分析整個流程包括獲取信息、建立模型、拆卸序列及路徑規(guī)劃、干涉碰撞檢測、拆卸過程仿真、人因工效分析過程[7]。圖4為虛擬協(xié)同維修拆卸分析流程圖。

（1）維修拆卸分析所需信息：進行飛機維修拆卸分析首先要根據(jù)數(shù)字樣機模型獲取圖5所示拆卸信息。

（2）基于拆卸約束（DCG）圖建立拆卸模型：可以表示零部件總數(shù)量和零部件間的連接與約束關(guān)系。找出所有無法分解的最小拆卸單元作為DCG圖上的節(jié)點識別阻止零部件被拆除的幾何約束，在DCG圖上用無向邊連接兩個相應(yīng)節(jié)點來代表零部件之間的接觸約束；識別拆卸優(yōu)先級信息，在DCG圖上通過由前驅(qū)節(jié)點指向后續(xù)節(jié)點的有向邊來表示非接觸約束[7]。

圖2 虛擬協(xié)同維修性分析過程

圖3 虛擬協(xié)同維修性分析應(yīng)用框架

（3）拆卸序列、路徑規(guī)劃：根據(jù)DCG圖和拆卸約束信息，由單個零件驅(qū)動的遞歸搜索來產(chǎn)生所有可行的拆卸序列，并基于遺傳算法對拆卸序列進行優(yōu)化。拆卸路徑規(guī)劃是根據(jù)已有拆卸序列，在數(shù)字化仿真環(huán)境中對零部件進行移動、旋轉(zhuǎn)等操作，記錄空間軌跡信息，并進行實時檢測碰撞干涉，保證零部件能夠沿路徑無干涉拆卸到位和獲得合理的拆卸路徑。

3 飛機維修的人因工效分析

圖5 維修拆卸分析所需信息

在飛機的維修過程中，人的因素非常重要，人因分析可對飛機的維修性設(shè)計進行分析評估，進而進行改進優(yōu)化，保證工人的安全性和舒適性并提高工作效率。

（1）作業(yè)姿勢分析：拆卸作業(yè)分析有OWAS、NIOSH、RULA等多種方式。OWAS[8]（Ovako Workingposture Analyzing System）用于分析維修人員工作時的身體姿勢，并依照該姿勢所可能引發(fā)的肌肉骨骼傷害程度予以評定等級，提供給維修人員對工作現(xiàn)場進行改善的參考依據(jù)。OWAS分析人體背部、手臂、腿部、頭部的姿勢和人承受的負(fù)重，然后根據(jù)5項要素不同狀態(tài)進行編碼組合，分析定義4種疲勞等級，代表當(dāng)前姿勢健康等級和需改進的緊迫程度，OWAS姿勢分析編碼表如表1所示，OWAS工作姿勢等級如表2所示。

（2）可達(dá)性、可視性、碰撞干涉分析。廣義上的可達(dá)性分析包括3個方面的內(nèi)容：實體可達(dá)性分析，維修人員是否接觸到零部件；作業(yè)空間可達(dá)性分析，維修人員是否有足夠的操作空間；視覺可達(dá)性分析，維修人員是否看得到目標(biāo)件以及自己的操作動作。

（3）工作負(fù)荷分析。目前國際上廣泛采用的工作負(fù)荷定量分析方法是人體動作能耗預(yù)測模型[9]，用能耗來分析工作負(fù)荷。該模型采用基于動作分解的方法，將維修操作分解為基本的維修動素，通過維修動素的能量消耗累加得到執(zhí)行維修作業(yè)的總能耗。

基于Tecnomatix的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價

1 Tecnomatix簡介

由 Siemens公 司 開 發(fā) 的Tecnomatix[10]是一套數(shù)字化仿真軟件，主要有工藝過程設(shè)計模塊（Process Designer）和工藝過程仿真模塊（Process Simulate），可以管理仿真所需數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品樹、資源樹、操作樹，進行三維可視化、工藝設(shè)計編制操作；同時可以進行裝配或拆卸路徑的分析、維修過程仿真、人機工程的分析評價等操作。Tecnomatix支持識別UG模型數(shù)據(jù)，直接讀入及修改而避免因格式轉(zhuǎn)換造成模型特征的丟失，同時支持JT格式轉(zhuǎn)換功能。JT格式是一種Tecnomatix支持的輕量化數(shù)據(jù)文件格式，支持產(chǎn)品在整個產(chǎn)品生命周期查看和共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造信息和圖像，是用于產(chǎn)品三維可視化、協(xié)同制造和數(shù)據(jù)共享的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。

表1 OWAS姿勢分析編碼表

表2 OWAS工作姿勢等級

2 飛機起落架維修性分析建模

本文選用飛機起落架進行維修拆卸作為研究實例，在面向PLM進行飛機協(xié)同設(shè)計時，需要進行維修仿真建模和飛機維修拆卸分析。

（1）首先構(gòu)建數(shù)字化仿真維修環(huán)境，包括數(shù)字樣機、工具模型、虛擬場景和虛擬維修人員，如圖6～9所示，起落架部分零部件信息如表3所示。

（2）飛機維修拆卸分析，根據(jù)樣機模型進行拆卸信息的分析。基于拆卸約束圖，根據(jù)零件搜索遞歸方法生成拆卸序列并基于遺傳算法進行優(yōu)化得到最終序列為：20—14—13—19—21—15—22—23—4—24—5—25—26—27—6—8—28—7—29—9—17—11—10—16—18—12—1—2—3，得到無碰撞干涉的拆卸路徑，見圖10。

表3 起落架部分零部件信息

圖6 樣機模型

圖7 人體模型、工具模型、數(shù)字化仿真場景

圖8 數(shù)字化仿真維修環(huán)境的構(gòu)建

圖9 起落架幾何模型

圖10 拆卸路徑規(guī)劃

圖11 拆卸工藝樹、操作樹

（3）獲得維修拆卸過程的工藝

樹和維修仿真的操作樹，其中維修拆卸工藝有5個工序和29個工步，如圖11所示。

3 飛機起落架維修性分析結(jié)果

通過對飛機起落架進行人因工效和維修性分析，主要發(fā)現(xiàn)了人員拆卸姿勢、工作負(fù)荷、可視性、可達(dá)性及干涉碰撞等問題，前3者得到了較好的驗證結(jié)果，屬于驗證性問題；而對于可達(dá)性和碰撞干涉分析則是發(fā)現(xiàn)了設(shè)計中的缺陷并進行針對性改進，屬于設(shè)計性問題。

（1）拆卸姿勢分析。

通過對維修拆卸的全過程進行OWAS分析，可在拆卸工作的時間周期內(nèi)進行WAS等級的分析，在整個拆卸過程中發(fā)現(xiàn)姿勢等級均不大于2，姿勢合理安全，見圖12。

（2）可視性、可達(dá)性、碰撞干涉分析。

·可視性分析：拆銷釘（圖13中所選綠色零部件）過程必須保證銷釘可視，由實時生成虛擬維修人員視野內(nèi)切錐及視覺窗口可知，此時可視性良好。

·實體可達(dá)性分析：在進行維修起落架外筒（圖14中所選綠色零部件）時，可知實體可達(dá)性不好，無法做到很好地觀察維修零件。引入一個可移動式平臺，如圖15所示，可方便維修人員對高處的零部件進行維修。

圖12 OWAS分析編碼、等級表

圖13 左眼、右眼、雙眼視覺窗口及視野內(nèi)切錐

圖14 維修人員上肢可達(dá)性

圖15 可移動式平臺

圖16 碰撞干涉檢驗

圖17 碰撞干涉改進

·碰撞干涉分析：拔銷釘時，對維修人員與下面的轉(zhuǎn)向架進行碰撞干涉分析，如圖16所示，發(fā)現(xiàn)存在干涉，即作業(yè)空間不合理，可以通過改變維修人員的姿勢或運動狀態(tài)來避免干涉，見圖17。

（3）工作負(fù)荷分析。

在拆卸起落架前輪輪胎的操作中，對搬運拆下的輪胎到指定位置的過程進行工作負(fù)荷分析，產(chǎn)生拆卸輪胎過程的能耗報告，此過程能耗率小于所允許的最大能耗率，故這個過程的工作負(fù)荷滿足要求。

結(jié)束語

本文基于產(chǎn)品生命周期管理的思想，對面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價進行研究，通過在設(shè)計階段基于數(shù)字化平臺進行飛機協(xié)同維修仿真并分析，可提前發(fā)現(xiàn)并解決飛機維修過程中的問題，從而節(jié)約時間和成本。面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價根據(jù)制定的飛機協(xié)同設(shè)計的流程，要在設(shè)計階段考慮飛機的維修性及人因工效；通過對飛機維修進行數(shù)字化仿真，構(gòu)建包含數(shù)字樣機、工具、場景、維修人員在內(nèi)的虛擬維修環(huán)境；進行具體維修過程仿真，主要考慮到拆卸信息分析、拆卸模型構(gòu)建、拆卸序列規(guī)劃和拆卸路徑規(guī)劃等，并進一步進行人因工效分析。

本文基于Tecnomatix進行了飛機前起落架維修拆卸仿真驗證，通過構(gòu)建飛機起落架維修環(huán)境，根據(jù)起落架維修拆卸的具體過程對其進行可達(dá)性、拆卸姿勢、工作負(fù)荷等與維修性相關(guān)的人因工效分析。隨著飛機復(fù)雜程度越來越高，飛機維修的要求越來越嚴(yán)格，對飛機面向整個產(chǎn)品生命周期進行協(xié)同設(shè)計的需求也越來越高，因此，面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價的前景也會更加廣闊。

[1] 郭定. 航空維修工效學(xué). 北京:國防工業(yè)出版社, 2007.

[2] 陳金蘭, 劉海濱. PLM助波音787飛機項目實現(xiàn)全球化虛擬生產(chǎn). 軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品, 2008(9):37-38.

[3] 賈曉亮, 丁曉宇, 耿俊浩,等. 面向PLM基于3D產(chǎn)品模型的航空產(chǎn)品數(shù)字化工藝技術(shù)研究. 航空精密制造技術(shù), 2011,47(3):49-53.

[4] 馮全磊, 孫繼勇, 李田囡,等. 三維協(xié)同設(shè)計方法在飛機起落架設(shè)計中的應(yīng)用.航空制造技術(shù), 2014(23/24):78-82.

[5] 王異香.基于虛擬維修的仿真人機工效分析研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué),2007.

[6] 劉鋇鋇, 田凌, 楊宇航. 航空虛擬維修系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù). 計算機集成制造系統(tǒng),2012, 18(1):47-57.

[7] 黃進永. 面向維修的產(chǎn)品拆卸序列規(guī)劃及拆卸評估技術(shù)研究[D]. 南京:南京航空航天大學(xué), 2006.

[8] Mcatamney L, Nigel Corlett E.RULA: a survey method for the investigation of work-related upper limb disorders. Applied Ergonomics, 1993, 24(2): 91-99.

[9] 尹良. 基于虛擬裝配仿真的人機工效分析[D]. 武漢:華中科技大學(xué), 2012.

[10] 王朋. 基于TECNOMATIX的數(shù)字化裝配工藝規(guī)劃及后處理[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué), 2012.