人機(jī)工程仿真技術(shù)在飛機(jī)零組件裝配中的應(yīng)用

（沈陽(yáng)航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽(yáng) 110136）

飛機(jī)零組件裝配過(guò)程逐漸由傳統(tǒng)的剛性工裝裝配產(chǎn)品向數(shù)字化、自動(dòng)化的柔性工裝裝配產(chǎn)品過(guò)程轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)飛機(jī)零組件裝配過(guò)程只考慮飛機(jī)裝配工藝的可行性，通過(guò)對(duì)飛機(jī)零件本身的可裝配性以及部裝與總裝裝配協(xié)調(diào)性的裝配方式來(lái)評(píng)價(jià)飛機(jī)零部件裝配的可達(dá)性。飛機(jī)零組件裝配過(guò)程離不開(kāi)人員操作工裝裝配產(chǎn)品，在傳統(tǒng)的剛性工裝到數(shù)字化柔性工裝裝配產(chǎn)品漸變的過(guò)程中，飛機(jī)零組件裝配很少考慮飛機(jī)零組件裝配的操作者，而操作人員的舒適性及可達(dá)性與飛機(jī)零組件裝配質(zhì)量和企業(yè)效益密切相關(guān)。有許多飛機(jī)零組件裝配工藝存在方案可行但實(shí)際上不可行的情況，原因就是沒(méi)有考慮操作人員可達(dá)性，所占空間及工作的安全、健康與舒適的影響。對(duì)于飛機(jī)零組件裝配而言，不管是采用傳統(tǒng)的剛性工裝裝配還是數(shù)字化柔性工裝裝配，都要對(duì)飛機(jī)裝配工藝性仔細(xì)考慮，而飛機(jī)零組件裝配最終檢測(cè)合格性評(píng)價(jià)也包含人員操作的因素。因此基于飛機(jī)零組件裝配工藝，利用DELMIA人機(jī)仿真模塊虛擬人體模型模擬操作人員真實(shí)操作狀況，生成可視化工藝文件，幫助裝配工藝員與工裝設(shè)計(jì)員制定合理的裝配工藝與工裝設(shè)計(jì)，更好地優(yōu)化裝配工藝，提高飛機(jī)零組件裝配效率具有重要意義。

1 基于DELMIA的人機(jī)仿真

DELMIA的Human模塊由人機(jī)尺寸編輯、任務(wù)仿真、活動(dòng)分析、模型建立、姿勢(shì)分析等二次開(kāi)發(fā)模塊組成。人機(jī)工程學(xué)仿真包括操作可達(dá)性仿真、可視性仿真、工作空間分析仿真、拆裝時(shí)間模擬計(jì)算仿真、作業(yè)姿態(tài)舒適性及安全性檢測(cè)與仿真[1]。Human模塊可以在虛擬環(huán)境里迅速建立人體原型，提供了5、50和95百分位的男女人體模型庫(kù)、人體作業(yè)仿真模塊、姿態(tài)分析模塊、工效分析模塊等，適用于對(duì)飛機(jī)零組件裝配虛擬人體作業(yè)進(jìn)行人機(jī)工程分析[2]。人機(jī)建模模塊主要是依據(jù)模型創(chuàng)建工具欄建立人物模型，如圖1所示。

在DELMIA人機(jī)模型中，人的視覺(jué)范圍由人機(jī)工程學(xué)視覺(jué)范圍所規(guī)定，人機(jī)工程學(xué)規(guī)定的角度對(duì)虛擬人體視覺(jué)范圍進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)視線(xiàn)中心與工作平面垂直時(shí)，人的最佳觀察視野為垂直方向上水平視線(xiàn)以下15°～45°，水平方向上人的左右各25°，人機(jī)視覺(jué)調(diào)整范圍如圖2所示。

人的姿態(tài)可達(dá)性調(diào)整根據(jù)人機(jī)工程學(xué)規(guī)定可達(dá)性范圍由Reach Envelope來(lái)分析給出[3]，根據(jù)姿態(tài)調(diào)整的范圍對(duì)人體的姿態(tài)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。

另外可通過(guò)視覺(jué)窗口來(lái)模擬不同情況下人體模型的視覺(jué)范圍以檢測(cè)工人的視覺(jué)可達(dá)性是否滿(mǎn)足要求[4]，虛擬人體模型的視覺(jué)窗口如圖4所示。

飛機(jī)零組件裝配工藝人員可以根據(jù)裝配工藝規(guī)范與現(xiàn)場(chǎng)操作要求，在人機(jī)仿真系統(tǒng)中進(jìn)行人機(jī)交互的飛機(jī)零組件裝配流程的選擇與調(diào)整，人機(jī)仿真系統(tǒng)將裝配工藝人員的工藝裝配流程模擬顯示出，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的干涉等合理性檢驗(yàn)，方便工藝員與工裝設(shè)計(jì)人員審查裝配的合理性、是否有利于人員的操作，以便對(duì)方案進(jìn)行及時(shí)修改與優(yōu)化。當(dāng)飛機(jī)零組件裝配工藝確定并生成可視化人機(jī)裝配流程仿真視頻時(shí)，裝配操作人員可以直觀感受到裝配過(guò)程，以便用最佳姿態(tài)舒適地完成飛機(jī)零組件裝配。

圖1 人機(jī)模型創(chuàng)建界面Fig.1 Creaing interface of the man-machine model

圖2 人機(jī)視角調(diào)整角度Fig.2 Adjusting angle of man-machine angle

圖3 虛擬人體模型的可達(dá)范圍Fig.3 Reachable range of virtual human model

圖4 人體模型視覺(jué)窗口Fig.4 Visual window of human model

2 人機(jī)仿真在飛機(jī)零組件剛性裝配中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機(jī)零組件裝配需要操作工人以手工操作完成，在零組件裝配工藝和剛性工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)環(huán)境中，人員動(dòng)作過(guò)程對(duì)零組件裝配及工裝設(shè)計(jì)有很大影響，將標(biāo)準(zhǔn)人體的三維模型放入數(shù)字化零組件裝配三維工藝設(shè)計(jì)方案中，可按裝配工藝設(shè)計(jì)流程及AO大綱對(duì)執(zhí)行裝配的工人進(jìn)行可視性、可達(dá)性、可操作性、舒適性以及安全性進(jìn)行全方位的模擬仿真，從而改進(jìn)零組件裝配工藝以及剛性工裝設(shè)計(jì)方案滿(mǎn)足前期設(shè)計(jì)時(shí)的使用性、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性等設(shè)計(jì)原則[5]。現(xiàn)以某機(jī)型垂尾右壁板零組件裝配工裝的設(shè)計(jì)使用性為原則進(jìn)行應(yīng)用驗(yàn)證，以身高1755.8mm、手臂長(zhǎng)601.5mm人員為仿真參與模型，詳細(xì)闡述人機(jī)仿真技術(shù)在飛機(jī)零組件裝配過(guò)程中具體應(yīng)用。

（1）飛機(jī)零組件裝配主要由工裝裝配完成，工裝型架在數(shù)字化工裝設(shè)計(jì)中滿(mǎn)足飛機(jī)零組件裝配要求具有重要作用。型架設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到工裝零件制造準(zhǔn)確度和協(xié)調(diào)性。飛機(jī)零組件裝配型架設(shè)計(jì)基準(zhǔn)選擇包括型架安裝調(diào)平，飛機(jī)坐標(biāo)系下的基準(zhǔn)孔球座以及零件安裝重要坐標(biāo)系的基準(zhǔn)選擇，在利用計(jì)算機(jī)輔助制造設(shè)計(jì)中還要考慮人的作用，如圖5（a）所示。在滿(mǎn)足垂尾壁板裝配的同時(shí)，安裝在工裝型架上的卡板不僅要滿(mǎn)足飛機(jī)零組件裝配的合理性，還要滿(mǎn)足人員在壁板裝配允許范圍內(nèi)輕松地將卡板放起，便于人體姿勢(shì)可達(dá)性。在安全性方面，卡板舉起的位置標(biāo)明相應(yīng)的注意事項(xiàng)。壁板裝配時(shí)，安裝在工裝型架底部的定位和夾緊件的設(shè)計(jì)要符合人體姿勢(shì)范圍內(nèi)舒適性要求等。

（2）垂尾長(zhǎng)桁與壁板裝配時(shí)定位與夾緊件的設(shè)計(jì)在保證人員操作時(shí)，不發(fā)生干涉情況，垂尾壁板與長(zhǎng)桁裝配進(jìn)行人機(jī)干涉檢查如圖5（b）所示。人員的身體或肢體能否方便操作長(zhǎng)桁定位與夾緊器，操作空間大小能否與人肢體發(fā)生干涉，都可通過(guò)人機(jī)仿真進(jìn)行碰撞干涉檢查分析。如果發(fā)生碰撞可在滿(mǎn)足裝配工藝性，要求的情況下進(jìn)行裝配工藝流程或工裝定位與夾緊器的重新設(shè)計(jì)。

（3）飛機(jī)垂尾壁板在型架中裝配時(shí)，對(duì)人員操作的合理性和鉚接裝配的工作效率都有較高要求。壁板在鉚接狀態(tài)下人手可達(dá)性范圍和舒適性，通常應(yīng)使零組件裝配操作人員在最有利的工作狀態(tài)下進(jìn)行工作，按人機(jī)工程的模型大部分制孔和其他作業(yè)的高度在1.1～1.4m范圍內(nèi)工作屬于最佳姿勢(shì)。因此，在飛機(jī)零組件裝配中考慮人員進(jìn)行制孔作業(yè)時(shí)的可達(dá)性與舒適性來(lái)選擇是否需要配備有輔助設(shè)備（工作踏板、工作梯、托架、起吊裝置等）及工藝流程改進(jìn)方案參考。

（4）在飛機(jī)零組件裝配工藝流程設(shè)計(jì)中，在剛性工裝上，壁板完成裝配后的出架方式較重要，出架方式的好壞直接影響型架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與工藝流程設(shè)計(jì)的好壞。而不管在產(chǎn)品出架或上架的過(guò)程中，都要考慮人的可視化程度，如圖5（c）所示。壁板在出架過(guò)程中，人員的可視化范圍可以仿真觀察出架時(shí)各個(gè)角落是否能看見(jiàn)，對(duì)可見(jiàn)視角按人機(jī)工程可視化范圍進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)在仿真狀態(tài)下有看不見(jiàn)的角落或?qū)Ξa(chǎn)品有影響時(shí)，可對(duì)裝配工藝流程進(jìn)行修改、工裝的布局重新設(shè)置或增加操作工裝人員數(shù)量。

在完成某機(jī)型垂尾壁板裝配工藝流程與人機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的分析過(guò)程中，逐步形成人員對(duì)操作工裝裝配產(chǎn)品姿勢(shì)的舒適性以及安全性的受力分析報(bào)告，并對(duì)部分位置碰撞干涉檢查得出分析結(jié)果，最終完成工裝的可行性設(shè)計(jì)[6]。

3 人機(jī)仿真在飛機(jī)零組件柔性裝配中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代化工藝裝備制造技術(shù)的發(fā)展，在飛機(jī)零組件裝配中，柔性工裝技術(shù)得到了快速發(fā)展，柔性工裝一般具有柔性化、數(shù)字化、模塊化和自動(dòng)化的特點(diǎn)[7]。飛機(jī)零組件柔性工裝裝配技術(shù)是利用數(shù)字化技術(shù)形成一套先進(jìn)的飛機(jī)裝配新技術(shù)，也是數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)制造裝配過(guò)程中更深層次的應(yīng)用和延伸。使用柔性工裝裝配技術(shù)是基于標(biāo)準(zhǔn)專(zhuān)用剛性工裝的協(xié)調(diào)與定位技術(shù)、自動(dòng)化柔性制孔技術(shù)、數(shù)字化柔性檢測(cè)技術(shù)、虛擬裝配仿真技術(shù)、自動(dòng)化隨動(dòng)定位控制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合集成工藝裝備技術(shù)[8]。

3.1 人機(jī)仿真的影響

圖5 某機(jī)型垂尾壁板工裝人機(jī)仿真分析過(guò)程Fig 5 Man-machine simulation analysis process of a type of vertical tail wall plate tooling

在利用柔性工裝裝配產(chǎn)品工藝流程設(shè)計(jì)過(guò)程中，為滿(mǎn)足產(chǎn)品裝配過(guò)程的整個(gè)周期性和經(jīng)濟(jì)性，除了工裝、型架的品種數(shù)量和自動(dòng)化、數(shù)字化程度的影響，同時(shí)要考慮人機(jī)工程的影響，如圖6所示?？v橫向分別代表柔性工裝數(shù)字化程度和零組件裝配準(zhǔn)備費(fèi)用與時(shí)間。在零組件柔性裝配工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，考慮人機(jī)工程的影響最佳結(jié)合點(diǎn)在A點(diǎn)，沒(méi)有考慮人機(jī)工程的影響最佳結(jié)合點(diǎn)偏后B點(diǎn)，因此為提高飛機(jī)零組件柔性裝配數(shù)字化、自動(dòng)化的程度，應(yīng)充分結(jié)合人機(jī)工程的影響，從而減少工裝的數(shù)量[6]。人機(jī)仿真技術(shù)在零組件柔性裝配中的應(yīng)用使得圖6中的最佳結(jié)合點(diǎn)越來(lái)越向左移動(dòng)。

3.2 人機(jī)仿真的考慮因素

飛機(jī)零組件的柔性裝配需要操作人員來(lái)完成，因此在裝配仿真過(guò)程中要按照工藝要求考慮工人操作過(guò)程中的可視性、可操作性、可達(dá)性、舒適性以及安全性，同時(shí)依據(jù)人體行為與裝配工藝設(shè)計(jì)合理的零組件柔性裝配仿真工藝流程[9]。圖7所示為零組件柔性裝配優(yōu)化流程。

（1）零組件柔性裝配定位技術(shù)。在零組件柔性裝配定位時(shí)，不僅要考慮零組件本身結(jié)構(gòu)的定位位置對(duì)飛機(jī)組件及部件柔性裝配的影響，還要考慮飛機(jī)零組件在定位的同時(shí)，定位器位置保證人員工作時(shí)的可操作性及安全性，如面向自動(dòng)鉆鉚機(jī)的飛機(jī)壁板柔性裝配工裝。

利用柔性工裝與自動(dòng)鉆鉚機(jī)組合使用情況下機(jī)身壁板柔性鉆鉚裝配，當(dāng)用激光跟蹤儀調(diào)整自動(dòng)鉆鉚機(jī)動(dòng)態(tài)定位器到飛機(jī)壁板裝配理論位置，要對(duì)飛機(jī)壁板與自動(dòng)鉆鉚機(jī)柔性工裝進(jìn)行人工連接，此時(shí)不僅要考慮柔性工裝本身結(jié)構(gòu)剛度、對(duì)接位置的精度、壁板的可裝配性，還要考慮壁板裝配時(shí)操作人員對(duì)連接位置的可達(dá)性、飛機(jī)壁板柔性裝配定位器與夾緊器結(jié)構(gòu)開(kāi)場(chǎng)性、人員作業(yè)時(shí)的舒適性、在多個(gè)人員同時(shí)作業(yè)時(shí)裝配協(xié)調(diào)可視性。因此，零組件裝配柔性定位技術(shù)要考慮人員的位置便于對(duì)裝配流程確定的準(zhǔn)確考慮。

圖6 柔性工裝數(shù)字化程度對(duì)經(jīng)濟(jì)性影響Fig.6 Influence of flexible tooling digitalization on economy

圖7 零組件柔性裝配優(yōu)化流程Fig.7 Flow of component flexible assembly optimization

（2）零組件柔性裝配自動(dòng)化柔性制孔技術(shù)。飛機(jī)零組件精密制孔與鉚接裝配都配備有自動(dòng)制孔與自動(dòng)鉚接設(shè)備，多數(shù)情況下為多自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的機(jī)械壁機(jī)器人與全自動(dòng)鉆鉚設(shè)備。機(jī)器人關(guān)節(jié)能夠靈活地以多種姿態(tài)到達(dá)空間某一點(diǎn)[10]，使機(jī)器人非常適用于具有復(fù)雜形面與干涉情況下飛機(jī)零組件裝配的加工環(huán)境。在進(jìn)行飛機(jī)零組件柔性裝配工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)，人的位置要保證與機(jī)器人的位置不發(fā)生干涉。在大型自動(dòng)鉆鉚機(jī)設(shè)備操作時(shí)人的視覺(jué)所到達(dá)的范圍及人活動(dòng)觀察位置，都要進(jìn)行人機(jī)仿真前期觀察確定，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

（3）零組件數(shù)字化柔性檢測(cè)技術(shù)。在零組件柔性裝配時(shí)需要合理安排零組件裝配自動(dòng)測(cè)量與檢測(cè)工藝流程，要求保證測(cè)量與檢測(cè)在布局過(guò)程中要達(dá)到產(chǎn)品測(cè)量的最佳位置。布局測(cè)量設(shè)備的同時(shí)，人員是測(cè)量與檢測(cè)設(shè)備運(yùn)行的操作者，合理安排操作人員的位置對(duì)產(chǎn)品產(chǎn)生后期測(cè)量的影響較重要。同時(shí)，對(duì)于地面檢測(cè)設(shè)備的布置要充分考慮人員的可達(dá)性和視覺(jué)的影響。

（4）零組件柔性裝配虛擬仿真技術(shù)。零組件虛擬裝配仿真技術(shù)是數(shù)字化柔性裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一，在DELMIA中工裝是以使用資源的形式插入仿真界面中，以某機(jī)型垂尾方向舵柔性裝配工藝流程仿真布局為例，如圖8所示。

通常飛機(jī)零組件柔性裝配可行性要進(jìn)行仿真優(yōu)化，對(duì)于柔性裝配操作人員在虛擬裝配仿真中較重要。人機(jī)的可達(dá)性檢驗(yàn)、柔性裝配位置的可見(jiàn)性檢驗(yàn)、在大型飛機(jī)零組件柔性裝配作業(yè)中空間的合理性與舒適度檢驗(yàn)，可檢查柔性裝配作業(yè)空間是否符合人體作業(yè)需要，總體布局是否合理，裝配操作是否舒適。對(duì)柔性裝配仿真結(jié)果生成可視化的視頻，為現(xiàn)場(chǎng)工人及工藝員提供零組件柔性裝配操作培訓(xùn)，提高安全生產(chǎn)水平和意識(shí)。

（5）柔性裝配計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。數(shù)字化控制技術(shù)在零組件柔性裝配中的應(yīng)用主要是通過(guò)驅(qū)動(dòng)柔性工裝定位與夾緊器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在定位與夾緊器運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行的路徑對(duì)產(chǎn)品裝配過(guò)程中人員的影響較大?？刂萍夹g(shù)是由人工進(jìn)行操作，柔性裝配自動(dòng)控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行范圍要滿(mǎn)足飛機(jī)零組件裝配要求，同時(shí)要保證柔性裝配過(guò)程中不會(huì)影響到人員的操作。通過(guò)人機(jī)仿真技術(shù)與柔性工裝設(shè)計(jì)相結(jié)合的方式，改進(jìn)了零組件裝配工藝方案，加快新機(jī)型的研制進(jìn)度。

圖8 某機(jī)型垂尾方向舵柔性裝配仿真布局Fig.8 Flexible assembly simulation layout of vertical tail

4 結(jié)束語(yǔ)

在飛機(jī)零組件裝配中，零組件裝配通過(guò)使用剛性工裝裝配與柔性工裝裝配進(jìn)行必要的人機(jī)工程仿真分析，減少裝配工藝更改與工裝設(shè)計(jì)時(shí)間，避免出現(xiàn)裝配工藝流程與工裝設(shè)計(jì)不合理導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)品裝配人員無(wú)法作業(yè)的不足，及時(shí)發(fā)現(xiàn)裝配問(wèn)題并糾正裝配過(guò)程中出現(xiàn)的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，縮短裝配周期并提高快速裝配效率。相對(duì)剛性裝配，在對(duì)柔性裝配進(jìn)行人機(jī)工程仿真時(shí)需要考慮到的不僅是裝配人員與工裝及裝配流程，在對(duì)飛機(jī)零組件柔性裝配進(jìn)行人機(jī)工程仿真時(shí)，定位器的位置需要進(jìn)行仿真以保證人員的可操作性，工人對(duì)柔性工裝鏈接裝置的可達(dá)性，以及工人與柔性裝配中使用的機(jī)器人等輔助設(shè)備不發(fā)生干涉，定位器與夾緊器在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不與其他裝置發(fā)生干涉且不影響工人的工作路徑，同時(shí)需要考慮人與柔性設(shè)備中的計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)之間的仿真。在人與工裝夾具發(fā)生干涉時(shí)，剛性裝配需要采取的措施是對(duì)裝配工藝或工裝進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，而對(duì)于柔性裝配而言，僅需對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)。

通過(guò)DELMIA人機(jī)工程仿真功能在零組件裝配中應(yīng)用，虛擬計(jì)算出人的作業(yè)域，從而可以直觀評(píng)估人機(jī)仿真在飛機(jī)裝配工藝流程設(shè)計(jì)體系、對(duì)產(chǎn)品裝配的合理性與操作人員的可達(dá)性，體現(xiàn)了基于DELMIA人機(jī)仿真技術(shù)在未來(lái)工裝設(shè)計(jì)中有很大的應(yīng)用前景。

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