基于DELM IA的某科研航空產(chǎn)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(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

盡管現(xiàn)代自動(dòng)化技術(shù)突飛猛進(jìn)，但人工提舉作業(yè)在航空制造中仍較為普遍，特別是在產(chǎn)品科研各階段的裝配作業(yè)中。因?yàn)楹娇债a(chǎn)品轉(zhuǎn)批產(chǎn)前涉及多個(gè)科研階段，每個(gè)階段的產(chǎn)品均為小批量，且由于設(shè)計(jì)不合理、零部件制造工藝經(jīng)驗(yàn)不足等原因?qū)е碌膯?wèn)題通常集中暴露在此階段，導(dǎo)致實(shí)際作業(yè)無(wú)法形成節(jié)拍，不適合建立自動(dòng)化生產(chǎn)線(xiàn)實(shí)現(xiàn)流水化作業(yè)。而靈活的人工提舉作業(yè)方式有較強(qiáng)的適應(yīng)能力，更能滿(mǎn)足科研各階段航空產(chǎn)品裝配作業(yè)的需求。目前，產(chǎn)品的裝配工藝策劃工作主要還是依靠工程經(jīng)驗(yàn)為主，未借助現(xiàn)代化人機(jī)工程CAD系統(tǒng) （Computer Aided Ergonomics Design System）開(kāi)展系統(tǒng)的、全面的、科學(xué)的裝配工藝策劃工作。同時(shí)，由于產(chǎn)品技術(shù)狀態(tài)未固化，工藝人員、作業(yè)人員未積累足夠針對(duì)新產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)，作業(yè)人員常常缺乏詳細(xì)的、切實(shí)可行的作業(yè)指導(dǎo)，導(dǎo)致作業(yè)過(guò)程中可能發(fā)生因視野、姿態(tài)不適、負(fù)荷過(guò)大等原因造成的事故。

同時(shí)，作業(yè)人員提舉作業(yè)不當(dāng)容易引起下背痛、肌肉骨骼等疾病。據(jù)有關(guān)資料顯示，馬來(lái)西亞制造業(yè)中每10萬(wàn)名工人就有 3.5人患有肌肉骨骼疾病[1]。德國(guó)、美國(guó)等每年治療下背痛疾病的醫(yī)療成本均在百億美元以上[2]。而我國(guó)近年來(lái)制造業(yè)高速發(fā)展，勞動(dòng)者平均文化程度、自我保護(hù)意識(shí)等都有了顯著的提升，勞動(dòng)者越來(lái)越關(guān)注職業(yè)健康問(wèn)題。而長(zhǎng)期以來(lái)勞動(dòng)保護(hù)力度薄弱積累下來(lái)的職業(yè)病隱患已進(jìn)入高發(fā)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(jī)工程CAD系統(tǒng)提前對(duì)工作環(huán)境中人體操作空間、操作姿態(tài)、操作強(qiáng)度進(jìn)行工效學(xué)分析評(píng)價(jià)，并針對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)方案和工藝方案的調(diào)整及優(yōu)化。

1 人機(jī)工程CAD系統(tǒng)

人機(jī)工程CAD系統(tǒng)是指由計(jì)算機(jī)硬件和能協(xié)助人進(jìn)行人機(jī)工程設(shè)計(jì)的軟件共同構(gòu)成，并通過(guò)研究人在某種工作環(huán)境中的解剖學(xué)、生理學(xué)和心理學(xué)等方面的各種因素，分析人和機(jī)器及環(huán)境的相互作用，對(duì)人員的工作效率、健康、安全和舒適等問(wèn)題進(jìn)行評(píng)價(jià)的系統(tǒng)[4]。

目前，人機(jī)工程CAD系統(tǒng)已經(jīng)可以流暢的在PC上運(yùn)行，并降低了售價(jià)，實(shí)現(xiàn)了桌面化，為其在制造業(yè)的普及鋪平了道路[4]。

一般來(lái)說(shuō)，人機(jī)工程CAD系統(tǒng)已包含人機(jī)工程設(shè)計(jì)的基本理論、方法、常用資源（人體尺寸數(shù)據(jù)、肢體活動(dòng)范圍、視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、體力特性等），并可以嵌入數(shù)字設(shè)計(jì)流程中，提高協(xié)同設(shè)計(jì)效率[4]。當(dāng)前，世界上功能較完善、應(yīng)用較廣的人機(jī)工程CAD系統(tǒng)有SAMMIE、JACK、SAFEWORK、RAMSIS、UG NX、DELMIA。

除美國(guó)通用公司外，大多數(shù)汽車(chē)公司及美國(guó)波音、歐洲空客等飛機(jī)公司都采用法國(guó)著名軍用飛機(jī)制造公司Dassault開(kāi)發(fā)的CAD/CAE/CAM軟件作為骨干建模、仿真分析的平臺(tái)。本文基于Dassault公司開(kāi)發(fā)的DELMIA系統(tǒng)，并以某科研階段航空產(chǎn)品DXT艙裝配作業(yè)過(guò)程為研究對(duì)象，進(jìn)行裝配工序仿真和人機(jī)工效分析、評(píng)價(jià)及優(yōu)化工作。

2 創(chuàng)建中國(guó)人體模型

2.1 DELMIA人體模型庫(kù)的分析

DELMIA尚未建立中國(guó)大陸人的人體模型庫(kù)，只提供了美國(guó)、加拿大、法國(guó)、日本、韓國(guó)、德國(guó)以及中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的人體模型庫(kù)。不同種族、地域的人體尺寸相差較大，無(wú)法通用[4]，故為保證人機(jī)工效仿真評(píng)價(jià)的有效性，有必要建立中國(guó)人體模型。通過(guò)對(duì)DELMIA人體模型庫(kù)的研究、分析可知：

1）仿真系統(tǒng)對(duì)人體模型共定義了255個(gè)變量，其中HME （Human Measurements Editor）模塊Variable list定義了103個(gè)直接變量。

2）一個(gè)人群的人體模型文件 （擴(kuò)展名為“.sws”）最多包含四個(gè)文件段，分別為人體尺寸均值和標(biāo)準(zhǔn)差文件段（MEAN_STDEV）男、女性各一，人體尺寸變量間相關(guān)性的文件段（CORR）男、女性各一。

3）一般來(lái)說(shuō)顯性變量是需要在人體模型文件MEAN_STDEV數(shù)據(jù)段中直接提供Mean值、Std.Dev值。

4）仿真系統(tǒng)提供的7個(gè)人體模型庫(kù)中，美國(guó)人體模型文件MEAN_STDEV數(shù)據(jù)段中直接給定的變量數(shù)為104個(gè)，多提供了變量us218的Mean值、Std.Dev值。

5）加拿大、法國(guó)、日本、韓國(guó)人體模型文件MEAN_STDEV數(shù)據(jù)段中提供的變量都是103個(gè)，與Variable list保持一致。

6）而中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)、德國(guó)人體模型文件MEAN_STDEV數(shù)據(jù)段中提供的變量分別僅為74個(gè)、29個(gè)，數(shù)量低于Variable list要求。

2.2 中國(guó)人體模型庫(kù)的建立

我國(guó)GB/T 10000—1988 《中國(guó)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(lèi)47項(xiàng)、2類(lèi)11項(xiàng)基本靜態(tài)人體尺寸數(shù)據(jù)，并不足以直接利用創(chuàng)建中國(guó)人體模型?？赏ㄟ^(guò)以下方式獲得其它所需人體模型數(shù)據(jù)：

李麗是北京一所普通大學(xué)的學(xué)生，專(zhuān)業(yè)一般，可是讓李麗的所有同學(xué)甚至連老師都沒(méi)有想到的是，李麗在大四的下學(xué)期就找到了一份無(wú)論是發(fā)展空間還是待遇都相當(dāng)好的工作，而且拿到了北京戶(hù)口，聽(tīng)老師說(shuō)她的就業(yè)狀況是近幾年來(lái)畢業(yè)同學(xué)中最好的。

1）將中國(guó)人體尺寸數(shù)據(jù)近似看作服從正態(tài)分布規(guī)律，根據(jù)GB/T 10000—1988 《中國(guó)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(shù)據(jù)，利用MATLAB計(jì)算得出每個(gè)人體尺寸不同百分位的標(biāo)準(zhǔn)差，取其平均值作為該項(xiàng)人體尺寸的標(biāo)準(zhǔn)差。

2）對(duì)于特定種族人群，某一人體尺寸數(shù)據(jù)與基本人體尺寸數(shù)據(jù)（如身高、體重、手長(zhǎng)等）之間是存在線(xiàn)性關(guān)系的[4]，見(jiàn)以下公式：

式中Us i、Us j分別為255個(gè)人體尺寸變量中第i、j個(gè)變量，且Us j應(yīng)為基本人體尺寸變量，k、b為常數(shù)。

3）仿真系統(tǒng)提供的人體模型庫(kù)文件CORR文件段中詳細(xì)提供了各變量之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系，而理論上同為蒙古人種的中、日兩國(guó)人體模型變量之間關(guān)聯(lián)關(guān)系應(yīng)是一致的。通過(guò)對(duì)比仿真系統(tǒng)提供的日本和中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)人體模型庫(kù)可發(fā)現(xiàn)，兩者對(duì)應(yīng)的男、女性變量間相關(guān)性文件段 （CORR）中變量之間的相關(guān)性系數(shù)是相同的，故可參考這些關(guān)聯(lián)關(guān)系建立中國(guó)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(chǎn)品的DXT艙裝配過(guò)程為對(duì)象進(jìn)行裝配工藝仿真，為科研階段和轉(zhuǎn)批產(chǎn)階段的工藝策劃提供指導(dǎo)。

DXT艙由主體件及4個(gè)DM件組成，其中主體件理論重量為11.7 kg，單個(gè)DM件理論重量為1.35 kg；DXT艙屬外購(gòu)成附件，按要求必須存放在專(zhuān)用周轉(zhuǎn)箱中進(jìn)行廠內(nèi)周轉(zhuǎn)、運(yùn)輸，箱體理論重量3.66 kg。整個(gè)裝配作業(yè)分為作業(yè)準(zhǔn)備、DXT艙組裝作業(yè)、DXT艙與FDJ艙對(duì)接三個(gè)部分，裝配工藝仿真工作的流程如圖1所示。

3.2 數(shù)模準(zhǔn)備及輕量化處理

創(chuàng)建操作工具、工藝裝備、基礎(chǔ)設(shè)施等的三維數(shù)模，并建立資源庫(kù)，如圖2所示。

圖1 裝配工藝仿真流程圖

圖2 建立資源庫(kù)

3.3 裝配工序的仿真

作業(yè)方案如下：

1）作業(yè)準(zhǔn)備：一人負(fù)責(zé)將已出庫(kù)的標(biāo)準(zhǔn)件、操作工具、耗材等裝配作業(yè)所需物資準(zhǔn)備到位，另一人員負(fù)責(zé)將已出庫(kù)的成附件運(yùn)送至現(xiàn)場(chǎng)貨架上臨時(shí)存放；

2）DXT艙組裝作業(yè)：從成件箱中取出成件及其附件放置于工作臺(tái)上，并完成DXT主體與四件DM件的裝配，裝配標(biāo)準(zhǔn)件；

3）艙段對(duì)接作業(yè)：確認(rèn)FDJ艙已可靠支撐，且高度、姿態(tài)適宜裝配后，拆卸FDJ艙的WPG；

4）將DXT艙沿艙體軸線(xiàn)方向水平推入FDJ艙，裝配緊固件及WPG。

根據(jù)作業(yè)工序方案，設(shè)計(jì)PERT Chart，創(chuàng)建Human Task及Activity，并為 Process分配人員、工具、工裝等資源及Task，Process simulation過(guò)程中進(jìn)行可視性分析、可達(dá)性分析、干涉性分析，完成整個(gè)裝配工藝可行性的驗(yàn)證，部分工序仿真如圖3所示，其中DXT艙組裝工序和艙段對(duì)接工序作業(yè)方式都是一人主要負(fù)責(zé)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(tài)評(píng)估及優(yōu)化

完成作業(yè)工序仿真后，應(yīng)根據(jù)實(shí)際工序作業(yè)情況，對(duì)各工序進(jìn)行校對(duì)，調(diào)整人員部分不恰當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)姿態(tài)。而對(duì)于某些工序，若依據(jù)經(jīng)驗(yàn)較難判斷作業(yè)姿態(tài)是否為最佳時(shí)，可通過(guò)HPA模塊（Human Posture Analysis）分檔劃分人體各關(guān)節(jié)自由度的活動(dòng)范圍，確定優(yōu)選角度，再應(yīng)用Postural Score Analysis、Find best posture工具使各部位處于優(yōu)選角度分值最高的區(qū)域，最終確定最佳姿態(tài)，如圖4所示。

3.5 裝配工序的工效分析

針對(duì)作業(yè)過(guò)程中一些需對(duì)人體關(guān)節(jié)、部位較大負(fù)荷的行為，可合理運(yùn)用 HAA模塊 （Human Activity Analysis）的 RULA（Rapid Upper Limb Assessmen，快速上肢評(píng)價(jià)法）、Push-Pull Analysis（推拉分析）、Lift-Lower (升降分 析)、Carry Analysis （搬 運(yùn)分析 ）、Biomechanics Single ActionAnalysis（生物力學(xué)單一動(dòng)作分析）等進(jìn)行工效分析。

圖4 Human Posture Analysis關(guān)節(jié)自由度分檔

工效分析主要是對(duì)作業(yè)過(guò)程中的人體工作姿態(tài)舒適性分析、能量消耗分析等。各裝配作業(yè)工序的工效分析如表1所示，其中艙段對(duì)接屬于小間隙套接，通過(guò)環(huán)向12個(gè)螺釘進(jìn)行緊固，套接區(qū)密封槽裝配有密封圈。由于DXT艙內(nèi)附件較多且都通過(guò)螺釘緊固在艙內(nèi)壁，而壁厚較薄，剛度不足，易導(dǎo)致套接面形變，艙段對(duì)接較困難，需提前在配合面、密封圈處涂抹潤(rùn)滑脂，并確保推入過(guò)程中兩對(duì)接艙段始終同軸，且處于正確姿態(tài)，否則人力難以推入，即使強(qiáng)行推入后，若孔位無(wú)法對(duì)齊，因套接面變形也不易調(diào)整。工藝規(guī)劃由兩人配合完成艙段對(duì)接作業(yè)，一人負(fù)責(zé)雙手承托DXT艙，確保艙體處于正確對(duì)接姿態(tài)后，另一人負(fù)責(zé)從艙段尾部施力，將艙段套接區(qū)沿軸向推入對(duì)接艙段套接區(qū)。

表1 工序工效分析方法

表2 LI級(jí)別定義

1）成件出庫(kù)后，置于現(xiàn)場(chǎng)貨架第一層，作業(yè)人員放置/提舉周轉(zhuǎn)箱姿態(tài)的 Lift-Lower（NIOSH 1991）評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5（a）所示，其中1 lift every設(shè)置為最大值28800 s（科研階段產(chǎn)品量小、問(wèn)題多），Duration為8 Hours，Coupling condition 選擇 Good，Object weight為 10.38 kg，評(píng)價(jià)結(jié)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(jí)別的定義，將周轉(zhuǎn)箱存放位置調(diào)整為第二層，工效評(píng)價(jià)結(jié)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(píng)價(jià)結(jié)果稍有改善但作業(yè)活動(dòng)仍不符合工效要求，需作出調(diào)整，現(xiàn)調(diào)整為兩人配合從第二層貨架取周轉(zhuǎn)箱，Lift-Lower（NIOSH 1991）工效評(píng)價(jià)結(jié)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(shù)1 lift every設(shè)置為批產(chǎn)理論節(jié)拍1200 s，評(píng)價(jià)結(jié)果如圖5（d）所示，符合工效要求。

圖5 工序③的Lift-Lower分析結(jié)果

2）將周轉(zhuǎn)箱搬運(yùn)至工作臺(tái)的過(guò)程通過(guò)Carry Analysis（Snock＆Ciriello 1991）分析的結(jié)果如圖 6 所示，其中，1 carry every理論時(shí)間300s，理論搬運(yùn)距離為3.5 m。搬運(yùn)對(duì)象重量低于最大值304.61 N，但Hands distance稍大于極限，故作業(yè)活動(dòng)調(diào)整為兩人配合搬運(yùn)。

3）艙段對(duì)接時(shí)作業(yè)人員承托DXT艙的姿態(tài)經(jīng)RULA分析的結(jié)果如圖7（a）所示，參考表3評(píng)分的定義，F(xiàn)inal Scores 7不符合要求。作業(yè)方式調(diào)整為“兩人承托，一人對(duì)接”后，工效分析結(jié)果如圖 7（b）所示，F(xiàn)inal Scores 6仍不符合要求。因成件主體長(zhǎng)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(duì)接過(guò)程對(duì)艙段的對(duì)接姿態(tài)要求較高，故建議采用對(duì)接車(chē)代替人力承托進(jìn)行艙段對(duì)接，降低作業(yè)人員上肢及下背部肌肉損傷幾率，同時(shí)也避免因人力未能維持對(duì)接艙段正確姿態(tài)，導(dǎo)致的艙段無(wú)法推入套接面或多次裝配作業(yè)過(guò)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(jié)果

圖7 工序⑥的RULA分析結(jié)果

表3 RULA Score定義

表4 作業(yè)時(shí)間仿真估算

3.6 工序作業(yè)時(shí)間仿真估算

對(duì)方案調(diào)整前、后的作業(yè)時(shí)間進(jìn)行仿真估算，如表4所示。方案調(diào)整后，其中將送至現(xiàn)場(chǎng)的配套物資搬運(yùn)至貨架和現(xiàn)場(chǎng)取料至工作臺(tái)的過(guò)程中，減少了人員彎腰的姿勢(shì)，理論搬運(yùn)作業(yè)時(shí)間都減少了2秒，但在作業(yè)總?cè)藬?shù)不變的情況下，成件周轉(zhuǎn)箱、物料盒不能同時(shí)搬運(yùn)，故總時(shí)間反而有所增加。同時(shí)，因?yàn)椴捎脤?duì)接車(chē)輔助進(jìn)行艙段對(duì)接，艙段對(duì)接準(zhǔn)備的理論時(shí)間增加了6秒，但艙段對(duì)接所需迭代次數(shù)由2次減少為1次，理論作業(yè)時(shí)間減少了114秒。綜上，方案經(jīng)優(yōu)化調(diào)整后，理論工序總作業(yè)時(shí)間減少了98秒。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)DELMIA提供的人體模型庫(kù)進(jìn)行了研究分析，基于國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)提出了一種建立中國(guó)人體模型的方法，并應(yīng)用在某科研航空產(chǎn)品裝配工藝策劃階段的裝配工序仿真和人機(jī)工效分析中。通過(guò)裝配工序仿真和人機(jī)工效分析可以仿真整個(gè)裝配作業(yè)過(guò)程，分析作業(yè)人員的可視性、可達(dá)性和姿態(tài)舒適性，零部件裝配過(guò)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(chǎn)品的裝配工藝策劃階段，充分考慮人、產(chǎn)品、工裝工具的相互關(guān)系，為作業(yè)人員提供具體的、切實(shí)可行的作業(yè)指導(dǎo)，避免作業(yè)過(guò)程中發(fā)生因視野、姿態(tài)不適、負(fù)荷過(guò)大等原因造成的事故，一定程度上提高了作業(yè)質(zhì)量和效率；同時(shí)也為航空產(chǎn)品的轉(zhuǎn)批工藝策劃提供了科學(xué)依據(jù)。

通過(guò)人體工效學(xué)評(píng)價(jià)方法的實(shí)例應(yīng)用，RULA、NIOSH和Snock＆Ciriello等評(píng)價(jià)指標(biāo)簡(jiǎn)便易行，可提供針對(duì)性的優(yōu)化調(diào)整方向，易于在航空產(chǎn)品轉(zhuǎn)批前的裝配工藝策劃工作中推廣，控制不良工效負(fù)荷作業(yè)，降低作業(yè)人員患職業(yè)疾病的風(fēng)險(xiǎn)。