面向飛機(jī)總裝的人機(jī)工程仿真技術(shù)

面向飛機(jī)總裝的人機(jī)工程仿真技術(shù)摘要：為了提高飛機(jī)總裝配質(zhì)量，縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，研究了基于飛機(jī)總成裝配技術(shù)特點(diǎn)的飛機(jī)虛擬裝配人機(jī)工程學(xué)、仿真建模分析方法和裝配人機(jī)工程學(xué)仿真分析技術(shù)。關(guān)鍵詞：人機(jī)工程；3DExperience；飛機(jī)裝配；仿真技術(shù)；虛擬現(xiàn)實(shí)；前言隨著飛機(jī)零部件的組裝逐漸從剛性裝配轉(zhuǎn)向柔性裝配，組裝過程的不合理問題變得越來越嚴(yán)重。引入人體工學(xué)模擬可確保零件組合程序完整，以解決此問題介紹了DELMIA的人機(jī)仿真機(jī)制，使用DELMIA的人機(jī)仿真模塊創(chuàng)建了人體模型。建立了人機(jī)模擬評估過程，以垂直尾部右面板的剛性裝配要求為例，詳細(xì)說明了人機(jī)模擬技術(shù)在剛性和柔性部件中的應(yīng)用。一、基于DELMIA的人機(jī)仿真DELMIA的人類模塊包括二級開發(fā)模塊，如人機(jī)尺寸編輯、任務(wù)模擬、活動(dòng)分析、建模和態(tài)度分析。人機(jī)工程學(xué)仿真包括操作輔助功能仿真、可見性仿真、工作空間分析仿真、裝配和拆卸時(shí)間仿真、工作位置舒適性和安全性檢測與仿真。人類模塊可以在虛擬環(huán)境中快速創(chuàng)建人類原型，提供5度、50度和95度的人類模型庫、人體操作模擬模塊、姿態(tài)分析模塊、人體工程學(xué)分析模塊等，適用于飛機(jī)零件裝配虛擬人體操作的人機(jī)工程學(xué)分析。人機(jī)建模模塊主要基于模型創(chuàng)建工具欄來構(gòu)建角色模型。在DELMIA的人文模型中，人類的視覺范圍由人類工程學(xué)定義，而虛擬人體的視覺范圍則根據(jù)人類工程學(xué)指定的角度進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)人體工程學(xué)，人體姿勢是通過ReachEnvelope分析和提供輔助范圍來定義姿勢調(diào)整范圍的。此外，可視窗口可用于模擬模型在不同條件下的可視范圍，以查看工作人員的可視輔助功能是否滿足要求。飛機(jī)零件裝配技術(shù)人員可根據(jù)裝配技術(shù)規(guī)范和現(xiàn)場操作要求，在人機(jī)仿真系統(tǒng)中選擇和調(diào)整飛機(jī)零件裝配技術(shù)。人機(jī)仿真系統(tǒng)顯示裝配技術(shù)人員裝配過程的仿真，并進(jìn)行相應(yīng)的干涉等合理性測試，使裝配技術(shù)人員和裝配設(shè)計(jì)人員能夠考慮裝配是否合理，是否有利于人員操作，以便及時(shí)修改優(yōu)化計(jì)劃。當(dāng)飛機(jī)零件裝配過程確定并生成機(jī)器裝配過程的模擬視頻時(shí)，裝配操作員可以直觀地看到裝配過程，并以最佳和最舒適的姿勢裝配飛機(jī)零件。諸如電纜、環(huán)境控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、大型零件等部件的裝配。飛機(jī)在飛機(jī)的整體裝配階段進(jìn)行飛機(jī)具有組裝質(zhì)量高、生產(chǎn)量低的特點(diǎn)。因此，在飛機(jī)總體組裝過程中組裝部件主要是由工人手工完成的。人工工程仿真-飛機(jī)裝配工藝機(jī)可以提前發(fā)現(xiàn)裝配工藝方案或產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的缺陷，大大提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的合理性和裝配工藝方案的可行性，減少實(shí)際生產(chǎn)中部件裝配操作的難度人工工程仿真對于縮短整個(gè)飛機(jī)的生產(chǎn)周期和降低制造成本非常重要。根據(jù)飛機(jī)裝配過程中手動(dòng)操作的特點(diǎn)，詳細(xì)研究了基于3DExperience的人機(jī)工程仿真-飛機(jī)虛擬裝配機(jī)的分析評價(jià)方法、人機(jī)工程仿真分析模型的構(gòu)建模型等。二、人機(jī)工程模型構(gòu)建工裝工具建模飛機(jī)裝配過程中使用的工具可根據(jù)應(yīng)用過程的適用對象或范圍分為特殊類型和通用類型。通用飛機(jī)裝配工具包括操作規(guī)模、千斤頂定位器等專用工具包括圓形散熱器裝配工具、發(fā)動(dòng)機(jī)安裝平臺、大型零件對接平臺等。工人在這個(gè)過程中常用的工具有螺絲刀、鑰匙、剪刀、鉗子等專用工具。3DExperience軟件提供了符合標(biāo)準(zhǔn)的通用工具和專用工具模型。分析人員可以直接從服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫調(diào)用具有所需類別和參數(shù)的常規(guī)工具。裝配裝置、工作秤、圓形散熱器裝配設(shè)備等。飛機(jī)裝配過程中，由技術(shù)裝備公司按照飛機(jī)裝配生產(chǎn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造。刀具模型由技術(shù)設(shè)備公司提供，仿真分析人員可根據(jù)仿真分析的要求導(dǎo)入相應(yīng)的組件刀具，或使用軟件組件設(shè)計(jì)模塊3d專家來創(chuàng)建刀具的近似模型。人體模型建立在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建產(chǎn)品的“虛擬”和創(chuàng)建產(chǎn)品的三維模型之間有許多不同之處。虛擬機(jī)器人是通過集成信息模型而創(chuàng)建的，是計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAE)的關(guān)鍵技術(shù)。根據(jù)應(yīng)用程序的精度、保真度和范圍，三維虛擬環(huán)境中的人體模型可以分為桿、曲面結(jié)構(gòu)和層次模型。使用3d立體定向軟件創(chuàng)建的虛擬人體模型是基于人體基本骨骼結(jié)構(gòu)、形態(tài)結(jié)構(gòu)、骨骼關(guān)聯(lián)關(guān)系和關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)約束關(guān)系的簡化層次人體模型。創(chuàng)建人體模型的方法為:(1)通過設(shè)置諸如性別、大小、重量等參數(shù)從數(shù)據(jù)庫調(diào)用虛擬人體模型。，從人體知識庫和軟件數(shù)據(jù)庫本身；(2)連接國內(nèi)現(xiàn)有的GB/T和JB/T人體測量學(xué)數(shù)據(jù)庫，或者參考GB/T15759-1995國家標(biāo)準(zhǔn)和中國成人標(biāo)準(zhǔn)GB10000-88的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，創(chuàng)建更加準(zhǔn)確的中文虛擬人體模型，并將其存儲在服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫-系統(tǒng)平臺上，以便分析師(3)使用非接觸式數(shù)字元器件，在飛機(jī)裝配階段采集操作員三維人體模型數(shù)據(jù)，然后結(jié)合人體模型運(yùn)動(dòng)模型和標(biāo)準(zhǔn)人體評價(jià)模型，創(chuàng)建人體模型并將其存儲在人體工程系統(tǒng)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。虛擬場景創(chuàng)建在進(jìn)口飛機(jī)數(shù)字樣機(jī)模型、機(jī)床模型、模型和生產(chǎn)環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，利用三維實(shí)驗(yàn)軟件的基本人體動(dòng)作設(shè)計(jì)功能模塊構(gòu)建飛機(jī)-飛機(jī)工程仿真虛擬場景，對操作進(jìn)行了定義三維體驗(yàn)的人體運(yùn)動(dòng)仿真分析模塊提供了基本的人體運(yùn)動(dòng)，例如行走、上下樓梯、捕捉和運(yùn)輸對象。使用基本人體動(dòng)作的有機(jī)組合來定義虛擬人體模型的組裝動(dòng)作。(1)仿真分析員可直接調(diào)整人體部位的自由度，如頭部、頸部、手臂、脊椎、腿部等，創(chuàng)建不同的人體模型裝配操作姿勢，然后使用關(guān)鍵幀技術(shù)有機(jī)連接人體模型裝配操作姿勢，以完成裝配操作的定義。(2)通過定義裝配運(yùn)動(dòng)路徑來定義裝配動(dòng)作。在3d技術(shù)軟件中，提供了一個(gè)設(shè)計(jì)功能模塊，用于使用對象移動(dòng)人體的一部分，使用部分運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)人體的一部分運(yùn)動(dòng)。(3)通過定義組件之間的組件運(yùn)動(dòng)關(guān)系來定義組件操作，即定義組件或刀具之間的組件約束關(guān)系以及組件運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的自由度，以驅(qū)動(dòng)人體運(yùn)動(dòng)。三、飛機(jī)裝配人機(jī)工效分析1.可視性分析在實(shí)際生產(chǎn)中，通常是由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)計(jì)劃和工藝序列設(shè)計(jì)計(jì)劃不合理，操作人員在裝配過程結(jié)束時(shí)無法或幾乎無法觀察操作零件。在三維體驗(yàn)的虛擬環(huán)境中可以使用人的視覺窗口，在不同姿勢和位置的人的視覺范圍中直接反映裝配過程的可見性，并且可以使用裝配對象的實(shí)際區(qū)域來評估裝配過程的可見性但是，為了最大限度地?cái)U(kuò)大人眼中集合運(yùn)算子的有效區(qū)域，不能將此集合過程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案視為高度可視化，從而使人體脊椎曲率、脊椎曲率等部位和器官。因此，組裝過程的可見性不僅要考慮到人體視口中組裝對象的實(shí)際區(qū)域，還要通過人體各部位器官活動(dòng)的位置系數(shù)加以糾正。通過觀察某事物，人體通過調(diào)整其肢體并本能地鎖定在最佳視野中觀察到的物體，獲得了最好的信息。此時(shí)，可見棱錐體對象可以根據(jù)可見棱錐體的燈光關(guān)系投影到可見棱錐體的截面平面上，并且可見投影曲面與集合對象的總投影曲面的比率是第一個(gè)可見性評估值。在自然站立狀態(tài)下，頸部未彎曲，為了將裝配對象定位在最佳可視區(qū)域，頸部曲率、脊椎曲率和眼睛旋轉(zhuǎn)度可以為操作人員提供額外的工作力。這些都是影響能見度的重要因素2.可達(dá)性分析輔助功能是指在飛機(jī)裝配過程中部件安裝部分的可訪問性，可分為四類:操作輔助功能、接觸輔助功能在評估組件進(jìn)程的無障礙性時(shí)，不應(yīng)僅僅將成員的過渡時(shí)間與成員的過渡時(shí)間相比較。人體可以接觸到裝配作業(yè)的部分，但是主體的通過空間小，刀具的活動(dòng)空間小，不能運(yùn)動(dòng)裝配作業(yè)的力或能見度很差，裝配的無障礙性不好說。輔助功能是指操作者的成員可以影響集合對象，因此操作者的成員比操作通道長是輔助功能的一個(gè)初步指標(biāo)。圖為人體肢體的可達(dá)性：3.勞動(dòng)強(qiáng)度分析勞動(dòng)強(qiáng)度是指裝配部件時(shí)操作者對主體部分施加的力。勞動(dòng)力分析的目的是避免因裝配過度而對人體或零件造成不必要的傷害和損害。人體的勞動(dòng)強(qiáng)度反映在身體每個(gè)部位的強(qiáng)度上，可以使用機(jī)械平衡公式計(jì)算扭矩以及肢體和關(guān)節(jié)的強(qiáng)度。在3d技術(shù)應(yīng)用程序中，操作員成員裝配時(shí)的工作力由成員顏色表示。結(jié)束語綜上所述，文章闡述了飛機(jī)裝配人機(jī)工程仿真分析評價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)和方法。在使用三維體驗(yàn)分析人機(jī)工程學(xué)時(shí)，不考慮操作員的技能水平。此外，3d實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫中的虛擬人體模型與實(shí)際生產(chǎn)中的人類參數(shù)不同，可以進(jìn)一步研