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      淺談船舶虛擬維修性仿真與分析

      2015-01-10 07:49:40陳偉軍
      科技視界 2015年34期
      關(guān)鍵詞:視錐維修性虛擬環(huán)境

      陳偉軍 張 燚

      (駐某廠代表室,廣東 廣州 510382)

      0 概述

      維修性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)所賦予的一種固有屬性,它通常定義為:“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修時(shí),保持或恢復(fù)到其規(guī)定狀態(tài)的能力”。其中,維修性的定性定量要求己經(jīng)全面納入了設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)或研制任務(wù)書中。

      產(chǎn)品的維修性模型是對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行維修性定性定量評(píng)估的重要工具之一,利用維修性模型可以從定性定量的角度,分析影響產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)的因素,確定影響因素的主次關(guān)系,為設(shè)計(jì)的改進(jìn)提出建設(shè)性的意見,從而影響產(chǎn)品的設(shè)計(jì),降低全壽命費(fèi)用,提高產(chǎn)品的完好性。由此可見產(chǎn)品的維修性模型及其建模對(duì)產(chǎn)品維修性設(shè)計(jì)的優(yōu)劣起著十分關(guān)鍵的作用。

      以前的艦船設(shè)計(jì)通常利用三向視圖的二維線條對(duì)艦船三維實(shí)體進(jìn)行描述,設(shè)計(jì)和施工圖紙均為平面圖紙,由于艦船結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜,二維線條對(duì)其描述的不完整性,以及平面與空間模型轉(zhuǎn)換可能帶來大量差錯(cuò),會(huì)造成圖紙的修改和生產(chǎn)過程中的大量返工,使艦船設(shè)計(jì)和建造周期延長(zhǎng),生產(chǎn)成本增加。

      隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,應(yīng)用3D技術(shù)構(gòu)建虛擬環(huán)境、建立虛擬人體模型并最終實(shí)現(xiàn)在虛擬環(huán)境中讓虛擬人面對(duì)虛擬產(chǎn)品進(jìn)行工作已經(jīng)成為可能。應(yīng)用計(jì)算機(jī)進(jìn)行全虛擬環(huán)境內(nèi)工作過程的仿真不僅便于在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行修改,節(jié)約設(shè)計(jì)者和生產(chǎn)者的時(shí)間,使產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期縮短,節(jié)省成本,更重要的是可以方便地通過對(duì)各項(xiàng)參數(shù)的調(diào)試來調(diào)整產(chǎn)品,從而迅速地從實(shí)際應(yīng)用的角度對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。同時(shí),在確定環(huán)境下對(duì)維修全過程的仿真模擬還可以方便地確定在該環(huán)境中工作人員的參數(shù)和活動(dòng)空間。

      利用虛擬仿真技術(shù),在計(jì)算機(jī)上將設(shè)計(jì)得到的三維模型預(yù)裝配到一起。這樣可避免物理原型的應(yīng)用,也可對(duì)零部件進(jìn)行干涉檢驗(yàn),減少樣品利用率。最重要的是能在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中,利用各種技術(shù)手段如分析、評(píng)價(jià)、規(guī)劃、仿真等充分考慮產(chǎn)品的維修環(huán)節(jié),預(yù)先在設(shè)計(jì)中考慮維修時(shí)的工作環(huán)境及其相關(guān)各種因素的影響。

      1 國(guó)內(nèi)外虛擬仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀

      造船發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛利用信息技術(shù)給造船業(yè)帶來的各種機(jī)遇,積極開展船舶以數(shù)字化描述和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合為特征的虛擬設(shè)計(jì)和制造仿真技術(shù)的研究。

      美國(guó)于1992年由ARPA資助進(jìn)行了下一代船舶設(shè)計(jì)系統(tǒng)———基于設(shè)計(jì)仿真SBD(SimulationBased Design)的項(xiàng)目研究,目標(biāo)是建立一個(gè)能預(yù)先進(jìn)行船舶設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和評(píng)價(jià)的虛擬環(huán)境,即在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和虛擬建造船舶。美國(guó)CAD/CAM廠商正在聯(lián)合開發(fā)一個(gè)船舶設(shè)計(jì)制造軟件系統(tǒng)Virtual Design,目的是通過無縫的多學(xué)科集成(工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、后勤及相應(yīng)的商務(wù)系統(tǒng)),來減少船舶設(shè)計(jì)50%以上的時(shí)間和成本。日本也大力開展造船CIMS和CALS研究及原型系統(tǒng)的實(shí)施;韓國(guó)也大力開展了有關(guān)敏捷制造、電子采購(gòu)系統(tǒng)、基于agent造船設(shè)計(jì)和生產(chǎn)調(diào)度計(jì)劃系統(tǒng),以及電子商務(wù)等的研究;歐盟也進(jìn)行了G82MARVEL等的研究,為新一輪的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)做好技術(shù)儲(chǔ)備。

      國(guó)內(nèi)造船工業(yè)也積極從事船舶先進(jìn)制造技術(shù)的研究,例如:船舶總公司開展了由傳統(tǒng)造船向現(xiàn)代造船模式轉(zhuǎn)換的專項(xiàng)研究;滬東造船集團(tuán)的“計(jì)算機(jī)輔助造船信息集成系統(tǒng)研究”;由廣船國(guó)際、上海交通大學(xué)、船舶工藝研究所三方聯(lián)合研究的國(guó)家經(jīng)貿(mào)委重點(diǎn)創(chuàng)新項(xiàng)目“船舶集成制造技術(shù)”等。近年來,國(guó)內(nèi)多數(shù)大型造船企業(yè)、設(shè)計(jì)院和大學(xué)等研究機(jī)構(gòu)相繼引進(jìn)國(guó)外大型船舶設(shè)計(jì)制造集成軟件TRIBON、CADDS5 、CATIA/ENOVI2A 等。

      2 虛擬維修性分析

      2.1 維修工作空間分析

      工作空間設(shè)計(jì)與工作性質(zhì)、生產(chǎn)流程、作業(yè)者的作業(yè)行為特點(diǎn)及安全要求等諸多因素相關(guān)。工作空間設(shè)計(jì)的合理性與否,不僅關(guān)系到生產(chǎn)活動(dòng)的有序性、空間利用的經(jīng)濟(jì)性和工作活動(dòng)的有效性,而且對(duì)于作業(yè)者的舒適性、滿意感及安全健康均有重要影響。

      根據(jù)工作空間設(shè)計(jì)的基本要求,維修部位是否實(shí)體可達(dá)采用可達(dá)包膜(Reach Envelope)判斷,可達(dá)包膜用球狀面描述了人體上肢能觸及到的范圍,其中包含了碰撞檢測(cè)算法,可以精確判斷維修部位是否處于可達(dá)包膜之內(nèi)。通過碰撞檢測(cè)算法,判斷人員在操作過程中是否發(fā)生部件、工具及人體間的干涉,從而實(shí)現(xiàn)工作空間可達(dá)性分析。

      2.2 維修可視性分析

      受人的生理特征限制,人的視野所能看到的空間范圍是確定的,在GJB2873-97中對(duì)人的垂直和水平視野分別做出了規(guī)定。當(dāng)人頭部保持直立不動(dòng)而只是眼球在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),人的垂直視野方向的正常視線是水平線下15°,這是人眼最舒適自然的視線角度。該視線的上下15°是人的最佳垂直視野范圍,正常視線上方40°至下方20°是人的最大垂直視野范圍。

      基于人的生理視野區(qū)域特性,人眼觀察物體時(shí),眼睛可看作一個(gè)光源,發(fā)射出光線,視線所至的地方形成一個(gè)包絡(luò),從空間上看,是一個(gè)截面為橢圓的錐形空間,即可視錐,視錐的頂點(diǎn)在兩眼視距與人的矢狀面的交點(diǎn)處,垂直于可視錐作的截面便分別對(duì)應(yīng)雙視野區(qū)域(較小的視錐)和最大視野區(qū)域(較大的視錐)。

      可視錐所占據(jù)的空間便是人眼視線達(dá)到的范圍,可看作人的眼睛發(fā)出的一道圓錐形光束,光束所覆蓋到的地方便是人眼可以看到的,而被可視錐覆蓋下的后部陰影部位以及可視錐以外的區(qū)域,則是人眼在這個(gè)姿態(tài)下所不能看到的地方。對(duì)于視覺可達(dá)性的計(jì)算機(jī)輔助驗(yàn)證主要利用空間幾何的知識(shí),生成各類生理視野的內(nèi)切錐,它們具有不同的錐頂角。根據(jù)內(nèi)切錐是否能夠包容維修人員將要操作的維修對(duì)象來判斷其視覺可達(dá)性的好壞,這種驗(yàn)證方法稱為內(nèi)切錐驗(yàn)證法。

      根據(jù)生理常識(shí)可知,單眼視野和雙眼視野是不相同的,只用左眼或右眼單獨(dú)觀察時(shí)所能看到的區(qū)域稱為單眼視野;用左眼或右眼單獨(dú)觀察到的兩個(gè)單眼視野的合成區(qū)域稱為兩單眼視野;用左眼和右眼同時(shí)觀察時(shí)兩眼都看到的區(qū)域,即兩單眼視野的重疊部分稱為雙眼視野。

      這種通過研究人體模型可視錐的方法來研究產(chǎn)品的可視性能直接模擬維修人員真實(shí)的維修情況,直觀的反映了產(chǎn)品的維修可視性好壞,具有很強(qiáng)的說服力。

      2.3 維修可達(dá)性分析

      根據(jù)維修可達(dá)性的定性要求,在虛擬模型中進(jìn)行碰撞和干涉分析的主要內(nèi)容是檢驗(yàn)維修人員在維修過程中是否與維修對(duì)象發(fā)生干涉,作業(yè)空間能否為操作者創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境等。碰撞和干涉的定性評(píng)估可通過虛擬維修過程直接判斷。

      實(shí)體可達(dá)性是指維修部位能否被接觸到的一種特性。在維修過程中,維修人員是維修的主體,手在維修過程中起著直接的作用,維修部位能不能被接觸到,是指手或者是手拿著工具能否接觸到維修部位。所以以單手臂為研究對(duì)象,分析實(shí)體可達(dá)性。采取遍歷維修姿態(tài)的方法分析是否存在一種手臂姿態(tài)使得手臂可被維修空間充分包容,如果存在,則認(rèn)為維修部位可達(dá)。

      首先建立了人體手臂的簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)模型,在虛擬環(huán)境中設(shè)定虛擬人的維修姿態(tài),并對(duì)每一種姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析,如果存在一種或一種以上的姿態(tài)使得虛擬人的整個(gè)維修動(dòng)作可以再允許空間內(nèi)被充分包容,則認(rèn)為實(shí)體可達(dá)性良好,如果檢測(cè)到一種姿態(tài)不符合要求則跳入下個(gè)姿態(tài)進(jìn)行檢測(cè)分析,直到找到具有良好可達(dá)性的姿態(tài)。如果最終遍歷所有姿態(tài)都不符合維修實(shí)體可達(dá)的要求,則認(rèn)為實(shí)體可達(dá)性較差。

      3 虛擬維修仿真技術(shù)的展望

      通過虛擬人的活動(dòng)仿真進(jìn)行三維設(shè)計(jì)的有效性驗(yàn)證是一個(gè)非常復(fù)雜的研究領(lǐng)域,它不但涉及的知識(shí)面廣,還必須與各個(gè)領(lǐng)域的生產(chǎn)實(shí)際相結(jié)合,所以要真正達(dá)到實(shí)用化,在理論和應(yīng)用方面尚需大量工作:

      (1)細(xì)化人因工程的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范,使計(jì)算機(jī)分析結(jié)果更加貼近實(shí)際,使其結(jié)論更加可信并最終達(dá)到以計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)代替或者部分代替真實(shí)實(shí)驗(yàn)的目的。

      (2)有針對(duì)性地對(duì)一些三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行有關(guān)人機(jī)工程的二次開發(fā),提煉出針對(duì)性強(qiáng),實(shí)用可靠的功能模塊。

      (3)進(jìn)一步研究虛擬維修仿真技術(shù),完善人體姿勢(shì)庫(kù),增加標(biāo)準(zhǔn)零件庫(kù)、工具庫(kù),簡(jiǎn)化實(shí)際應(yīng)用臨時(shí)建模的時(shí)間,同時(shí)也便于建立標(biāo)準(zhǔn)化的維修拆卸仿真過程。

      (4)加大結(jié)合實(shí)例應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)有效性驗(yàn)證分析的力度,積累經(jīng)驗(yàn),為今后的進(jìn)一步工作提供經(jīng)驗(yàn)支持。

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