面向航天產(chǎn)品部段儀器數(shù)字化裝配的人機(jī)工程分析

蔡奇彧，賀飛飛，鐘涵，陳勇，林磊

面向航天產(chǎn)品部段儀器數(shù)字化裝配的人機(jī)工程分析

蔡奇彧，賀飛飛，鐘涵，陳勇，林磊

（四川航天長征裝備制造有限公司，四川 成都 610100）

為提高航天產(chǎn)品裝配質(zhì)量、縮短裝配生產(chǎn)周期、改善現(xiàn)有裝配模式，根據(jù)產(chǎn)品裝配工藝特性，研究了部段儀器數(shù)字化裝配的人機(jī)工程仿真建模方法與裝配評(píng)價(jià)方法，利用DELMIA平臺(tái)對(duì)部段儀器的裝配過程進(jìn)行了虛擬人機(jī)工程仿真，對(duì)裝配工藝路徑、操作視野可視性、裝配空間可達(dá)性以及工作姿態(tài)舒適性進(jìn)行分析，并對(duì)裝配工藝的不足提出了建議與改進(jìn)措施。仿真結(jié)果表明，該方法能有效預(yù)測航天產(chǎn)品部段儀器裝配過程中潛在的問題，提供更為合理的工藝解決方案，為數(shù)字化裝配工藝研究奠定基礎(chǔ)。

航天產(chǎn)品；數(shù)字化裝配；人機(jī)工程；DELMIA

人機(jī)工程學(xué)是運(yùn)用生物學(xué)、生物力學(xué)、測量學(xué)、心理學(xué)等多交叉學(xué)科的原理和方法來對(duì)人體結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行研究的新興學(xué)科[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造、數(shù)字化裝配、虛擬現(xiàn)實(shí)等新技術(shù)的飛速發(fā)展，人機(jī)工程理論與計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合得到了較快速發(fā)展，并逐步應(yīng)用于航天、汽車等高科技產(chǎn)業(yè)的工程領(lǐng)域[3-4]。

航天產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造精度高、裝配難度大、裝配過程繁瑣，隨著我國航天事業(yè)的不斷發(fā)展，產(chǎn)品裝配生產(chǎn)的任務(wù)量與質(zhì)量要求越來越高，傳統(tǒng)裝配生產(chǎn)模式已不能滿足產(chǎn)品的任務(wù)需求，需進(jìn)行面向數(shù)字化的轉(zhuǎn)型升級(jí)。面向航天的數(shù)字化裝配工程應(yīng)用主要是采用數(shù)字化技術(shù)來實(shí)現(xiàn)三維模型定義、裝配過程仿真和人機(jī)工程交互等，該類仿真技術(shù)的應(yīng)用打破了“設(shè)計(jì)－制造－評(píng)估”的傳統(tǒng)模式[5-6]，同時(shí)也一定程度避免了實(shí)物驗(yàn)證帶來的時(shí)間和物料成本浪費(fèi)，使制造與設(shè)計(jì)端能協(xié)同交互，并更利于工程技術(shù)人員盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，有利于操作人員迅速領(lǐng)會(huì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)與裝配工藝，幫助企業(yè)縮短產(chǎn)品研制周期，提高產(chǎn)品生產(chǎn)效率。

DELMIA是法國Dassault公司研制的一款面向制造過程的“數(shù)字化制造”平臺(tái)系統(tǒng)，建立一個(gè)交互式結(jié)構(gòu)產(chǎn)品、工藝與資源模型，使得整個(gè)設(shè)計(jì)過程能夠?qū)Ξa(chǎn)品的工藝實(shí)時(shí)驗(yàn)證；其面向人機(jī)工程設(shè)計(jì)與分析的Ergonomics子模塊能夠建立不同比例、不同性別的人體模型，并對(duì)人體各種作業(yè)動(dòng)作進(jìn)行模擬分析，模擬人在不同姿態(tài)下的舒適度與活動(dòng)范圍。

1 人機(jī)工程模型構(gòu)建

在該仿真平臺(tái)系統(tǒng)中進(jìn)行數(shù)字化裝配的人機(jī)工程分析，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)與實(shí)際裝配現(xiàn)場相對(duì)應(yīng)的虛擬裝配空間，用于在虛擬環(huán)境中按照實(shí)際裝配流程進(jìn)行裝配過程的模擬演示，它主要包括人體模型、產(chǎn)品模型、工具工裝模型、和虛擬生產(chǎn)現(xiàn)場等要素。

1.1 建立Manikin人體模型

人體尺寸數(shù)據(jù)普遍用百分位P這種位置指標(biāo)來標(biāo)定，并將人群分為兩部分，%的人小于等于該值，(100－)%的人大于該值，為變換系數(shù)，人機(jī)工程設(shè)計(jì)中與百分位值的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。通常統(tǒng)計(jì)方法中，并不羅列所有百分位，而是以均值與標(biāo)準(zhǔn)差表示，并使用正態(tài)分布曲線來計(jì)算，即：

式中：為任一百分位人體測量尺寸，mm；為人體測量尺寸均值，mm；S為人體測量尺寸標(biāo)準(zhǔn)差，mm。

表1 百分位與變換系數(shù)

本文選用25～35歲、百分位為95%的男性人體尺寸作為模型參考，如圖1所示。

利用DELMIA軟件Human Builder模塊創(chuàng)建虛擬人manikin模型，該模塊能夠創(chuàng)建不同國籍、性別、人體百分位的數(shù)字模型，并可編輯其中的身高、臂長、腿長等信息[7]，實(shí)現(xiàn)精確的人機(jī)工程仿真，虛擬人體模型如圖2所示。

1.1～4.10為人體主要的測量部位和重點(diǎn)關(guān)注尺寸。

創(chuàng)建符合生產(chǎn)實(shí)際的人體模型能夠更好地進(jìn)行裝配過程人機(jī)工程分析。結(jié)合裝配現(xiàn)場操作人員的具體生理尺寸，建立裝配車間虛擬人體模型庫，并對(duì)該庫人員的身高、體重、腿長、臂長等主要關(guān)節(jié)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和設(shè)定，使更加符合實(shí)際裝配過程中人體的尺寸參數(shù)，具體設(shè)定數(shù)值如表2所示。

本文利用實(shí)際測量尺寸，在仿真環(huán)境中建立了裝配該部段的人體模型，提高了虛擬仿真真實(shí)度。

1.2 創(chuàng)建裝配工具模型

在生產(chǎn)現(xiàn)場的部段儀器裝配過程中需要運(yùn)用的工具工裝主要有工作凳、周轉(zhuǎn)箱、卡尺、力矩扳手、鉗子等，按實(shí)物大小創(chuàng)建其三維模型有助于提高后續(xù)人機(jī)裝配仿真分析的精度與真實(shí)度。操作人員在裝配過程中傳遞、搬運(yùn)、抓取工具的工作業(yè)場景如圖3所示。

1.3 創(chuàng)建裝配虛擬環(huán)境

裝配虛擬環(huán)境的創(chuàng)建是在導(dǎo)入產(chǎn)品模型、工具工裝模型、人體模型和裝配現(xiàn)場環(huán)境模型的基礎(chǔ)上，利用DELMIA軟件中Assembly Design模塊建立部段儀器模型、工裝工具模型、人體及生產(chǎn)現(xiàn)場的關(guān)聯(lián)關(guān)系，從而完成裝配的虛擬場景搭建。如圖4所示。

圖2 Manikin人體模型

表2 裝配操作人員關(guān)鍵關(guān)節(jié)尺寸參數(shù)

圖3 操作人員作業(yè)場景

1.4 基于模型的人機(jī)仿真驅(qū)動(dòng)

仿真運(yùn)行過程就是操作人員裝配仿真的過程，表現(xiàn)為虛擬環(huán)境中各模型在特定時(shí)間點(diǎn)執(zhí)行某裝配操作[8-10]。運(yùn)用Human Task Simulation模塊創(chuàng)建人體的一系列裝配工藝動(dòng)作，然后導(dǎo)入至Process工藝樹中驅(qū)動(dòng)仿真，該過程的裝配順序規(guī)劃如圖5所示。

2 人機(jī)工程裝配評(píng)價(jià)

利用DELMIA軟件提供的基于模型包絡(luò)的即時(shí)干涉檢查技術(shù)，對(duì)該航天產(chǎn)品部段儀器的裝配過程進(jìn)行干涉仿真模擬，若儀器虛擬裝配過程存在操作人員手持工具與產(chǎn)品組件發(fā)生干涉，則會(huì)自動(dòng)停止并報(bào)警，有助于設(shè)計(jì)人員即時(shí)做出工藝修正。保證整個(gè)仿真過程無干涉是后續(xù)利用人機(jī)工程分析裝配合理性的前提。

2.1 可視性分析

通過操作人員視野，查看仿真環(huán)境中裝配對(duì)象的可視性，尤其在狹小空間內(nèi)，檢測其可視性是否合理，部段裝配中某儀器裝配過程中的空間視野如圖6所示，同時(shí)結(jié)合人機(jī)工程原理對(duì)其裝配可視性的優(yōu)劣進(jìn)行分析。

圖4 裝配虛擬環(huán)境布局

圖5 裝配順序規(guī)劃

可視性優(yōu)劣：區(qū)域A＞區(qū)域B＞區(qū)域C

實(shí)際裝配過程中常常因?yàn)榭臻g狹小和多人協(xié)同裝配而影響彼此的操作視野。本文中，要完成儀器的精準(zhǔn)裝配，往往需要其中一人調(diào)整姿態(tài)，保證視野從區(qū)域或適度調(diào)整到區(qū)域的范圍內(nèi)。因此，很有必要利用虛擬環(huán)境對(duì)操作人員的視域進(jìn)行分析。人的視野分為直接和觀察兩類。直接視野指保證頭部不動(dòng)情況下人眼所視的范圍，觀察視野指身體不動(dòng)情況下轉(zhuǎn)動(dòng)頭部和人眼所視的范圍，如圖7所示。

圖7 操作人員視野窗口

針對(duì)圖6右側(cè)操作人員視野遮擋問題，有：

式中：K為物體被遮擋的程度；n為被遮擋視野面積，mm2；0＋n為視野總面積，mm2。

當(dāng)K為0.6～0.75時(shí)，可視為操作人員處于較合適的視域空間。本文利用式（2）對(duì)部段內(nèi)裝配某儀器限位螺釘?shù)娜藛T視野進(jìn)行了計(jì)算與分析，得到該人員裝配的K＝0.34，裝配過程該人員的視野較差，需改變操作者姿態(tài)調(diào)整視野至合理范圍，甚至需借助反光鏡應(yīng)對(duì)不可視、盲操作裝配的工況。

2.2 可達(dá)性分析

裝配可達(dá)性是度量儀器的可裝配性，也是分析被裝配儀器是否處于操作人員操作范圍內(nèi)以及操作的難易程度。通過對(duì)斯夸爾斯操作伸及區(qū)域的研究，提出了操作人員在裝配儀器過程中的上肢伸及域[11]。裝配操作人員M2的手臂操作空間如圖8所示，其中陰影部分為手部到肩關(guān)節(jié)的區(qū)域，是最合理的作業(yè)區(qū)域。

利用DELMIA軟件提供的人體上肢伸及區(qū)域空間分析功能，對(duì)部段中的關(guān)鍵儀器裝配進(jìn)行模擬分析，得出操作人員在施加力矩時(shí)上肢的裝配可達(dá)性，整個(gè)儀器在部段裝配過程中操作人員上肢伸及區(qū)域如圖9所示。分析結(jié)果表明，操作人員裝配姿態(tài)符合操作可達(dá)性，但不在最合理的作業(yè)區(qū)域內(nèi)，整體操作過程中，上肢均位于頭部以上關(guān)節(jié)位，將加大操作人員手臂負(fù)荷，建議在該類儀器裝配時(shí)使用工作凳以提高作業(yè)身位或通過智能升降平臺(tái)降低部段放置高度以達(dá)到斯夸爾斯操作伸及的合理區(qū)域。

圖8 斯夸爾斯操作伸及區(qū)域（單位：mm）

2.3 舒適性分析

舒適性分析是對(duì)操作人員在裝配過程中產(chǎn)生的生理疲勞進(jìn)行分析，并對(duì)操作人員在進(jìn)行裝配作業(yè)時(shí)是否處于最佳姿勢進(jìn)行判別。部段內(nèi)的操作區(qū)域空間狹小且各種儀器、電纜分布密集，長時(shí)間工作在這樣的環(huán)境中會(huì)造成操作人員的舒適度降低。因此，評(píng)估操作人員的裝配作業(yè)姿態(tài)，對(duì)于提高人員裝配效率具有重大實(shí)際意義。

圖9 仿真環(huán)境下操作人員上肢伸及區(qū)域

裝配過程中，操作人員的基本姿態(tài)包含：屈/伸（減少/增加身體上下間夾角）、外展/內(nèi)收（肢體遠(yuǎn)離/移向身體中軸線）、內(nèi)旋/外旋（身體沿縱向軸轉(zhuǎn)動(dòng)）。人體姿態(tài)的變化均依靠對(duì)應(yīng)關(guān)節(jié)角度的變化，因此分析各關(guān)節(jié)的舒展角度對(duì)于判別人體最佳舒適度有直接的影響。利用DELMIA對(duì)操作人員裝配儀器時(shí)的姿態(tài)關(guān)節(jié)合理程度進(jìn)行分析并優(yōu)化，設(shè)定相應(yīng)角度范圍內(nèi)的評(píng)價(jià)依據(jù)，可以得到舒適度區(qū)域的分?jǐn)?shù)，結(jié)合RULA分析共同給出操作人員的姿態(tài)評(píng)價(jià)，如圖10、圖11所示。

仿真分析表明，對(duì)于產(chǎn)品總裝車間身高最高183 cm的操作者M(jìn)6而言，雙手不對(duì)稱姿態(tài)裝配重型儀器且單臂持續(xù)托舉狀態(tài)下會(huì)嚴(yán)重影響舒適性，長期持續(xù)作業(yè)將對(duì)身體上肢及腰椎均造成嚴(yán)重?fù)p傷，而該安裝作業(yè)位置僅能容納兩人協(xié)同操作，均不宜在該姿態(tài)下持續(xù)作業(yè)，建議提高操作者身位或降低安裝支架臺(tái)以增強(qiáng)操作者舒適度；在從工作臺(tái)搬運(yùn)到部段內(nèi)裝配的過程中，該狀態(tài)下一個(gè)操作者搬運(yùn)所能負(fù)載的推薦重量極限為9.5 kg，對(duì)比該儀器的重量23 kg，建議多人協(xié)同搬運(yùn)或采取其他機(jī)械電氣設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸。

1～6表示操作人員單臂持續(xù)托舉儀器時(shí)，肩與髖關(guān)節(jié)的舒適度區(qū)域，其中1為最舒適區(qū)、2為次舒適區(qū)，以此類推。

圖11 搬運(yùn)儀器的舒適性及RULA分析

3 人機(jī)裝配優(yōu)化建議

結(jié)合部段儀器裝配的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出以下建議，其中人機(jī)裝配優(yōu)化方案如圖12所示。

（1）改善現(xiàn)有產(chǎn)品托架臺(tái)，工位采用可自由升降裝置，以滿足不同高度產(chǎn)品的安裝，使產(chǎn)品裝配作業(yè)高度始終處于操作者的斯夸爾斯操作伸及合理區(qū)域，降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高裝配作業(yè)舒適性。

（2）運(yùn)用助力機(jī)械裝置，實(shí)現(xiàn)大、重型儀器在工位內(nèi)的輔助抓取、移動(dòng)和定位裝配，減少在部段內(nèi)裝配作業(yè)人員的數(shù)量，提高裝配效率及人員作業(yè)功效。

（3）改變現(xiàn)有人工搬運(yùn)模式，運(yùn)用AGV（Automated Guided Vehicle，無人搬運(yùn)車）實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品部段、待裝儀器、工具工裝的自動(dòng)物流配送，減少操作者多區(qū)域轉(zhuǎn)運(yùn)和多工位搬運(yùn)產(chǎn)品，降低操作者勞動(dòng)強(qiáng)度。

圖12 人機(jī)裝配優(yōu)化方案示意

4 結(jié)束語

對(duì)于航天產(chǎn)品制造精度高、裝配難度大、裝配過程繁瑣、裝配模式傳統(tǒng)等諸多問題，本文從人機(jī)工程的角度分析了人體測量的關(guān)鍵尺寸參數(shù)，建立了廠房環(huán)境、工具工裝及產(chǎn)品模型，并在DELMIA軟件的DPM模塊中搭建了真實(shí)的仿真環(huán)境，且引入具有實(shí)際裝配人員生理參數(shù)的虛擬人體模型，運(yùn)用Ergonomics模塊對(duì)部段儀器裝配過程進(jìn)行人機(jī)仿真；分析了整個(gè)裝配過程的可視性、可達(dá)性、姿態(tài)舒適性等方面，得出了現(xiàn)有裝配存在的些許問題并給出一定的裝配優(yōu)化建議。實(shí)踐證明，運(yùn)用數(shù)字化仿真方法能夠快速分析裝配過程的工藝缺陷，有助于提高產(chǎn)品裝配質(zhì)量、縮短研制周期、提高生產(chǎn)效率。

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Ergonomic Analysis of Digital Assembly of Instruments for Aerospace Products

CAI Qiyu，HE Feifei，ZHONG Han，CHEN Yong，LIN Lei

( Sichuan Aerospace Changzheng Equipment Manufacturing Co.,Ltd., Chengdu 610100, China )

In order to improve the assembly quality of aerospace products, shorten the assembly production cycle, and improve the existing assembly mode, the ergonomic simulation modeling method and the assembly evaluation method of the digital assembly of the instruments are investigated based on the characteristics of product assembly process, and the virtual ergonomic simulation of the assembly process of the instruments is conducted through the DELMIA platform, the assembly process path, the visibility of the operation field, the accessibility of the assembly space and the comfort of the operator’s working posture are analyzed, and the suggestions and improvements for the instrument assembly process are proposed. The simulation results show that this method can effectively predict the potential problems in the assembly process of aerospace products, and provide more reasonable process solutions, which laid a foundation for the research of digital assembly process.

aerospace products；digital assembly；ergonomics；DELMIA

TH164

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.09.011

1006-0316 (2021) 09-0074-07

2020-10-20

國家自然科學(xué)基金委員會(huì)－中國航天科技集團(tuán)有限公司航天先進(jìn)制造技術(shù)研究聯(lián)合基金（U1737203）；四川省科技計(jì)劃（2020YFG0196）

蔡奇彧（1989－），男，四川德陽人，碩士研究生，工程師，主要從事航天器先進(jìn)裝配制造及數(shù)字化仿真技術(shù)研究工作，E-mail：caiqiyu0727@163.com。