西北工業(yè)大學機電學院 郝天峰 賈曉亮

飛機維修是保證航空系統(tǒng)可靠使用的關鍵環(huán)節(jié)，維修性作為飛機的固有屬性，在設計階段就決定了飛機的維修品質，反映了飛機維修的難易程度。維修性分析和評價應納入到飛機的整個生命周期過程中，尤其在設計階段就要考慮分析維修性，即進行維修性設計。如果在設計階段對維修性考慮不足，會造成飛機維修保障困難和可用度很低，就必須花費更多的時間和費用通過后期更改設計來改善維修性。傳統(tǒng)的維修性設計分析工作中，許多工作項目依賴于物理樣機，這種傳統(tǒng)的“串行”設計方式無法盡早地發(fā)現(xiàn)維修缺陷，有些維修問題甚至要等到飛機投入使用之后才暴露出來，因此隨著數(shù)字樣機、虛擬現(xiàn)實技術和計算機支持協(xié)同設計（Computer-Supported Cooperative Design，CSCD）的發(fā)展，面向產(chǎn)品生命周期管理（Product Lifecycle Management，PLM）進行飛機的虛擬仿真協(xié)同設計，有助于提前發(fā)現(xiàn)問題、解決問題[1]。

面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析

1 面向PLM的飛機維修性協(xié)同設計流程

在現(xiàn)代飛機的設計中，波音公司使用達索公司的PLM V5R16[2]（包括CATIA、DELIMA等）為波音787設計項目提供了一個分布式、世界范圍的協(xié)同工作空間，針對波音787項目進行了數(shù)字化設計、制造和測試，使波音787成為第一架從產(chǎn)品概念設計到生產(chǎn)全過程使用PLM解決方案的飛機，其開發(fā)設計時間與上一代波音777飛機相比，從5年減少到4年。我國的航空工業(yè)通過建立支持多廠所協(xié)同的PLM平臺，從傳統(tǒng)的“一廠一所”研制模式轉變至“多廠多所”跨地域研制模式。

PLM是在產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（Product Data Management，PDM）基礎上發(fā)展而來的一種全新的管理理念和技術，通過管理整個生命周期（包括從產(chǎn)品設計、工藝規(guī)劃、制造裝配、維護服務到報廢回收）中所涉及的產(chǎn)品、過程、資源等，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有序、設計過程的優(yōu)化和資源的共享[3]。對航空產(chǎn)品實施產(chǎn)品全生命周期管理，可以達到優(yōu)化設計和生產(chǎn)流程、提高生產(chǎn)效率、縮短研制周期的目的。

面向PLM的飛機維修性協(xié)同設計考慮各階段的工作相互影響，通過協(xié)同開展工作保證設計任務實現(xiàn)飛機好的維修性。通常飛機設計包括總體設計、部件與系統(tǒng)設計和結構設計3個部分?？傮w設計主要闡述飛機方案的形成；部件與系統(tǒng)設計則是連接前兩者之間的橋梁；結構設計則闡述設計原則方法。面向PLM的協(xié)同設計過程需要在各部門工作者之間提供方便、快捷的信息，并可以即時直觀地呈現(xiàn)設計數(shù)據(jù)，這就需要資源庫等基礎數(shù)據(jù)[4]。設計中還需要采用虛擬維修仿真來驗證設計是否符合維修性要求，在飛機的設計階段中就引入虛擬維修性分析評價，可以提前發(fā)現(xiàn)維修缺陷，進而對設計進行優(yōu)化，如圖1所示。

2 飛機虛擬維修性分析過程

基于數(shù)字樣機的協(xié)同維修性分析是指在設計階段以數(shù)字化信息為基礎，構建數(shù)字化維修仿真環(huán)境，并在維修仿真環(huán)境中進行維修過程建模與仿真，從而獲得維修過程中關于“人-機-環(huán)境”相互作用的數(shù)據(jù)，以維修性設計準則和人因工效標準為基礎進行維修性分析和人因工效分析，從而提前發(fā)現(xiàn)存在的問題。其基本過程如圖2所示[4-6]。基于數(shù)字樣機的協(xié)同維修分析主要包括建模、仿真、分析、協(xié)同、管理、評估等內(nèi)容，其應用框架如圖3所示。

飛機虛擬協(xié)同維修性分析方法

1 飛機虛擬協(xié)同維修性分析建模

對飛機進行虛擬協(xié)同維修分析，要建立數(shù)字化維修環(huán)境模型，包括數(shù)字樣機、工具模型、虛擬場景和虛擬維修人員。

（1）數(shù)字樣機、工具模型創(chuàng)建：產(chǎn)品數(shù)字樣機是維修仿真作業(yè)的對象，基于模型建立數(shù)字樣機，能表現(xiàn)實體的幾何、物理特性并能描述零部件間的關聯(lián)運動和約束關系[6]。

（2）數(shù)字化仿真維修場景創(chuàng)建：數(shù)字樣機、人體模型等都要放置于虛擬維修場景之中，須按照真實特征屬性設計，具有支持維修活動空間、自由度約束等物理屬性和運動屬性，其構建可以分為幾何模型構建、物理屬性建模、行為建模3步。

（3）虛擬維修人員創(chuàng)建：創(chuàng)建維修人員的全尺寸模型，生成具有精確結構層次的數(shù)字人體模型，其特性包括標準姿勢編輯器等。人體建模分人體幾何建模、人體運動建模、人體行為控制3步完成。

圖1 飛機維修性協(xié)同設計流程

2 虛擬協(xié)同維修拆卸分析

零部件的拆卸是飛機維修作業(yè)的重要工作，拆卸在整個維修活動中占有相當比例，必須盡早考慮航空維護修理過程中面臨的拆卸問題。虛擬協(xié)同維修拆卸分析整個流程包括獲取信息、建立模型、拆卸序列及路徑規(guī)劃、干涉碰撞檢測、拆卸過程仿真、人因工效分析過程[7]。圖4為虛擬協(xié)同維修拆卸分析流程圖。

（1）維修拆卸分析所需信息：進行飛機維修拆卸分析首先要根據(jù)數(shù)字樣機模型獲取圖5所示拆卸信息。

（2）基于拆卸約束（DCG）圖建立拆卸模型：可以表示零部件總數(shù)量和零部件間的連接與約束關系。找出所有無法分解的最小拆卸單元作為DCG圖上的節(jié)點識別阻止零部件被拆除的幾何約束，在DCG圖上用無向邊連接兩個相應節(jié)點來代表零部件之間的接觸約束；識別拆卸優(yōu)先級信息，在DCG圖上通過由前驅節(jié)點指向后續(xù)節(jié)點的有向邊來表示非接觸約束[7]。

圖2 虛擬協(xié)同維修性分析過程

圖3 虛擬協(xié)同維修性分析應用框架

（3）拆卸序列、路徑規(guī)劃：根據(jù)DCG圖和拆卸約束信息，由單個零件驅動的遞歸搜索來產(chǎn)生所有可行的拆卸序列，并基于遺傳算法對拆卸序列進行優(yōu)化。拆卸路徑規(guī)劃是根據(jù)已有拆卸序列，在數(shù)字化仿真環(huán)境中對零部件進行移動、旋轉等操作，記錄空間軌跡信息，并進行實時檢測碰撞干涉，保證零部件能夠沿路徑無干涉拆卸到位和獲得合理的拆卸路徑。

3 飛機維修的人因工效分析

圖5 維修拆卸分析所需信息

在飛機的維修過程中，人的因素非常重要，人因分析可對飛機的維修性設計進行分析評估，進而進行改進優(yōu)化，保證工人的安全性和舒適性并提高工作效率。

（1）作業(yè)姿勢分析：拆卸作業(yè)分析有OWAS、NIOSH、RULA等多種方式。OWAS[8]（Ovako Workingposture Analyzing System）用于分析維修人員工作時的身體姿勢，并依照該姿勢所可能引發(fā)的肌肉骨骼傷害程度予以評定等級，提供給維修人員對工作現(xiàn)場進行改善的參考依據(jù)。OWAS分析人體背部、手臂、腿部、頭部的姿勢和人承受的負重，然后根據(jù)5項要素不同狀態(tài)進行編碼組合，分析定義4種疲勞等級，代表當前姿勢健康等級和需改進的緊迫程度，OWAS姿勢分析編碼表如表1所示，OWAS工作姿勢等級如表2所示。

（2）可達性、可視性、碰撞干涉分析。廣義上的可達性分析包括3個方面的內(nèi)容：實體可達性分析，維修人員是否接觸到零部件；作業(yè)空間可達性分析，維修人員是否有足夠的操作空間；視覺可達性分析，維修人員是否看得到目標件以及自己的操作動作。

（3）工作負荷分析。目前國際上廣泛采用的工作負荷定量分析方法是人體動作能耗預測模型[9]，用能耗來分析工作負荷。該模型采用基于動作分解的方法，將維修操作分解為基本的維修動素，通過維修動素的能量消耗累加得到執(zhí)行維修作業(yè)的總能耗。

基于Tecnomatix的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價

1 Tecnomatix簡介

由 Siemens公 司 開 發(fā) 的Tecnomatix[10]是一套數(shù)字化仿真軟件，主要有工藝過程設計模塊（Process Designer）和工藝過程仿真模塊（Process Simulate），可以管理仿真所需數(shù)據(jù)，建立產(chǎn)品樹、資源樹、操作樹，進行三維可視化、工藝設計編制操作；同時可以進行裝配或拆卸路徑的分析、維修過程仿真、人機工程的分析評價等操作。Tecnomatix支持識別UG模型數(shù)據(jù)，直接讀入及修改而避免因格式轉換造成模型特征的丟失，同時支持JT格式轉換功能。JT格式是一種Tecnomatix支持的輕量化數(shù)據(jù)文件格式，支持產(chǎn)品在整個產(chǎn)品生命周期查看和共享產(chǎn)品數(shù)據(jù)、制造信息和圖像，是用于產(chǎn)品三維可視化、協(xié)同制造和數(shù)據(jù)共享的標準文件格式。

表1 OWAS姿勢分析編碼表

表2 OWAS工作姿勢等級

2 飛機起落架維修性分析建模

本文選用飛機起落架進行維修拆卸作為研究實例，在面向PLM進行飛機協(xié)同設計時，需要進行維修仿真建模和飛機維修拆卸分析。

（1）首先構建數(shù)字化仿真維修環(huán)境，包括數(shù)字樣機、工具模型、虛擬場景和虛擬維修人員，如圖6～9所示，起落架部分零部件信息如表3所示。

（2）飛機維修拆卸分析，根據(jù)樣機模型進行拆卸信息的分析?；诓鹦都s束圖，根據(jù)零件搜索遞歸方法生成拆卸序列并基于遺傳算法進行優(yōu)化得到最終序列為：20—14—13—19—21—15—22—23—4—24—5—25—26—27—6—8—28—7—29—9—17—11—10—16—18—12—1—2—3，得到無碰撞干涉的拆卸路徑，見圖10。

表3 起落架部分零部件信息

圖6 樣機模型

圖7 人體模型、工具模型、數(shù)字化仿真場景

圖8 數(shù)字化仿真維修環(huán)境的構建

圖9 起落架幾何模型

圖10 拆卸路徑規(guī)劃

圖11 拆卸工藝樹、操作樹

（3）獲得維修拆卸過程的工藝

樹和維修仿真的操作樹，其中維修拆卸工藝有5個工序和29個工步，如圖11所示。

3 飛機起落架維修性分析結果

通過對飛機起落架進行人因工效和維修性分析，主要發(fā)現(xiàn)了人員拆卸姿勢、工作負荷、可視性、可達性及干涉碰撞等問題，前3者得到了較好的驗證結果，屬于驗證性問題；而對于可達性和碰撞干涉分析則是發(fā)現(xiàn)了設計中的缺陷并進行針對性改進，屬于設計性問題。

（1）拆卸姿勢分析。

通過對維修拆卸的全過程進行OWAS分析，可在拆卸工作的時間周期內(nèi)進行WAS等級的分析，在整個拆卸過程中發(fā)現(xiàn)姿勢等級均不大于2，姿勢合理安全，見圖12。

（2）可視性、可達性、碰撞干涉分析。

·可視性分析：拆銷釘（圖13中所選綠色零部件）過程必須保證銷釘可視，由實時生成虛擬維修人員視野內(nèi)切錐及視覺窗口可知，此時可視性良好。

·實體可達性分析：在進行維修起落架外筒（圖14中所選綠色零部件）時，可知實體可達性不好，無法做到很好地觀察維修零件。引入一個可移動式平臺，如圖15所示，可方便維修人員對高處的零部件進行維修。

圖12 OWAS分析編碼、等級表

圖13 左眼、右眼、雙眼視覺窗口及視野內(nèi)切錐

圖14 維修人員上肢可達性

圖15 可移動式平臺

圖16 碰撞干涉檢驗

圖17 碰撞干涉改進

·碰撞干涉分析：拔銷釘時，對維修人員與下面的轉向架進行碰撞干涉分析，如圖16所示，發(fā)現(xiàn)存在干涉，即作業(yè)空間不合理，可以通過改變維修人員的姿勢或運動狀態(tài)來避免干涉，見圖17。

（3）工作負荷分析。

在拆卸起落架前輪輪胎的操作中，對搬運拆下的輪胎到指定位置的過程進行工作負荷分析，產(chǎn)生拆卸輪胎過程的能耗報告，此過程能耗率小于所允許的最大能耗率，故這個過程的工作負荷滿足要求。

結束語

本文基于產(chǎn)品生命周期管理的思想，對面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價進行研究，通過在設計階段基于數(shù)字化平臺進行飛機協(xié)同維修仿真并分析，可提前發(fā)現(xiàn)并解決飛機維修過程中的問題，從而節(jié)約時間和成本。面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價根據(jù)制定的飛機協(xié)同設計的流程，要在設計階段考慮飛機的維修性及人因工效；通過對飛機維修進行數(shù)字化仿真，構建包含數(shù)字樣機、工具、場景、維修人員在內(nèi)的虛擬維修環(huán)境；進行具體維修過程仿真，主要考慮到拆卸信息分析、拆卸模型構建、拆卸序列規(guī)劃和拆卸路徑規(guī)劃等，并進一步進行人因工效分析。

本文基于Tecnomatix進行了飛機前起落架維修拆卸仿真驗證，通過構建飛機起落架維修環(huán)境，根據(jù)起落架維修拆卸的具體過程對其進行可達性、拆卸姿勢、工作負荷等與維修性相關的人因工效分析。隨著飛機復雜程度越來越高，飛機維修的要求越來越嚴格，對飛機面向整個產(chǎn)品生命周期進行協(xié)同設計的需求也越來越高，因此，面向PLM的飛機虛擬協(xié)同維修性分析及評價的前景也會更加廣闊。

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