（沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽 110136）

飛機(jī)零組件裝配過程逐漸由傳統(tǒng)的剛性工裝裝配產(chǎn)品向數(shù)字化、自動化的柔性工裝裝配產(chǎn)品過程轉(zhuǎn)變。傳統(tǒng)飛機(jī)零組件裝配過程只考慮飛機(jī)裝配工藝的可行性，通過對飛機(jī)零件本身的可裝配性以及部裝與總裝裝配協(xié)調(diào)性的裝配方式來評價飛機(jī)零部件裝配的可達(dá)性。飛機(jī)零組件裝配過程離不開人員操作工裝裝配產(chǎn)品，在傳統(tǒng)的剛性工裝到數(shù)字化柔性工裝裝配產(chǎn)品漸變的過程中，飛機(jī)零組件裝配很少考慮飛機(jī)零組件裝配的操作者，而操作人員的舒適性及可達(dá)性與飛機(jī)零組件裝配質(zhì)量和企業(yè)效益密切相關(guān)。有許多飛機(jī)零組件裝配工藝存在方案可行但實際上不可行的情況，原因就是沒有考慮操作人員可達(dá)性，所占空間及工作的安全、健康與舒適的影響。對于飛機(jī)零組件裝配而言，不管是采用傳統(tǒng)的剛性工裝裝配還是數(shù)字化柔性工裝裝配，都要對飛機(jī)裝配工藝性仔細(xì)考慮，而飛機(jī)零組件裝配最終檢測合格性評價也包含人員操作的因素。因此基于飛機(jī)零組件裝配工藝，利用DELMIA人機(jī)仿真模塊虛擬人體模型模擬操作人員真實操作狀況，生成可視化工藝文件，幫助裝配工藝員與工裝設(shè)計員制定合理的裝配工藝與工裝設(shè)計，更好地優(yōu)化裝配工藝，提高飛機(jī)零組件裝配效率具有重要意義。

1 基于DELMIA的人機(jī)仿真

DELMIA的Human模塊由人機(jī)尺寸編輯、任務(wù)仿真、活動分析、模型建立、姿勢分析等二次開發(fā)模塊組成。人機(jī)工程學(xué)仿真包括操作可達(dá)性仿真、可視性仿真、工作空間分析仿真、拆裝時間模擬計算仿真、作業(yè)姿態(tài)舒適性及安全性檢測與仿真[1]。Human模塊可以在虛擬環(huán)境里迅速建立人體原型，提供了5、50和95百分位的男女人體模型庫、人體作業(yè)仿真模塊、姿態(tài)分析模塊、工效分析模塊等，適用于對飛機(jī)零組件裝配虛擬人體作業(yè)進(jìn)行人機(jī)工程分析[2]。人機(jī)建模模塊主要是依據(jù)模型創(chuàng)建工具欄建立人物模型，如圖1所示。

在DELMIA人機(jī)模型中，人的視覺范圍由人機(jī)工程學(xué)視覺范圍所規(guī)定，人機(jī)工程學(xué)規(guī)定的角度對虛擬人體視覺范圍進(jìn)行調(diào)整，當(dāng)視線中心與工作平面垂直時，人的最佳觀察視野為垂直方向上水平視線以下15°～45°，水平方向上人的左右各25°，人機(jī)視覺調(diào)整范圍如圖2所示。

人的姿態(tài)可達(dá)性調(diào)整根據(jù)人機(jī)工程學(xué)規(guī)定可達(dá)性范圍由Reach Envelope來分析給出[3]，根據(jù)姿態(tài)調(diào)整的范圍對人體的姿態(tài)進(jìn)行設(shè)置，如圖3所示。

另外可通過視覺窗口來模擬不同情況下人體模型的視覺范圍以檢測工人的視覺可達(dá)性是否滿足要求[4]，虛擬人體模型的視覺窗口如圖4所示。

飛機(jī)零組件裝配工藝人員可以根據(jù)裝配工藝規(guī)范與現(xiàn)場操作要求，在人機(jī)仿真系統(tǒng)中進(jìn)行人機(jī)交互的飛機(jī)零組件裝配流程的選擇與調(diào)整，人機(jī)仿真系統(tǒng)將裝配工藝人員的工藝裝配流程模擬顯示出，同時進(jìn)行相應(yīng)的干涉等合理性檢驗，方便工藝員與工裝設(shè)計人員審查裝配的合理性、是否有利于人員的操作，以便對方案進(jìn)行及時修改與優(yōu)化。當(dāng)飛機(jī)零組件裝配工藝確定并生成可視化人機(jī)裝配流程仿真視頻時，裝配操作人員可以直觀感受到裝配過程，以便用最佳姿態(tài)舒適地完成飛機(jī)零組件裝配。

圖1 人機(jī)模型創(chuàng)建界面Fig.1 Creaing interface of the man-machine model

圖2 人機(jī)視角調(diào)整角度Fig.2 Adjusting angle of man-machine angle

圖3 虛擬人體模型的可達(dá)范圍Fig.3 Reachable range of virtual human model

圖4 人體模型視覺窗口Fig.4 Visual window of human model

2 人機(jī)仿真在飛機(jī)零組件剛性裝配中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的飛機(jī)零組件裝配需要操作工人以手工操作完成，在零組件裝配工藝和剛性工裝結(jié)構(gòu)設(shè)計環(huán)境中，人員動作過程對零組件裝配及工裝設(shè)計有很大影響，將標(biāo)準(zhǔn)人體的三維模型放入數(shù)字化零組件裝配三維工藝設(shè)計方案中，可按裝配工藝設(shè)計流程及AO大綱對執(zhí)行裝配的工人進(jìn)行可視性、可達(dá)性、可操作性、舒適性以及安全性進(jìn)行全方位的模擬仿真，從而改進(jìn)零組件裝配工藝以及剛性工裝設(shè)計方案滿足前期設(shè)計時的使用性、協(xié)調(diào)性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、先進(jìn)性等設(shè)計原則[5]?，F(xiàn)以某機(jī)型垂尾右壁板零組件裝配工裝的設(shè)計使用性為原則進(jìn)行應(yīng)用驗證，以身高1755.8mm、手臂長601.5mm人員為仿真參與模型，詳細(xì)闡述人機(jī)仿真技術(shù)在飛機(jī)零組件裝配過程中具體應(yīng)用。

（1）飛機(jī)零組件裝配主要由工裝裝配完成，工裝型架在數(shù)字化工裝設(shè)計中滿足飛機(jī)零組件裝配要求具有重要作用。型架設(shè)計的好壞直接關(guān)系到工裝零件制造準(zhǔn)確度和協(xié)調(diào)性。飛機(jī)零組件裝配型架設(shè)計基準(zhǔn)選擇包括型架安裝調(diào)平，飛機(jī)坐標(biāo)系下的基準(zhǔn)孔球座以及零件安裝重要坐標(biāo)系的基準(zhǔn)選擇，在利用計算機(jī)輔助制造設(shè)計中還要考慮人的作用，如圖5（a）所示。在滿足垂尾壁板裝配的同時，安裝在工裝型架上的卡板不僅要滿足飛機(jī)零組件裝配的合理性，還要滿足人員在壁板裝配允許范圍內(nèi)輕松地將卡板放起，便于人體姿勢可達(dá)性。在安全性方面，卡板舉起的位置標(biāo)明相應(yīng)的注意事項。壁板裝配時，安裝在工裝型架底部的定位和夾緊件的設(shè)計要符合人體姿勢范圍內(nèi)舒適性要求等。

（2）垂尾長桁與壁板裝配時定位與夾緊件的設(shè)計在保證人員操作時，不發(fā)生干涉情況，垂尾壁板與長桁裝配進(jìn)行人機(jī)干涉檢查如圖5（b）所示。人員的身體或肢體能否方便操作長桁定位與夾緊器，操作空間大小能否與人肢體發(fā)生干涉，都可通過人機(jī)仿真進(jìn)行碰撞干涉檢查分析。如果發(fā)生碰撞可在滿足裝配工藝性，要求的情況下進(jìn)行裝配工藝流程或工裝定位與夾緊器的重新設(shè)計。

（3）飛機(jī)垂尾壁板在型架中裝配時，對人員操作的合理性和鉚接裝配的工作效率都有較高要求。壁板在鉚接狀態(tài)下人手可達(dá)性范圍和舒適性，通常應(yīng)使零組件裝配操作人員在最有利的工作狀態(tài)下進(jìn)行工作，按人機(jī)工程的模型大部分制孔和其他作業(yè)的高度在1.1～1.4m范圍內(nèi)工作屬于最佳姿勢。因此，在飛機(jī)零組件裝配中考慮人員進(jìn)行制孔作業(yè)時的可達(dá)性與舒適性來選擇是否需要配備有輔助設(shè)備（工作踏板、工作梯、托架、起吊裝置等）及工藝流程改進(jìn)方案參考。

（4）在飛機(jī)零組件裝配工藝流程設(shè)計中，在剛性工裝上，壁板完成裝配后的出架方式較重要，出架方式的好壞直接影響型架結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度與工藝流程設(shè)計的好壞。而不管在產(chǎn)品出架或上架的過程中，都要考慮人的可視化程度，如圖5（c）所示。壁板在出架過程中，人員的可視化范圍可以仿真觀察出架時各個角落是否能看見，對可見視角按人機(jī)工程可視化范圍進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)在仿真狀態(tài)下有看不見的角落或?qū)Ξa(chǎn)品有影響時，可對裝配工藝流程進(jìn)行修改、工裝的布局重新設(shè)置或增加操作工裝人員數(shù)量。

在完成某機(jī)型垂尾壁板裝配工藝流程與人機(jī)仿真技術(shù)相結(jié)合的分析過程中，逐步形成人員對操作工裝裝配產(chǎn)品姿勢的舒適性以及安全性的受力分析報告，并對部分位置碰撞干涉檢查得出分析結(jié)果，最終完成工裝的可行性設(shè)計[6]。

3 人機(jī)仿真在飛機(jī)零組件柔性裝配中的應(yīng)用

隨著現(xiàn)代化工藝裝備制造技術(shù)的發(fā)展，在飛機(jī)零組件裝配中，柔性工裝技術(shù)得到了快速發(fā)展，柔性工裝一般具有柔性化、數(shù)字化、模塊化和自動化的特點(diǎn)[7]。飛機(jī)零組件柔性工裝裝配技術(shù)是利用數(shù)字化技術(shù)形成一套先進(jìn)的飛機(jī)裝配新技術(shù)，也是數(shù)字化技術(shù)在飛機(jī)制造裝配過程中更深層次的應(yīng)用和延伸。使用柔性工裝裝配技術(shù)是基于標(biāo)準(zhǔn)專用剛性工裝的協(xié)調(diào)與定位技術(shù)、自動化柔性制孔技術(shù)、數(shù)字化柔性檢測技術(shù)、虛擬裝配仿真技術(shù)、自動化隨動定位控制技術(shù)等多種先進(jìn)技術(shù)的綜合集成工藝裝備技術(shù)[8]。

3.1 人機(jī)仿真的影響

圖5 某機(jī)型垂尾壁板工裝人機(jī)仿真分析過程Fig 5 Man-machine simulation analysis process of a type of vertical tail wall plate tooling

在利用柔性工裝裝配產(chǎn)品工藝流程設(shè)計過程中，為滿足產(chǎn)品裝配過程的整個周期性和經(jīng)濟(jì)性，除了工裝、型架的品種數(shù)量和自動化、數(shù)字化程度的影響，同時要考慮人機(jī)工程的影響，如圖6所示?？v橫向分別代表柔性工裝數(shù)字化程度和零組件裝配準(zhǔn)備費(fèi)用與時間。在零組件柔性裝配工藝流程設(shè)計時，考慮人機(jī)工程的影響最佳結(jié)合點(diǎn)在A點(diǎn)，沒有考慮人機(jī)工程的影響最佳結(jié)合點(diǎn)偏后B點(diǎn)，因此為提高飛機(jī)零組件柔性裝配數(shù)字化、自動化的程度，應(yīng)充分結(jié)合人機(jī)工程的影響，從而減少工裝的數(shù)量[6]。人機(jī)仿真技術(shù)在零組件柔性裝配中的應(yīng)用使得圖6中的最佳結(jié)合點(diǎn)越來越向左移動。

3.2 人機(jī)仿真的考慮因素

飛機(jī)零組件的柔性裝配需要操作人員來完成，因此在裝配仿真過程中要按照工藝要求考慮工人操作過程中的可視性、可操作性、可達(dá)性、舒適性以及安全性，同時依據(jù)人體行為與裝配工藝設(shè)計合理的零組件柔性裝配仿真工藝流程[9]。圖7所示為零組件柔性裝配優(yōu)化流程。

（1）零組件柔性裝配定位技術(shù)。在零組件柔性裝配定位時，不僅要考慮零組件本身結(jié)構(gòu)的定位位置對飛機(jī)組件及部件柔性裝配的影響，還要考慮飛機(jī)零組件在定位的同時，定位器位置保證人員工作時的可操作性及安全性，如面向自動鉆鉚機(jī)的飛機(jī)壁板柔性裝配工裝。

利用柔性工裝與自動鉆鉚機(jī)組合使用情況下機(jī)身壁板柔性鉆鉚裝配，當(dāng)用激光跟蹤儀調(diào)整自動鉆鉚機(jī)動態(tài)定位器到飛機(jī)壁板裝配理論位置，要對飛機(jī)壁板與自動鉆鉚機(jī)柔性工裝進(jìn)行人工連接，此時不僅要考慮柔性工裝本身結(jié)構(gòu)剛度、對接位置的精度、壁板的可裝配性，還要考慮壁板裝配時操作人員對連接位置的可達(dá)性、飛機(jī)壁板柔性裝配定位器與夾緊器結(jié)構(gòu)開場性、人員作業(yè)時的舒適性、在多個人員同時作業(yè)時裝配協(xié)調(diào)可視性。因此，零組件裝配柔性定位技術(shù)要考慮人員的位置便于對裝配流程確定的準(zhǔn)確考慮。

圖6 柔性工裝數(shù)字化程度對經(jīng)濟(jì)性影響Fig.6 Influence of flexible tooling digitalization on economy

圖7 零組件柔性裝配優(yōu)化流程Fig.7 Flow of component flexible assembly optimization

（2）零組件柔性裝配自動化柔性制孔技術(shù)。飛機(jī)零組件精密制孔與鉚接裝配都配備有自動制孔與自動鉚接設(shè)備，多數(shù)情況下為多自由度關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的機(jī)械壁機(jī)器人與全自動鉆鉚設(shè)備。機(jī)器人關(guān)節(jié)能夠靈活地以多種姿態(tài)到達(dá)空間某一點(diǎn)[10]，使機(jī)器人非常適用于具有復(fù)雜形面與干涉情況下飛機(jī)零組件裝配的加工環(huán)境。在進(jìn)行飛機(jī)零組件柔性裝配工藝流程設(shè)計時，人的位置要保證與機(jī)器人的位置不發(fā)生干涉。在大型自動鉆鉚機(jī)設(shè)備操作時人的視覺所到達(dá)的范圍及人活動觀察位置，都要進(jìn)行人機(jī)仿真前期觀察確定，保證設(shè)備的正常運(yùn)行。

（3）零組件數(shù)字化柔性檢測技術(shù)。在零組件柔性裝配時需要合理安排零組件裝配自動測量與檢測工藝流程，要求保證測量與檢測在布局過程中要達(dá)到產(chǎn)品測量的最佳位置。布局測量設(shè)備的同時，人員是測量與檢測設(shè)備運(yùn)行的操作者，合理安排操作人員的位置對產(chǎn)品產(chǎn)生后期測量的影響較重要。同時，對于地面檢測設(shè)備的布置要充分考慮人員的可達(dá)性和視覺的影響。

（4）零組件柔性裝配虛擬仿真技術(shù)。零組件虛擬裝配仿真技術(shù)是數(shù)字化柔性裝配的關(guān)鍵技術(shù)之一，在DELMIA中工裝是以使用資源的形式插入仿真界面中，以某機(jī)型垂尾方向舵柔性裝配工藝流程仿真布局為例，如圖8所示。

通常飛機(jī)零組件柔性裝配可行性要進(jìn)行仿真優(yōu)化，對于柔性裝配操作人員在虛擬裝配仿真中較重要。人機(jī)的可達(dá)性檢驗、柔性裝配位置的可見性檢驗、在大型飛機(jī)零組件柔性裝配作業(yè)中空間的合理性與舒適度檢驗，可檢查柔性裝配作業(yè)空間是否符合人體作業(yè)需要，總體布局是否合理，裝配操作是否舒適。對柔性裝配仿真結(jié)果生成可視化的視頻，為現(xiàn)場工人及工藝員提供零組件柔性裝配操作培訓(xùn)，提高安全生產(chǎn)水平和意識。

（5）柔性裝配計算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)。數(shù)字化控制技術(shù)在零組件柔性裝配中的應(yīng)用主要是通過驅(qū)動柔性工裝定位與夾緊器來實現(xiàn)，在定位與夾緊器運(yùn)行時，運(yùn)行的路徑對產(chǎn)品裝配過程中人員的影響較大?？刂萍夹g(shù)是由人工進(jìn)行操作，柔性裝配自動控制機(jī)構(gòu)的運(yùn)行范圍要滿足飛機(jī)零組件裝配要求，同時要保證柔性裝配過程中不會影響到人員的操作。通過人機(jī)仿真技術(shù)與柔性工裝設(shè)計相結(jié)合的方式，改進(jìn)了零組件裝配工藝方案，加快新機(jī)型的研制進(jìn)度。

圖8 某機(jī)型垂尾方向舵柔性裝配仿真布局Fig.8 Flexible assembly simulation layout of vertical tail

4 結(jié)束語

在飛機(jī)零組件裝配中，零組件裝配通過使用剛性工裝裝配與柔性工裝裝配進(jìn)行必要的人機(jī)工程仿真分析，減少裝配工藝更改與工裝設(shè)計時間，避免出現(xiàn)裝配工藝流程與工裝設(shè)計不合理導(dǎo)致飛機(jī)產(chǎn)品裝配人員無法作業(yè)的不足，及時發(fā)現(xiàn)裝配問題并糾正裝配過程中出現(xiàn)的設(shè)計錯誤，縮短裝配周期并提高快速裝配效率。相對剛性裝配，在對柔性裝配進(jìn)行人機(jī)工程仿真時需要考慮到的不僅是裝配人員與工裝及裝配流程，在對飛機(jī)零組件柔性裝配進(jìn)行人機(jī)工程仿真時，定位器的位置需要進(jìn)行仿真以保證人員的可操作性，工人對柔性工裝鏈接裝置的可達(dá)性，以及工人與柔性裝配中使用的機(jī)器人等輔助設(shè)備不發(fā)生干涉，定位器與夾緊器在運(yùn)動過程中不與其他裝置發(fā)生干涉且不影響工人的工作路徑，同時需要考慮人與柔性設(shè)備中的計算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)之間的仿真。在人與工裝夾具發(fā)生干涉時，剛性裝配需要采取的措施是對裝配工藝或工裝進(jìn)行重新優(yōu)化設(shè)計，而對于柔性裝配而言，僅需對工藝進(jìn)行改進(jìn)。

通過DELMIA人機(jī)工程仿真功能在零組件裝配中應(yīng)用，虛擬計算出人的作業(yè)域，從而可以直觀評估人機(jī)仿真在飛機(jī)裝配工藝流程設(shè)計體系、對產(chǎn)品裝配的合理性與操作人員的可達(dá)性，體現(xiàn)了基于DELMIA人機(jī)仿真技術(shù)在未來工裝設(shè)計中有很大的應(yīng)用前景。

參 考 文 獻(xiàn)

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