王 輝， 潘 超， 彭 原

(中國(guó)航空無(wú)線電電子研究所，上海 201100)

隨著生產(chǎn)技術(shù)的提高,裝備正向著高精密、智能化、自動(dòng)化的方向發(fā)展,裝備的復(fù)雜程度越來(lái)越高。這就直接導(dǎo)致了在產(chǎn)品的全壽命周期中,使用和維護(hù)保障難度的增加。不但增加了產(chǎn)品的成本,而且對(duì)維修人員的技術(shù)要求也進(jìn)一步提高。因此,在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期就應(yīng)該考慮到產(chǎn)品在實(shí)用階段的可操作性和維護(hù)保障的方便性[1]。

維修性仿真分析是應(yīng)用計(jì)算機(jī)仿真手段，建立數(shù)字化人體模型，對(duì)人體按照特定任務(wù)執(zhí)行的要求進(jìn)行靜態(tài)與動(dòng)態(tài)仿真，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)原則向產(chǎn)品布局、尺寸、形態(tài)等各項(xiàng)指標(biāo)的合理轉(zhuǎn)化[2]。通過(guò)維修性仿真分析可以減少實(shí)物樣機(jī)設(shè)計(jì)修改次數(shù)，縮短產(chǎn)品研制周期，減少研制費(fèi)用，并為產(chǎn)品后期的維修提供有效的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)保證[3]。使設(shè)計(jì)的產(chǎn)品生產(chǎn)出來(lái)后，好維修、好保障，提高產(chǎn)品完好率和任務(wù)成功率，減少產(chǎn)品維修資源配置，降低對(duì)維修人員的技術(shù)水平要求，減少產(chǎn)品全壽命周期費(fèi)用。

國(guó)內(nèi)很多高校和科研機(jī)構(gòu)對(duì)維修性仿真分析方法進(jìn)行了技術(shù)研究和應(yīng)用分析。文獻(xiàn)[4]采用DELMIA軟件對(duì)民用飛機(jī)駕駛艙的人機(jī)工效情況進(jìn)行了評(píng)估；文獻(xiàn)[5]采用JACK軟件對(duì)飛機(jī)起落架拆卸操作進(jìn)行了虛擬維修環(huán)境的搭建和維修性分析；文獻(xiàn)[6]主要對(duì)維修可達(dá)性的涵義和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究，并針對(duì)具體對(duì)象進(jìn)行了仿真分析；文獻(xiàn)[7]直接針對(duì)維修過(guò)程進(jìn)行仿真，從而分析裝備的維修性；文獻(xiàn)[8]對(duì)仿真分析的具體實(shí)施、維修性分析和評(píng)價(jià)方法進(jìn)行了研究。

通過(guò)對(duì)維修性仿真現(xiàn)狀的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前在維修性仿真分析方面，缺乏系統(tǒng)完善的分析流程和方法[9]。此外，維修時(shí)間是典型的維修性評(píng)估參數(shù)，維修時(shí)間的獲取一直是維修性分析工作的主要障礙[10]。若能在維修性設(shè)計(jì)階段能準(zhǔn)確計(jì)算維修時(shí)間，將極大地提高維修性分析的水平。而現(xiàn)在的維修性仿真分析缺乏對(duì)平均修復(fù)時(shí)間(Mean Time to Repair，MTTR)的評(píng)估。

目前，主要使用的維修性仿真分析軟件有DELMIA和JACK兩種，對(duì)這兩種軟件的比較具體如下。

① 對(duì)比軟件本身提供的基礎(chǔ)功能，JACK提供了30種人體姿態(tài)，若干種手部姿態(tài)[11]，DELMIA只提供6種基礎(chǔ)姿態(tài)，未提供手部姿態(tài)，因此JACK軟件可以有效減少人體建模所需的時(shí)間。

② 從可視域方面分析，兩者均可以進(jìn)行人體的可視域分析。但是在JACK軟件中，可以為虛擬環(huán)境增設(shè)燈光條件，可以更好地模擬實(shí)際場(chǎng)景[12]。

③ 從可達(dá)域和維修空間方面分析，兩個(gè)軟件都可以做可達(dá)域分析，并且進(jìn)行物體碰撞和干涉分析。但是在干涉分析過(guò)程中，DELMIA軟件顯示的是發(fā)生干涉的局部區(qū)域，而在JACK軟件中顯示的是發(fā)生干涉的兩個(gè)或若干個(gè)整體，JACK更顯性化。

④ 從人體運(yùn)動(dòng)姿態(tài)方面分析，DELMIA軟件中只有快速上肢評(píng)估分析(Rapid Upper Limb Assessment，RULA)，不能對(duì)人的下肢進(jìn)行分析。但是JACK軟件中不僅有RULA，還可以對(duì)人的腰部、整個(gè)的動(dòng)作姿態(tài)、肌肉受力等進(jìn)行詳細(xì)評(píng)估。

⑤ JACK軟件具有維修動(dòng)作的時(shí)間預(yù)估功能，可以預(yù)估平均修復(fù)時(shí)間(MTTR)。

綜合上述比較，JACK軟件在維修性分析方面具有更大的優(yōu)勢(shì)，因此將使用JACK軟件作為維修性仿真分析的工具。

1 維修性仿真分析流程

維修性仿真分析主要是用虛擬人完成某項(xiàng)維修工作，然后對(duì)工作過(guò)程中虛擬人的可視性、可達(dá)性、維修姿勢(shì)和舒適度等進(jìn)行分析評(píng)估。經(jīng)對(duì)相關(guān)資料進(jìn)行分析并結(jié)合工程實(shí)踐，得出維修性仿真分析的流程如圖1所示。

圖1 維修性仿真分析流程

1.1 虛擬人建立

在建立維修人員的人體模型時(shí)，由于維修工作并不需要維修人員具有特殊的身體素質(zhì)，因此在確定維修人員的身體尺寸時(shí)，可以直接使用JACK軟件中的中國(guó)男性第50百分位數(shù)身高和體重建立維修人員的人體模型(如圖2所示)。模型的身高為167.8 cm，體重59.0 kg，腰臀比為0.87。

1.2 可達(dá)性分析

維修可達(dá)性是指維修產(chǎn)品時(shí)，能夠迅速方便地達(dá)到維修部位的特性。通俗地說(shuō),就是維修部位能夠“夠得著”或者容易夠著,而無(wú)須拆卸、搬動(dòng)其他機(jī)件。維修可達(dá)性是產(chǎn)品本身的一種質(zhì)量特性，是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就被賦予的使維修部位容易被達(dá)到的固有特性。可達(dá)性可以綜合反映作業(yè)空間、維修通道和零部件布局等對(duì)維修工作的影響。

圖2 維修人員人體模型

1.3 可視性分析

可視性是維修性必須滿足的最基本要求，其設(shè)計(jì)必須滿足如下基本準(zhǔn)則：維修作業(yè)空間應(yīng)根據(jù)人體尺寸設(shè)計(jì)，作業(yè)空間大于人體最小作業(yè)空間；維修人員在維修過(guò)程中應(yīng)能夠看到自己的操作動(dòng)作，如在目視情況下進(jìn)行的視覺(jué)定位動(dòng)作、反復(fù)動(dòng)作和逐次動(dòng)作等。

1.4 工作負(fù)荷分析

1.4.1 快速上肢分析

快速上肢評(píng)價(jià)RULA是由諾丁漢大學(xué)的職業(yè)工效研究所的McAtamney博士和Corlett博士提出的一種人機(jī)工效分析方法[13]，該方法主要通過(guò)對(duì)人體各部分姿勢(shì)、用力情況和肌肉的使用情況進(jìn)行研究來(lái)評(píng)估因工作造成人體上肢肌肉骨骼損傷風(fēng)險(xiǎn)的大小。

1.4.2 下背部分析

下背部受力分析是對(duì)特定環(huán)境下人體脊椎受力對(duì)下背部的影響進(jìn)行分析。其原理是利用先進(jìn)復(fù)雜的生理學(xué)下背部模型，計(jì)算L4/L5脊椎處的壓力，并將這個(gè)壓力和NOISH推薦的壓力(3400 N)和極限壓力進(jìn)行比較。

1.4.3 工作姿態(tài)分析

維修人員在給定空間內(nèi)進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)，會(huì)采用各種適合于維修操作的姿勢(shì)，但是這些姿勢(shì)并不一定利于維修人員的身體健康，因此有必要對(duì)維修空間內(nèi)的維修人員的姿勢(shì)做分析，如果不符合要求，則有必要對(duì)布局進(jìn)行更改甚至重新布局。

2 維修作業(yè)分解

為實(shí)現(xiàn)虛擬維修任務(wù)快速、逼真的仿真以及準(zhǔn)確預(yù)計(jì)修復(fù)性維修時(shí)間的需要，將維修事件分解為維修任務(wù)，再將復(fù)雜的維修任務(wù)進(jìn)一步分解為基本維修任務(wù)和維修動(dòng)作。本文中將裝備維修分為4個(gè)層次：維修事件、維修作業(yè)(Maintenance Task,MT)、基本維修作業(yè)(Elementary Maintenance Activity,EMA)和維修動(dòng)作。維修事件是指維修的名稱；維修作業(yè)是維修人員執(zhí)行維修工藝的全部活動(dòng)過(guò)程；基本維修作業(yè)是指一項(xiàng)維修活動(dòng)可以分解成的工作單元，它是維修作業(yè)分解的最低層次，例如擰緊螺釘、安裝墊片等。面向維修仿真的維修作業(yè)分解示意如圖3所示。

圖3 面向維修仿真的維修作業(yè)分解

表1為某臺(tái)架更換處理機(jī)的維修層次分解。

表1 某臺(tái)架更換處理機(jī)的維修層次分解

3 實(shí)例應(yīng)用

以某臺(tái)架為研究對(duì)象，對(duì)更換處理機(jī)1的維修作業(yè)開(kāi)展維修性仿真分析。首先將.wrl格式的席位臺(tái)架三維模型導(dǎo)入至JACK軟件中，如圖4所示。臺(tái)架蓋板的視圖和機(jī)箱的視圖分別如圖5和圖6所示,蓋板由螺釘固定，拆除蓋板后即可取出處理機(jī)。

圖4 臺(tái)架正前方視圖及側(cè)視圖

圖5 臺(tái)架機(jī)箱蓋板圖

圖6 臺(tái)架機(jī)箱圖

3.1 維修性仿真分析

3.1.1 可達(dá)性分析

利用包膜工具來(lái)分析虛擬人的可達(dá)性，形成的包膜代表虛擬人的手部能夠到達(dá)的所有可能位置形成的一個(gè)空間表面，如圖7所示。圖7中包膜可以覆蓋維修對(duì)象(機(jī)箱蓋板及把手)，可達(dá)性良好。

圖7 拆卸蓋板螺釘可達(dá)性分析

3.1.2 可視性分析

利用虛擬人的視覺(jué)窗口能夠直觀地看到維修人員在不同位置和不同姿態(tài)下的視覺(jué)范圍內(nèi)的景象，從而可以判斷在維修過(guò)程中是否滿足可視性的要求，如圖8所示。從圖8可以看出，拆卸蓋板螺釘時(shí)，維修人員可以清晰地觀測(cè)到操作對(duì)象，可視性良好。

圖8 拆卸蓋板螺釘可視性分析

3.1.3 碰撞與干涉分析

碰撞和干涉分析是對(duì)實(shí)體之間是否存在碰撞進(jìn)行分析，檢查操作的可行性。設(shè)置干涉檢測(cè)對(duì)象為維修人員和臺(tái)架。圖9為產(chǎn)生干涉時(shí)的示意圖，由圖9可知，在產(chǎn)生干涉或碰撞時(shí)，兩檢測(cè)對(duì)象均會(huì)顯示為紅色。通過(guò)碰撞與干涉分析，可以檢查維修任務(wù)的可行性。

3.1.4 工作負(fù)荷分析

在維修操作過(guò)程中，維修人員會(huì)受到相應(yīng)力的作用，添加受力可以確保維修性仿真分析的準(zhǔn)確性。對(duì)維修人員在拆卸機(jī)箱時(shí)受到的力進(jìn)行分析，受力點(diǎn)為人的手部(如圖10所示)，左手和右手受力均為70 N。

維修人員在進(jìn)行維修操作時(shí)，上半身的工作負(fù)荷比較重，JACK軟件通過(guò)評(píng)估各個(gè)姿態(tài)下的上半身的狀態(tài)，來(lái)判斷維修操作對(duì)人上肢的影響。圖11為維修人員在拆卸機(jī)箱操作時(shí)的快速上肢評(píng)估分析結(jié)果。由RULA分析可知，在拆卸機(jī)箱時(shí)，由于工作范圍的限制，在采取相應(yīng)維修姿勢(shì)的情況下會(huì)對(duì)維修人員的頸部和手腕關(guān)節(jié)產(chǎn)生較大的壓力，評(píng)分均達(dá)到7分。必須對(duì)姿勢(shì)進(jìn)行更改，否則會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖10 維修人員受力圖

圖11 快速上肢評(píng)估

下背部受力分析是對(duì)特定環(huán)境下，人體脊椎受力對(duì)下背部造成的影響進(jìn)行分析。圖12為維修人員在拆機(jī)箱操作時(shí)的下背部受力分析結(jié)果圖。由圖12可知，在進(jìn)行擰蓋板螺釘操作和拆卸機(jī)箱操作時(shí)，維修人員的下背部受力在正常范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)人的下背部造成不良影響。

維修人員在給定空間內(nèi)進(jìn)行維修作業(yè)時(shí)，會(huì)采用各種適合于維修操作的姿勢(shì)，但是這些姿勢(shì)并不一定利于維修人員的身體健康，因此有必要對(duì)維修空間內(nèi)的維修人員的姿勢(shì)做分析，如果不符合要求，則有必要對(duì)布局進(jìn)行更改甚至重新布局。圖13為拆卸機(jī)箱時(shí)的工作姿態(tài)分析結(jié)果。根據(jù)結(jié)果可知，拆卸機(jī)箱時(shí)所需的維修姿勢(shì)對(duì)人體會(huì)造成一定的傷害，需進(jìn)行調(diào)整。

圖12 下背部受力分析

圖13 工作姿態(tài)分析

3.2 MTTR預(yù)計(jì)

JACK軟件中的Predetermined Time Standard(工作時(shí)間)工具可以利用運(yùn)動(dòng)時(shí)間測(cè)量系統(tǒng)計(jì)算出每個(gè)維修動(dòng)作消耗的時(shí)間，單位是秒(s)。將各個(gè)維修動(dòng)作的時(shí)間相加就可以得到總的維修時(shí)間。MTTR評(píng)估需要用到JACK軟件中的TSB(Task Simulation Builder)工具和Animation工具建立整個(gè)維修過(guò)程的動(dòng)畫(huà)，在Animation界面可以獲取整個(gè)維修過(guò)程所需的時(shí)間，即修復(fù)性維修時(shí)間。

圖14 動(dòng)態(tài)仿真畫(huà)面

3.3 維修性改進(jìn)意見(jiàn)

通過(guò)上述分析可知，該臺(tái)架由于操作臺(tái)與底部距離較小，且突出位置較長(zhǎng)，導(dǎo)致維修人員在拆卸處理時(shí)必須采取對(duì)人體有損傷的姿勢(shì)進(jìn)行操作，因此需對(duì)操作臺(tái)進(jìn)行調(diào)整。

4 總結(jié)與展望

本文提出了系統(tǒng)完善的維修性仿真分析流程及方法，并運(yùn)用JACK軟件的虛擬維修仿真與人機(jī)工效評(píng)估功能，實(shí)現(xiàn)了某臺(tái)架的維修性仿真過(guò)程。通過(guò)對(duì)其進(jìn)行可達(dá)性分析、可視性分析和工作負(fù)荷分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的一些維修性問(wèn)題，并針對(duì)分析結(jié)果提出針對(duì)性的改進(jìn)意見(jiàn)，反饋到設(shè)計(jì)前端，在進(jìn)一步設(shè)計(jì)與后期改型中考慮這些意見(jiàn)，確保產(chǎn)品具備良好的維修性。

另外，本文還提出了利用JACK軟件對(duì)產(chǎn)品的修復(fù)性維修時(shí)間進(jìn)行評(píng)估的方法，為設(shè)計(jì)階段的維修性預(yù)計(jì)提供了可靠的技術(shù)支撐，且建立的維修性動(dòng)態(tài)仿真分析內(nèi)容也可以為虛擬維修的發(fā)展提供一定的研究思路和發(fā)展途徑。