面向飞机总装的人机工程仿真技术

面向飞机总装的人机工程仿真技术

马华 颜蕙 施翔晶 聂鑫

江西洪都航空工业集团有限责任公司 江西省南昌市 330000

摘要：为了提高飞机总装配质量，缩短生产周期，降低生产成本，研究了基于飞机总成装配技术特点的飞机虚拟装配人机工程学、仿真建模分析方法和装配人机工程学仿真分析技术。

关键词：人机工程；3DExperience；飞机装配；仿真技术；虚拟现实；

前言

随着飞机零部件的组装逐渐从刚性装配转向柔性装配，组装过程的不合理问题变得越来越严重。引入人体工学模拟可确保零件组合程序完整，以解决此问题。介绍了DELMIA的人机仿真机制，使用DELMIA的人机仿真模块创建了人体模型。建立了人机模拟评估过程，以垂直尾部右面板的刚性装配要求为例，详细说明了人机模拟技术在刚性和柔性部件中的应用。

一、基于DELMIA的人机仿真

DELMIA的人类模块包括二级开发模块，如人机尺寸编辑、任务模拟、活动分析、建模和态度分析。人机工程学仿真包括操作辅助功能仿真、可见性仿真、工作空间分析仿真、装配和拆卸时间仿真、工作位置舒适性和安全性检测与仿真。人类模块可以在虚拟环境中快速创建人类原型，提供5度、50度和95度的人类模型库、人体操作模拟模块、姿态分析模块、人体工程学分析模块等，适用于飞机零件装配虚拟人体操作的人机工程学分析。人机建模模块主要基于模型创建工具栏来构建角色模型。在DELMIA的人文模型中，人类的视觉范围由人类工程学定义，而虚拟人体的视觉范围则根据人类工程学指定的角度进行调整。根据人体工程学，人体姿势是通过ReachEnvelope分析和提供辅助范围来定义姿势调整范围的。此外，可视窗口可用于模拟模型在不同条件下的可视范围，以查看工作人员的可视辅助功能是否满足要求。飞机零件装配技术人员可根据装配技术规范和现场操作要求，在人机仿真系统中选择和调整飞机零件装配技术。人机仿真系统显示装配技术人员装配过程的仿真，并进行相应的干涉等合理性测试，使装配技术人员和装配设计人员能够考虑装配是否合理，是否有利于人员操作，以便及时修改优化计划。当飞机零件装配过程确定并生成机器装配过程的模拟视频时，装配操作员可以直观地看到装配过程，并以最佳和最舒适的姿势装配飞机零件。

诸如电缆、环境控制系统、液压系统、大型零件等部件的装配。飞机在飞机的整体装配阶段进行飞机具有组装质量高、生产量低的特点。因此，在飞机总体组装过程中组装部件主要是由工人手工完成的。人工工程仿真-飞机装配工艺机可以提前发现装配工艺方案或产品设计方案的缺陷，大大提高产品设计方案的合理性和装配工艺方案的可行性，减少实际生产中部件装配操作的难度人工工程仿真对于缩短整个飞机的生产周期和降低制造成本非常重要。根据飞机装配过程中手动操作的特点，详细研究了基于3DExperience的人机工程仿真-飞机虚拟装配机的分析评价方法、人机工程仿真分析模型的构建模型等。

二、人机工程模型构建

1.工装工具建模

飞机装配过程中使用的工具可根据应用过程的适用对象或范围分为特殊类型和通用类型。通用飞机装配工具包括操作规模、千斤顶定位器等专用工具包括圆形散热器装配工具、发动机安装平台、大型零件对接平台等。工人在这个过程中常用的工具有螺丝刀、钥匙、剪刀、钳子等专用工具。3DExperience软件提供了符合标准的通用工具和专用工具模型。分析人员可以直接从服务器端数据库调用具有所需类别和参数的常规工具。装配装置、工作秤、圆形散热器装配设备等。飞机装配过程中，由技术装备公司按照飞机装配生产要求进行设计和制造。刀具模型由技术设备公司提供，仿真分析人员可根据仿真分析的要求导入相应的组件刀具，或使用软件组件设计模块3d专家来创建刀具的近似模型。

2.人体模型建立

在虚拟环境中创建产品的“虚拟”和创建产品的三维模型之间有许多不同之处。虚拟机器人是通过集成信息模型而创建的，是计算机辅助设计(CAE)的关键技术。根据应用程序的精度、保真度和范围，三维虚拟环境中的人体模型可以分为杆、曲面结构和层次模型。使用3d立体定向软件创建的虚拟人体模型是基于人体基本骨骼结构、形态结构、骨骼关联关系和关节运动约束关系的简化层次人体模型。创建人体模型的方法为:(1)通过设置诸如性别、大小、重量等参数从数据库调用虚拟人体模型。，从人体知识库和软件数据库本身；(2)连接国内现有的GB/T和JB/T人体测量学数据库，或者参考GB/T 15759-1995国家标准和中国成人标准GB 10000-88的统计数据，创建更加准确的中文虚拟人体模型，并将其存储在服务器端数据库-系统平台上，以便分析师(3)使用非接触式数字元器件，在飞机装配阶段采集操作员三维人体模型数据，然后结合人体模型运动模型和标准人体评价模型，创建人体模型并将其存储在人体工程系统服务器数据库中。

3.虚拟场景创建

在进口飞机数字样机模型、机床模型、模型和生产环境模型的基础上，利用三维实验软件的基本人体动作设计功能模块构建飞机-飞机工程仿真虚拟场景，对操作进行了定义三维体验的人体运动仿真分析模块提供了基本的人体运动，例如行走、上下楼梯、捕捉和运输对象。使用基本人体动作的有机组合来定义虚拟人体模型的组装动作。(1)仿真分析员可直接调整人体部位的自由度，如头部、颈部、手臂、脊椎、腿部等，创建不同的人体模型装配操作姿势，然后使用关键帧技术有机连接人体模型装配操作姿势，以完成装配操作的定义。(2)通过定义装配运动路径来定义装配动作。在3d技术软件中，提供了一个设计功能模块，用于使用对象移动人体的一部分，使用部分运动来驱动人体的一部分运动。(3)通过定义组件之间的组件运动关系来定义组件操作，即定义组件或刀具之间的组件约束关系以及组件运动机构的自由度，以驱动人体运动。

三、飞机装配人机工效分析

1.可视性分析

在实际生产中，通常是由于产品设计计划和工艺序列设计计划不合理，操作人员在装配过程结束时无法或几乎无法观察操作零件。在三维体验的虚拟环境中，可以使用人的视觉窗口，在不同姿势和位置的人的视觉范围中直接反映装配过程的可见性，并且可以使用装配对象的实际区域来评估装配过程的可见性但是，为了最大限度地扩大人眼中集合运算子的有效区域，不能将此集合过程或产品设计方案视为高度可视化，从而使人体脊椎曲率、脊椎曲率等部位和器官。因此，组装过程的可见性不仅要考虑到人体视口中组装对象的实际区域，还要通过人体各部位器官活动的位置系数加以纠正。通过观察某事物，人体通过调整其肢体并本能地锁定在最佳视野中观察到的物体，获得了最好的信息。此时，可见棱锥体对象可以根据可见棱锥体的灯光关系投影到可见棱锥体的截面平面上，并且可见投影曲面与集合对象的总投影曲面的比率是第一个可见性评估值。在自然站立状态下，颈部未弯曲，为了将装配对象定位在最佳可视区域，颈部曲率、脊椎曲率和眼睛旋转度可以为操作人员提供额外的工作力。这些都是影响能见度的重要因素。

2.可达性分析

辅助功能是指在飞机装配过程中部件安装部分的可访问性，可分为四类:操作辅助功能、接触辅助功能在评估组件进程的无障碍性时，不应仅仅将成员的过渡时间与成员的过渡时间相比较。人体可以接触到装配作业的部分，但是主体的通过空间小，刀具的活动空间小，不能运动装配作业的力或能见度很差，装配的无障碍性不好说。辅助功能是指操作者的成员可以影响集合对象，因此操作者的成员比操作通道长是辅助功能的一个初步指标。

图为人体肢体的可达性：

3.劳动强度分析

劳动强度是指装配部件时操作者对主体部分施加的力。劳动力分析的目的是避免因装配过度而对人体或零件造成不必要的伤害和损害。人体的劳动强度反映在身体每个部位的强度上，可以使用机械平衡公式计算扭矩以及肢体和关节的强度。在3d技术应用程序中，操作员成员装配时的工作力由成员颜色表示。

结束语

综上所述，文章阐述了飞机装配人机工程仿真分析评价的关键技术和方法。在使用三维体验分析人机工程学时，不考虑操作员的技能水平。此外，3d实验数据库中的虚拟人体模型与实际生产中的人类参数不同，可以进一步研究以提高人机工程学模拟分析结果的质量。

参考文献：

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[2]郑轶，宁汝新．虚拟装配关键技术及其发展．系统仿真学报，2006(3)：649—654．

[3]吴晓叶．装配仿真技术在产品翼身对接中的应用．上海电力学院学报，2012(6)：277—280．