面向航天產品部段儀器數字化裝配的人機工程分析

蔡奇彧，賀飛飛，鐘涵，陳勇，林磊

面向航天產品部段儀器數字化裝配的人機工程分析

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）

為提高航天產品裝配質量、縮短裝配生產周期、改善現有裝配模式，根據產品裝配工藝特性，研究了部段儀器數字化裝配的人機工程仿真建模方法與裝配評價方法，利用DELMIA平臺對部段儀器的裝配過程進行了虛擬人機工程仿真，對裝配工藝路徑、操作視野可視性、裝配空間可達性以及工作姿態舒適性進行分析，并對裝配工藝的不足提出了建議與改進措施。仿真結果表明，該方法能有效預測航天產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，為數字化裝配工藝研究奠定基礎。

航天產品；數字化裝配；人機工程；DELMIA

人機工程學是運用生物學、生物力學、測量學、心理學等多交叉學科的原理和方法來對人體結構特性進行研究的新興學科[1-2]。隨著計算機輔助設計與制造、數字化裝配、虛擬現實等新技術的飛速發展，人機工程理論與計算機技術的融合得到了較快速發展，并逐步應用于航天、汽車等高科技產業的工程領域[3-4]。

航天產品結構復雜、制造精度高、裝配難度大、裝配過程繁瑣，隨著我國航天事業的不斷發展，產品裝配生產的任務量與質量要求越來越高，傳統裝配生產模式已不能滿足產品的任務需求，需進行面向數字化的轉型升級。面向航天的數字化裝配工程應用主要是采用數字化技術來實現三維模型定義、裝配過程仿真和人機工程交互等，該類仿真技術的應用打破了“設計－制造－評估”的傳統模式[5-6]，同時也一定程度避免了實物驗證帶來的時間和物料成本浪費，使制造與設計端能協同交互，并更利于工程技術人員盡早發現設計缺陷，有利于操作人員迅速領會產品設計結構與裝配工藝，幫助企業縮短產品研制周期，提高產品生產效率。

DELMIA是法國Dassault公司研制的一款面向制造過程的“數字化制造”平臺系統，建立一個交互式結構產品、工藝與資源模型，使得整個設計過程能夠對產品的工藝實時驗證；其面向人機工程設計與分析的Ergonomics子模塊能夠建立不同比例、不同性別的人體模型，并對人體各種作業動作進行模擬分析，模擬人在不同姿態下的舒適度與活動范圍。

1 人機工程模型構建

在該仿真平臺系統中進行數字化裝配的人機工程分析，需要創建一個與實際裝配現場相對應的虛擬裝配空間，用于在虛擬環境中按照實際裝配流程進行裝配過程的模擬演示，它主要包括人體模型、產品模型、工具工裝模型、和虛擬生產現場等要素。

1.1 建立Manikin人體模型

人體尺寸數據普遍用百分位P這種位置指標來標定，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，人機工程設計中與百分位值的對應關系如表1所示。通常統計方法中，并不羅列所有百分位，而是以均值與標準差表示，并使用正態分布曲線來計算，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為人體測量尺寸標準差，mm。

表1 百分位與變換系數

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模塊創建虛擬人manikin模型，該模塊能夠創建不同國籍、性別、人體百分位的數字模型，并可編輯其中的身高、臂長、腿長等信息[7]，實現精確的人機工程仿真，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關注尺寸。

創建符合生產實際的人體模型能夠更好地進行裝配過程人機工程分析。結合裝配現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，并對該庫人員的身高、體重、腿長、臂長等主要關節參數進行統計和設定，使更加符合實際裝配過程中人體的尺寸參數，具體設定數值如表2所示。

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

1.2 創建裝配工具模型

在生產現場的部段儀器裝配過程中需要運用的工具工裝主要有工作凳、周轉箱、卡尺、力矩扳手、鉗子等，按實物大小創建其三維模型有助于提高后續人機裝配仿真分析的精度與真實度。操作人員在裝配過程中傳遞、搬運、抓取工具的工作業場景如圖3所示。

1.3 創建裝配虛擬環境

裝配虛擬環境的創建是在導入產品模型、工具工裝模型、人體模型和裝配現場環境模型的基礎上，利用DELMIA軟件中Assembly Design模塊建立部段儀器模型、工裝工具模型、人體及生產現場的關聯關系，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 裝配操作人員關鍵關節尺寸參數

圖3 操作人員作業場景

1.4 基于模型的人機仿真驅動

仿真運行過程就是操作人員裝配仿真的過程，表現為虛擬環境中各模型在特定時間點執行某裝配操作[8-10]。運用Human Task Simulation模塊創建人體的一系列裝配工藝動作，然后導入至Process工藝樹中驅動仿真，該過程的裝配順序規劃如圖5所示。

2 人機工程裝配評價

利用DELMIA軟件提供的基于模型包絡的即時干涉檢查技術，對該航天產品部段儀器的裝配過程進行干涉仿真模擬，若儀器虛擬裝配過程存在操作人員手持工具與產品組件發生干涉，則會自動停止并報警，有助于設計人員即時做出工藝修正。保證整個仿真過程無干涉是后續利用人機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，查看仿真環境中裝配對象的可視性，尤其在狹小空間內，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，同時結合人機工程原理對其裝配可視性的優劣進行分析。

圖4 裝配虛擬環境布局

圖5 裝配順序規劃

可視性優劣：區域A＞區域B＞區域C

實際裝配過程中常常因為空間狹小和多人協同裝配而影響彼此的操作視野。本文中，要完成儀器的精準裝配，往往需要其中一人調整姿態，保證視野從區域或適度調整到區域的范圍內。因此，很有必要利用虛擬環境對操作人員的視域進行分析。人的視野分為直接和觀察兩類。直接視野指保證頭部不動情況下人眼所視的范圍，觀察視野指身體不動情況下轉動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

針對圖6右側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K為0.6～0.75時，可視為操作人員處于較合適的視域空間。本文利用式（2）對部段內裝配某儀器限位螺釘的人員視野進行了計算與分析，得到該人員裝配的K＝0.34，裝配過程該人員的視野較差，需改變操作者姿態調整視野至合理范圍，甚至需借助反光鏡應對不可視、盲操作裝配的工況。

2.2 可達性分析

裝配可達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以及操作的難易程度。通過對斯夸爾斯操作伸及區域的研究，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節的區域，是最合理的作業區域。

利用DELMIA軟件提供的人體上肢伸及區域空間分析功能，對部段中的關鍵儀器裝配進行模擬分析，得出操作人員在施加力矩時上肢的裝配可達性，整個儀器在部段裝配過程中操作人員上肢伸及區域如圖9所示。分析結果表明，操作人員裝配姿態符合操作可達性，但不在最合理的作業區域內，整體操作過程中，上肢均位于頭部以上關節位，將加大操作人員手臂負荷，建議在該類儀器裝配時使用工作凳以提高作業身位或通過智能升降平臺降低部段放置高度以達到斯夸爾斯操作伸及的合理區域。

圖8 斯夸爾斯操作伸及區域（單位：mm）

2.3 舒適性分析

舒適性分析是對操作人員在裝配過程中產生的生理疲勞進行分析，并對操作人員在進行裝配作業時是否處于最佳姿勢進行判別。部段內的操作區域空間狹小且各種儀器、電纜分布密集，長時間工作在這樣的環境中會造成操作人員的舒適度降低。因此，評估操作人員的裝配作業姿態，對于提高人員裝配效率具有重大實際意義。

圖9 仿真環境下操作人員上肢伸及區域

裝配過程中，操作人員的基本姿態包含：屈/伸（減少/增加身體上下間夾角）、外展/內收（肢體遠離/移向身體中軸線）、內旋/外旋（身體沿縱向軸轉動）。人體姿態的變化均依靠對應關節角度的變化，因此分析各關節的舒展角度對于判別人體最佳舒適度有直接的影響。利用DELMIA對操作人員裝配儀器時的姿態關節合理程度進行分析并優化，設定相應角度范圍內的評價依據，可以得到舒適度區域的分數，結合RULA分析共同給出操作人員的姿態評價，如圖10、圖11所示。

仿真分析表明，對于產品總裝車間身高最高183 cm的操作者M6而言，雙手不對稱姿態裝配重型儀器且單臂持續托舉狀態下會嚴重影響舒適性，長期持續作業將對身體上肢及腰椎均造成嚴重損傷，而該安裝作業位置僅能容納兩人協同操作，均不宜在該姿態下持續作業，建議提高操作者身位或降低安裝支架臺以增強操作者舒適度；在從工作臺搬運到部段內裝配的過程中，該狀態下一個操作者搬運所能負載的推薦重量極限為9.5 kg，對比該儀器的重量23 kg，建議多人協同搬運或采取其他機械電氣設備進行運輸。

1～6表示操作人員單臂持續托舉儀器時，肩與髖關節的舒適度區域，其中1為最舒適區、2為次舒適區，以此類推。

圖11 搬運儀器的舒適性及RULA分析

3 人機裝配優化建議

結合部段儀器裝配的實踐經驗，提出以下建議，其中人機裝配優化方案如圖12所示。

（1）改善現有產品托架臺，工位采用可自由升降裝置，以滿足不同高度產品的安裝，使產品裝配作業高度始終處于操作者的斯夸爾斯操作伸及合理區域，降低操作者的勞動強度，提高裝配作業舒適性。

（2）運用助力機械裝置，實現大、重型儀器在工位內的輔助抓取、移動和定位裝配，減少在部段內裝配作業人員的數量，提高裝配效率及人員作業功效。

（3）改變現有人工搬運模式，運用AGV（Automated Guided Vehicle，無人搬運車）實現產品部段、待裝儀器、工具工裝的自動物流配送，減少操作者多區域轉運和多工位搬運產品，降低操作者勞動強度。

圖12 人機裝配優化方案示意

4 結束語

對于航天產品制造精度高、裝配難度大、裝配過程繁瑣、裝配模式傳統等諸多問題，本文從人機工程的角度分析了人體測量的關鍵尺寸參數，建立了廠房環境、工具工裝及產品模型，并在DELMIA軟件的DPM模塊中搭建了真實的仿真環境，且引入具有實際裝配人員生理參數的虛擬人體模型，運用Ergonomics模塊對部段儀器裝配過程進行人機仿真；分析了整個裝配過程的可視性、可達性、姿態舒適性等方面，得出了現有裝配存在的些許問題并給出一定的裝配優化建議。實踐證明，運用數字化仿真方法能夠快速分析裝配過程的工藝缺陷，有助于提高產品裝配質量、縮短研制周期、提高生產效率。

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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

國家自然科學基金委員會－中國航天科技集團有限公司航天先進制造技術研究聯合基金（U1737203）；四川省科技計劃（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裝配制造及數字化仿真技術研究工作，E-mail：caiqiyu0727@163.com。