飛機(jī)維修是保證航空系統(tǒng)可靠使用的關(guān)鍵環(huán)節(jié),維修性作為飛機(jī)的固有屬性,在設(shè)計(jì)階段就決定了飛機(jī)的維修品質(zhì),反映了飛機(jī)維修的難易程度。維修性分析和評(píng)價(jià)應(yīng)納入到飛機(jī)的整個(gè)生命周期過(guò)程中,尤其在設(shè)計(jì)階段就要考慮分析維修性,即進(jìn)行維修性設(shè)計(jì)。如果在設(shè)計(jì)階段對(duì)維修性考慮不足,會(huì)造成飛機(jī)維修保障困難和可用度很低,就必須花費(fèi)更多的時(shí)間和費(fèi)用通過(guò)后期更改設(shè)計(jì)來(lái)改善維修性。傳統(tǒng)的維修性設(shè)計(jì)分析工作中,許多工作項(xiàng)目依賴于物理樣機(jī),這種傳統(tǒng)的“串行”設(shè)計(jì)方式無(wú)法盡早地發(fā)現(xiàn)維修缺陷,有些維修問(wèn)題甚至要等到飛機(jī)投入使用之后才暴露出來(lái),因此隨著數(shù)字樣機(jī)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)支持協(xié)同設(shè)計(jì)( 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(jìn)行飛機(jī)的虛擬仿真協(xié)同設(shè)計(jì),有助于提前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、解決問(wèn)題。
一、面向PLM的飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析
1 面向PLM的飛機(jī)維修性協(xié)同設(shè)計(jì)流程
在現(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計(jì)中,波音公司使用達(dá)索公司的PLM V5R16(包括CATIA、DEIIMA等)為波音787設(shè)計(jì)項(xiàng)目提供了一個(gè)分布式、世界范圍的協(xié)同工作空間,針對(duì)波音787項(xiàng)目進(jìn)行了數(shù)字化設(shè)計(jì)、制造和測(cè)試,使波音787成為第一架從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)全過(guò)程使用PLM解決方案的飛機(jī),其開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)間與上一代波音777飛機(jī)相比,從5年減少到4年。我國(guó)的航空工業(yè)通過(guò)建立支持多廠所協(xié)同的PLM平臺(tái),從傳統(tǒng)的“一廠一所”研制模式轉(zhuǎn)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(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種全新的管理理念和技術(shù),通過(guò)管理整個(gè)生命周期(包括從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)劃、制造裝配、維護(hù)服務(wù)到報(bào)廢回收)中所涉及的產(chǎn)品、過(guò)程、資源等,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)的有序、設(shè)計(jì)過(guò)程的優(yōu)化和資源的共享。對(duì)航空產(chǎn)品實(shí)施產(chǎn)品全生命周期管理,可以達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jī)維修性協(xié)同設(shè)計(jì)考慮各階段的工作相互影響,通過(guò)協(xié)同開(kāi)展工作保證設(shè)計(jì)任務(wù)實(shí)現(xiàn)飛機(jī)好的維修性。通常飛機(jī)設(shè)計(jì)包括總體設(shè)計(jì)、部件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3個(gè)部分。總體設(shè)計(jì)主要闡述飛機(jī)方案的形成;部件與系統(tǒng)設(shè)計(jì)則是連接前兩者之間的橋梁;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則闡述設(shè)計(jì)原則方法。面向PLM的協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)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(shí)直觀地呈現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù),這就需要資源庫(kù)等基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。設(shè)計(jì)中還需要采用虛擬維修仿真來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)是否符合維修性要求,在飛機(jī)的設(shè)計(jì)階段中就引入虛擬維修性分析評(píng)價(jià),可以提前發(fā)現(xiàn)維修缺陷,進(jìn)而對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,如圖1所示。
圖1 飛機(jī)維修性協(xié)同設(shè)計(jì)流程
2 飛機(jī)虛擬維修性分析過(guò)程
基于數(shù)字樣機(jī)的協(xié)同維修性分析是指在設(shè)計(jì)階段以數(shù)字化信息為基礎(chǔ),構(gòu)建數(shù)字化維修仿真環(huán)境,并在維修仿真環(huán)境中進(jìn)行維修過(guò)程建模與仿真,從而獲得維修過(guò)程中關(guān)于“人一機(jī)一環(huán)境”相互作用的數(shù)據(jù),以維修性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和人因工效標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)進(jìn)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(wèn)題。其基本過(guò)程如圖2所示;跀(shù)字樣機(jī)的協(xié)同維修分析主要包括建模、仿真、分析、協(xié)同、管理、評(píng)估等內(nèi)容,其應(yīng)用框架如圖3所示。
圖2 虛擬協(xié)同維修性分析過(guò)程
圖3 虛擬協(xié)同維修性分析應(yīng)用框架
二、飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析方法
1 飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析建模
對(duì)飛機(jī)進(jìn)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(jī)、工具模型、虛擬場(chǎng)景和虛擬維修人員。
(1)數(shù)字樣機(jī)、工具模型創(chuàng)建:產(chǎn)品數(shù)字樣機(jī)是維修仿真作業(yè)的對(duì)象,基于模型建立數(shù)字樣機(jī),能表現(xiàn)實(shí)體的幾何、物理特性并能描述零部件間的關(guān)聯(lián)運(yùn)動(dòng)和約束關(guān)系。
(2)數(shù)字化仿真維修場(chǎng)景創(chuàng)建:數(shù)字樣機(jī)、人體模型等都要放置于虛擬維修場(chǎng)景之中,須按照真實(shí)特征屬性設(shè)計(jì),具有支持維修活動(dòng)空間、自由度約束等物理屬性和運(yùn)動(dòng)屬性,其構(gòu)建可以分為幾何模型構(gòu)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(jié)構(gòu)層次的數(shù)字人體模型,其特性包括標(biāo)準(zhǔn)姿勢(shì)編輯器等。人體建模分人體幾何建模、人體運(yùn)動(dòng)建模、人體行為控制3步完成。
2 虛擬協(xié)同維修拆卸分析
零部件的拆卸是飛機(jī)維修作業(yè)的重要工作,拆卸在整個(gè)維修活動(dòng)中占有相當(dāng)比例,必須盡早考慮航空維護(hù)修理過(guò)程中面臨的拆卸問(wèn)題。虛擬協(xié)同維修拆卸分析整個(gè)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(cè)、拆卸過(guò)程仿真、人因工效分析過(guò)程。圖4為虛擬協(xié)同維修拆卸分析流程圖。
圖4 虛擬協(xié)同維修拆卸分析流程
(1)維修拆卸分析所需信息:進(jìn)行飛機(jī)維修拆卸分析首先要根據(jù)數(shù)字樣機(jī)模型獲取圖5所示拆卸信息。
圖5 維修拆卸分析所需信息
(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(guān)系。找出所有無(wú)法分解的最小拆卸單元作為DCG圖上的節(jié)點(diǎn)識(shí)別阻止零部件被拆除的幾何約束,在DCG圖上用無(wú)向邊連接兩個(gè)相應(yīng)節(jié)點(diǎn)來(lái)代表零部件之間的接觸約束;識(shí)別拆卸優(yōu)先級(jí)信息,在DCC圖上通過(guò)由前驅(qū)節(jié)點(diǎn)指向后續(xù)節(jié)點(diǎn)的有向邊來(lái)表示非接觸約束。
(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(gè)零件驅(qū)動(dòng)的遞歸搜索來(lái)產(chǎn)生所有可行的拆卸序列,并基于遺傳算法對(duì)拆卸序列進(jìn)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(duì)零部件進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)等操作,記錄空間軌跡信息,并進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)碰撞干涉,保證零部件能夠沿路徑無(wú)干涉拆卸到位和獲得合理的拆卸路徑。
3 飛機(jī)維修的人因工效分析
在飛機(jī)的維修過(guò)程中,人的因素非常重要,人因分析可對(duì)飛機(jī)的維修性設(shè)計(jì)進(jìn)行分析評(píng)估,進(jìn)而進(jìn)行改進(jìn)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(shì)分析:拆卸作業(yè)分析有OWAS、NIOSH、RU1A等多種方式。OWAS( Ovako Working-posture Analyzing System)用于分析維修人員工作時(shí)的身體姿勢(shì),并依照該姿勢(shì)所可能引發(fā)的肌肉骨骼傷害程度予以評(píng)定等級(jí),提供給維修人員對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)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(shì)和人承受的負(fù)重,然后根據(jù)5項(xiàng)要素不同狀態(tài)進(jìn)行編碼組合,分析定義4種疲勞等級(jí),代表當(dāng)前姿勢(shì)健康等級(jí)和需改進(jìn)的緊迫程度,OWAS姿勢(shì)分析編碼表如表1所示,OWAS 工作姿勢(shì)等級(jí)如表2所示。
表1 0WAS姿勢(shì)分析編碼表
表2 0WAS工作姿勢(shì)等級(jí)
(2)可達(dá)性、可視性、碰撞干涉分析。廣義上的可達(dá)性分析包括3個(gè)方面的內(nèi)容:實(shí)體可達(dá)性分析,維修人員是否接觸到零部件;作業(yè)空問(wèn)可達(dá)性分析,維修人員是否有足夠的操作空間;視覺(jué)可達(dá)性分析,維修人員是否看得到目標(biāo)件以及自己的操作動(dòng)作。
(3)工作負(fù)荷分析。目前國(guó)際上廣泛采用的工作負(fù)荷定量分析方法是人體動(dòng)作能耗預(yù)測(cè)模型,用能耗來(lái)分析工作負(fù)荷。該模型采用基于動(dòng)作分解的方法,將維修操作分解為基本的維修動(dòng)素,通過(guò)維修動(dòng)素的能量消耗累加得到執(zhí)行維修作業(yè)的總能耗。
三、基于Tecnomatix的飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析及評(píng)價(jià)
1 Tecnomatix簡(jiǎn)介
由Siemens公司開(kāi)發(fā)的Tecnomatix是一套數(shù)字化仿真軟件,主要有工藝過(guò)程設(shè)計(jì)模塊( Process Designer)和工藝過(guò)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(shù)、資源樹(shù)、操作樹(shù),進(jìn)行三維可視化、工藝設(shè)計(jì)編制操作;同時(shí)可以進(jìn)行裝配或拆卸路徑的分析、維修過(guò)程仿真、人機(jī)工程的分析評(píng)價(jià)等操作。Tecnomatix支持識(shí)別UG模型數(shù)據(jù),直接讀入及修改而避免因格式轉(zhuǎn)換造成模型特征的丟失,同時(shí)支持JT格式轉(zhuǎn)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(gè)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(biāo)準(zhǔn)文件格式。
2 飛機(jī)起落架維修性分析建模
本文選用飛機(jī)起落架進(jìn)行維修拆卸作為研究實(shí)例,在面向PLM進(jìn)行飛機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)時(shí),需要進(jìn)行維修仿真建模和飛機(jī)維修拆卸分析。
(1)首先構(gòu)建數(shù)字化仿真維修環(huán)境,包括數(shù)字樣機(jī)、工具模型、虛擬場(chǎng)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。
圖6 樣機(jī)模型/圖7 人體模型、工具模型、數(shù)字化仿真場(chǎng)景/圖8 數(shù)字化仿真維修環(huán)境的構(gòu)建/圖9 起落架幾何模型
表3 起落架部分零部件信息
(2)飛機(jī)維修拆卸分析,根據(jù)樣機(jī)模型進(jìn)行拆卸信息的分析。基于拆卸約束圖,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(jìn)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(wú)碰撞干涉的拆卸路徑,見(jiàn)圖10。
圖10 拆卸路徑規(guī)劃
(3)獲得維修拆卸過(guò)程的工藝樹(shù)和維修仿真的操作樹(shù),其中維修拆卸工藝有5個(gè)工序和29個(gè)工步,如圖11所示。
圖11 拆卸工藝樹(shù)、操作樹(shù)
3 飛機(jī)起落架維修性分析結(jié)果
通過(guò)對(duì)飛機(jī)起落架進(jìn)行人因工效和維修性分析,主要發(fā)現(xiàn)了人員拆卸姿勢(shì)、工作負(fù)荷、可視性、可達(dá)性及干涉碰撞等問(wèn)題,前3者得到了較好的驗(yàn)證結(jié)果,屬于驗(yàn)證性問(wèn)題;而對(duì)于可達(dá)性和碰撞干涉分析則是發(fā)現(xiàn)了設(shè)計(jì)中的缺陷并進(jìn)行針對(duì)性改進(jìn),屬于設(shè)計(jì)性問(wèn)題。
(1)拆卸姿勢(shì)分析。
通過(guò)對(duì)維修拆卸的全過(guò)程進(jìn)行OWAS分析,可在拆卸工作的時(shí)間周期內(nèi)進(jìn)行WAS等級(jí)的分析,在整個(gè)拆卸過(guò)程中發(fā)現(xiàn)姿勢(shì)等級(jí)均不大于2,姿勢(shì)合理安全,見(jiàn)圖12。
圖12 0WAS分析編碼、等級(jí)表
(2)可視性、可達(dá)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(guò)程必須保證銷釘可視,由實(shí)時(shí)生成虛擬維修人員視野內(nèi)切錐及視覺(jué)窗口可知,此時(shí)可視性良好。
圖13 左眼、右眼、雙眼視覺(jué)窗口及視野內(nèi)切錐
·實(shí)體可達(dá)性分析:在進(jìn)行維修起落架外筒(圖14中所選綠色零部件)時(shí),可知實(shí)體可達(dá)性不好,無(wú)法做到很好地觀察維修零件。引入一個(gè)可移動(dòng)式平臺(tái),如圖15所示,可方便維修人員對(duì)高處的零部件進(jìn)行維修。
圖14 維修人員上肢可達(dá)性
圖15 可移動(dòng)式平臺(tái)
·碰撞干涉分析:拔銷釘時(shí),對(duì)維修人員與下面的轉(zhuǎn)向架進(jìn)行碰撞干涉分析,如圖16所示,發(fā)現(xiàn)存在干涉,即作業(yè)空問(wèn)不合理,可以通過(guò)改變維修人員的姿勢(shì)或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來(lái)避免干涉,見(jiàn)圖17。
圖16 碰撞干涉檢驗(yàn)
圖17 碰撞干涉改進(jìn)
(3)工作負(fù)荷分析。
在拆卸起落架前輪輪胎的操作中,對(duì)搬運(yùn)拆下的輪胎到指定位置的過(guò)程進(jìn)行工作負(fù)荷分析,產(chǎn)生拆卸輪胎過(guò)程的能耗報(bào)告,此過(guò)程能耗率小于所允許的最大能耗率,故這個(gè)過(guò)程的工作負(fù)荷滿足要求。
四、結(jié)束語(yǔ)
本文基于產(chǎn)品生命周期管理的思想,對(duì)面向PLM的飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析及評(píng)價(jià)進(jìn)行研究,通過(guò)在設(shè)計(jì)階段基于數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行飛機(jī)協(xié)同維修仿真并分析,可提前發(fā)現(xiàn)并解決飛機(jī)維修過(guò)程中的問(wèn)題,從而節(jié)約時(shí)間和成本。面向PLM的飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析及評(píng)價(jià)根據(jù)制定的飛機(jī)協(xié)同設(shè)計(jì)的流程,要在設(shè)計(jì)階段考慮飛機(jī)的維修性及人因工效;通過(guò)對(duì)飛機(jī)維修進(jìn)行數(shù)字化仿真,構(gòu)建包含數(shù)字樣機(jī)、工具、場(chǎng)景、維修人員在內(nèi)的虛擬維修環(huán)境;進(jìn)行具體維修過(guò)程仿真,主要考慮到拆卸信息分析、拆卸模型構(gòu)建、拆卸序列規(guī)劃和拆卸路徑規(guī)劃等,并進(jìn)一步進(jìn)行人因工效分析。
本文基于Tecnomatix進(jìn)行了飛機(jī)前起落架維修拆卸仿真驗(yàn)證,通過(guò)構(gòu)建飛機(jī)起落架維修環(huán)境,根據(jù)起落架維修拆卸的具體過(guò)程對(duì)其進(jìn)行可達(dá)性、拆卸姿勢(shì)、工作負(fù)荷等與維修性相關(guān)的人因工效分析。隨著飛機(jī)復(fù)雜程度越來(lái)越高,飛機(jī)維修的要求越來(lái)越嚴(yán)格,對(duì)飛機(jī)面向整個(gè)產(chǎn)品生命周期進(jìn)行協(xié)同設(shè)計(jì)的需求也越來(lái)越高,因此,面向PLM的飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析及評(píng)價(jià)的前景也會(huì)更加廣闊。
核心關(guān)注:拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用,蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想,集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念,功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理,全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域,是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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本文標(biāo)題:面向PLM的飛機(jī)虛擬協(xié)同維修性分析及評(píng)價(jià)
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