基于数字样机的维修性分析评价方法

基于数字样机的维修性分析评价是以装备设计阶段产生的数字化装备信息为基础，通过构建包括装备、维修设备或工具、维修人员的虚拟维修环境，并在该环境中按预定的维修方案进行维修过程的建模与仿真，获得关于“人—装备—设备/工具”在维修过程中相互作用的有关数据，依据维修性设计要求进行数据分析，以发现存在的问题，进而作出关于维修性水平的评价，并提出反馈。其基本原理如图3-32所示。

图3-32　基于数字样机的维修性分析评价的基本原理

维修性是通过“人—装备—设备/工具”的共同作用体现出来的，这些相互作用发生于维修过程的各个环节，可以通过虚拟维修技术分析这些环节上“人—装备—设备/工具”的相互作用对维修职能的影响来识别维修性设计缺陷并进行评价。设计人员能够直观地看见产品构形和维修人员、工具，以及维修作业的动作过程，而不是“凭空想象”，这将提高分析效果和效益。

利用虚拟现实技术，还可以建起有一定逼真程度的仿真图景或虚拟样机，使人虚拟地沉浸其中，动态地模拟所要完成的维修工作和进行维修性分析。分析人员可以建立仿真环境，将人-机交互可视化并接收在线的关于人的因素方面的信息，可利用计算机辅助设计（CAD）数据可生成装备设计的虚拟样机，这大大降低了对费用高的实体样机的需求。有了这样的能力，就能在研制过程的更早时期判定存在的设计问题并予以解决。通过这种仿真，还可进一步就安全性、保障设备、工具、劳力需求和人员需求等方面提供保障性分析的信息。

基于数字样机的维修性设计分析评价系统的一般结构框架如图3-33所示，系统分为界面层、应用层、对象层、技术支持层4个层次。

图3-33　基于数字样机的维修性分析评价系统的一般结构框架

（1）界面层。界面层是用户与系统交互的方式和接口，包括输入界面和输出界面。输入界面用于接受用户的输入命令、响应用户的鼠标与键盘事件，接受来自CAD系统和质量通用特性工程（可靠性、维修性、保障性）系统的数据。此外输入界面还包括虚拟外设应用，包括头盔显示器、数据手套、方位跟踪设备、手势输入、语音输入等。输出界面用于将应用层的处理结果以图示化形式或对话交互形式反馈给用户。

（2）应用层。应用层是系统应用实现的核心，主要包括以产品设计为中心的虚拟维修和以保障系统设计为中心的虚拟维修。建模包括样机建模、过程建模、维修保障系统建模，过程既指维修操作过程，也指维修保障的组织、管理与运作过程。分析评价包括对产品维修性的分析评价和对产品维修保障系统的分析、评价及优化。

（3）对象层。对象层用于存取、生成、维护和管理系统运行过程中的产品CAD模型、虚拟样机模型、虚拟维修环境模型、维修过程模型、虚拟维修人员模型对象、保障系统组织模型、保障系统功能模型、保障系统资源模型和保障系统信息模型；提供系统的数据支持，完成模型对象的数据组织、存储和提取。

（4）技术支持层。技术支持层是支持基于虚拟维修系统运行的软、硬件基础，包括虚拟人体建模与仿真系统、虚拟现实外设技术、产品数据管理（PDM）系统、操作系统与网络环境、工作流技术、高层体系仿真（HLA）技术、离散事件系统建模与仿真技术等。虚拟现实外设包括头盔、立体眼镜、数据手套、跟踪设备等用以获取手套信息、计算位姿参数和设计视觉参数等的外设驱动模块；产品数据管理（PDM）系统用于管理虚拟维修系统的输入、输出及中间数据；虚拟人体建模与仿真系统用于为系统提供关于虚拟人员建模、运动仿真的基本功能；操作系统与网络环境向系统提供基本的网络通信和安全支持；工作流技术用于支持保障系统业务流程的仿真；离散事件系统建模与仿真技术为保障系统基本单元的仿真提供支持。(https://www.xing528.com)

基于数字样机的维修性设计与分析的一般流程如图3-34所示，基于数字样机的维修性分析评价系统的组成如图3-35所示。

图3-34　基于数字样机的维修性设计与分析的一般流程

图3-35　基于数字样机的维修性分析评价系统的组成

主要工作有以下4点：

（1）要建立产品以及维修工具的三维模型，而且要定义工具的运动方式与路径。现在的专业CAD软件基本都能实现这一要求。更高层次的研究工作是建立适合产品维修性分析的通用产品模型，即研究如何从产品的CAD数据中抽取维修性分析需要的数据，与当前的计算机集成制造系统（CIMS）、并行工程等研究热点结合在一起，形成一个功能更强大的系统，更好、更快地完成这一工作。

（2）建立（或选用已有的）人体模型，把人及其肢体简化，并在计算机上进行动作的显示，所占的空间尺寸都要符合典型的人体尺寸。国外研究的CrewChief人体模型中，人体有36个关节，可以有站、跪、坐、卧等12种姿势，有10种人体的身高、眼高、坐高、手长、下肢长等尺寸及其组合，这些人体测量学数据可以根据需要选择和调整。更加完善的还有JACK模型。利用这些模型和软件可在计算机上把人体及其肢体静态和动态所占空间显示出来。我国也在开发相似的模型和软件系统。在工程实践中，只需选择和使用现有的模型，就可在其软件平台上运行人及其肢体的活动，显示所占的空间。

（3）建立分析对象的维修活动（作业）程序，确定人体和工具及产品的动作路线。显然，这是通过计算机演示维修动作并进行分析评价的基础。这项工作主要依靠工程人员的实践经验来完成。有条件时，也可利用人工智能自动生成活动或作业程序。

（4）在计算机上演示维修活动或作业，并进行分析评价。这就是说，以产品三维模型作为维修场景，将维修人员模型、工具模型及所需器材作为其中的活动对象，按维修作业程序及设定的运动路径，检查是否无干涉、碰撞，肢体、工具和视力是否可达，并对维修时间乃至费用作出估计。进一步的发展还可估计维修动作所需的力量等。