中国国家自然科学基金资助项目并行设计中产品维修...

书书书中国国家自然科学基金资助项目《并行设计中产品维修性模型研究》（Ｎｏ．５０００５０２３）收稿日期：２００４－０８－２０　　　　　基于虚拟维修仿真的维修性分析技术研究及系统实现郝建平　蒋科艺　王松山　柳　辉　李星新　高明君郝建平　工学博士　副教授　０５０００３　河北省　石家庄市　军械工程学院　维修工程研究所　[e-mail]蒋科艺　博士研究生　０５０００３　河北省　石家庄市　军械工程学院　维修工程研究所　[e-mail]王松山　博士研究生　０５０００３　河北省　石家庄市　军械工程学院　维修工程研究所　[e-mail]柳　辉　博士研究生　０５０００３　河北省　石家庄市　军械工程学院　维修工程研究所　[e-mail]李星新　硕士研究生　０５０００３　河北省　石家庄市　军械工程学院　维修工程研究所　[e-mail]高明君　工学博士　讲师　０５０００３　河北省　石家庄市　军械工程学院　维修工程研究所　[e-mail]摘　要　在中国国家自然科学基金项目《并行设计中产品维修性模型研究》资助下，以维修性设计分析适应产品设计数字化、集成化趋势为背景与需求，对虚拟维修仿真以及基于虚拟维修仿真的维修性分析技术进行理论与相关技术研究，开发维修性设计分析系统。对所涉及的理论、技术及系统开发成果进行学术总结。根据并行工程理论，设计阶段必须考虑产品的维修问题，需要开展维修性设计。维修性是通过维修过程所体现的一种质量特性，必须通过人－产品－工具／设施／设备的相互作用才能准确发现存在的问题，现有的维修性分析技术难以在设计阶段对上述任务进行分析，虚拟现实技术是解决该问题的途径。开展６方面的研究工作。基于虚拟维修仿真的维修性分析系统的结构框架。分析基于虚拟维修仿真的维修性分析的内涵，明确其基本过程、手段及目的，总结出该技术的４个主要特点，包括维修过程和维修环境的全数字化、与实际维修的相似性与一致性、能同时满足经济性和及时性要求、良好的集成特性；提出包括界面层、应用层、对象层和技术支持层的系统结构框架；明确需要解决维修过程分解与动作分类、虚拟维修样机、虚拟维修仿真、维修性分析等４项关键技术。维修过程分解及维修动作分析。研究维修仿真和维修性分析对维修过程描述的信息组成与表现形式，以维修工程中的维修分解为基础，提出包括维修事件、维修作业、维修作业单元、维修动素的维修分解层次结构。对维修动作进行分析，认为常见的维修动作可以用少数维修动素的组合描述。将维修动素分为１０类并分别进行定义，参考人机工程领域的动素或动作时间标准和维修性工程领域的基本维修作业时间标准，制定出维修动素时间标准。虚拟维修样机技术研究。给出虚拟维修样机的定义，并分析其特点及系统组成，包括产品模型、产品将要经历的维修拆卸过程模型、对象交互模型以及维修仿真应用模型。对虚拟维修样机建模中的几何建模、交互行为建模和交互行为的规划与仿真管理等３项关键技术进行讨论。提出根据维修任务重组装配层次结构，在ＣＡＤ系统进行相应调整并提取数据的虚拟维修样机几何建模方法；建立虚拟维修样机交互特征模型，并给出面向对象的建模方法。根据维修任务规划虚拟样机的行为，采用Ｐａｔｎｅｔ实现交互行为的控制与管理。虚拟维修仿真技术研究。归纳虚拟维修仿真的技术途径，包括关键帧仿真、运动学仿真、动力学仿真、基于运动捕获数据的仿真和任务或运动规划仿真；对于非沉浸式虚拟维修仿真，提出基于ＳＢＬ的虚拟人移动规划和基于力量的虚拟人操作规划方法，核心是基于虚拟人运动的任务规划提高仿真的自动化程度，以人体力量作为规划的一个约束提高规划结果的自然性、逼真性；针对沉浸式虚拟维修仿真的特点，使用基于外设的虚拟人运动控制机制，提出基于接触点几何特征的抓取识别方法和基于运动映射的虚拟对象运动控制方式，为人机交互提供自然而直接的交互手段。基于虚拟维修仿真的维修性分析与评价方法研究。提出维修障碍的概念和维修障碍分析方法。根据维修性分析的要求，利用虚拟维修仿真提供的信息，从基本作业层或维修作业单元层、作业层、任务层分别进行维修性分析与评价。建立包括维修难度、维修时间和维修费用的维修性评价参数体系，并给出了维修难度、维修时间和维修费用的数学模型。维修难度从技术角度反映产品满足维修性定性要求的程度，是对现有评价参数的补充，能更有效地支持设计方案的决策。维修时间和维修费用从经济角度衡量产品是否满足维修性定量要求。系统设计与实现。基于Ｊａｃｋ软件平台开发了基于虚拟维修仿真的维修性分析系统。系统主要由４个功能模块组成：虚拟维修样机模块完成ＣＡＤ数据处理、样机实体模型创建、样机交互行为定义以及样机行为规划与管理等功能；维修仿真模块完成仿真场景建立、维修任务和维修动作的仿真、仿真检测等功能，并为维修性分析提供需要的各种数据；维修性分析与评价模块完成障碍数据获取、障碍分析与等级评价、维修性评估等功能；系统管理模块对系统运行模式、各种数据及其维护进行管理。１数字制造科学，２００４，２（３）郝建平，等．基于虚拟维修仿真的维修性分析技术研究及系统实现以某机构的拆卸为例，对系统的功能进行了实例验证，达到预期目标。关键词　虚拟维修仿真　维修性分析　虚拟样机　虚拟现实　维修动作中图分类号　ＴＰ３９，ＴＢ４１　引言维修性是由装备设计赋予的使其维修简便、快速和经济的一种固有属性，是与装备维修联系最为密切的质量特性。由于维修费用在装备寿命周期费用中占有相当比例，而且对装备的可用时间具有重要影响，因而维修性越来越受到普遍认同与重视。实现维修及时、经济、有效，不仅是使用阶段应该考虑的问题，而且是从装备全系统和全寿命周期应该考虑的问题，同时也是必须从装备固有质量特性考虑的问题。为从根本上解决维修难的问题，需要从论证开始，通过分析、设计、制造、试验、评价等工程活动，赋予装备良好的维修性，这些工程活动构成了维修性工程［１］。型号研制中，维修性分析是一项重要的工程活动。一般认为，维修性分析是产品研制系统工程活动中涉及维修性的所有分析，比如，产品维修性参数、指标的分析，维修性要求的分配、预计，试验结果的分析，都属于维修性分析的范畴。在ＧＪＢ３６８Ａ《装备维修性通用大纲》中，维修性分析是指将从承制方的相关研究报告和工程报告得到的数据和从订购方获得的信息，转化为具体的设计要求而进行的分析活动，维修性分析不包括分配、预计、故障模式与影响分析。笔者所认为的维修性分析尽管也考虑了时间预计，但重点是定性的维修分析。维修性分析几乎贯穿了整个研制过程，维修性的定性分析主要与装备的总体布局，设备安装形式，维修性设计准则落实情况的检查，维修操作的可达性、防差错、活动空间，拆卸的便利性等问题相关。维修性具有明显的工程直观性，如安装形式、可达性、拆卸便利性。当前通行的做法是，或在图纸上分析（如工程发展阶段对各类设计图纸进行维修性设计审查）、或在样机上进行分析（如技术设计和样机审查阶段利用样机进行维修性审查）、或以设计准则文件为依据进行符合性检查。由于样机建造时机以及建造数量的限制，多数分析是利用图纸进行的。在图纸上进行诸如设备（部件）的可达性、拆卸便利性、维修空间等的分析，很难保证分析的准确性、直观性以及结果的可信性。尤其是大型系统的设计，要在图纸上全面系统地分析可达性、维修安全性、人素工程等维修性品质，无论是对专业设计人员还是对维修性设计人员来讲都有一定的难度，其结果是多数分析工作要求得不到落实，分析结果也不能及时反馈到装备设计中，影响了装备的维修性设计水平。以设计准则文件为依据进行符合性检查，适合于“应该使用透明窗口、快速开启盖或无任何覆盖物的开口”这种准则，但对于“结构设计应该提供良好的检查口，以便于进行检查和修理”这种设计准则，由于“良好的检查口”的模糊性，而难以有明确的结论。因此，现有的维修性分析方法只能保证部分分析内容的准确性，对于一些不确定性问题则基本不适用。可见，在维修性工程实践中，为了确保将良好的维修性品质要求落实到装备设计中，必须解决维修性（可达性、拆卸便利性、维修空间，等等）分析过程的直观性、分析结果的可信性、分析时机的及时性等问题。随着计算机技术、信息技术、管理技术的发展与广泛应用，产品的工程设计与制造呈现并行化、集成化、网络化、虚拟化、智能化的发展趋势，相应的支撑技术也不断地发展与成熟，虚拟现实技术就是其中的一项重要支撑技术。由于虚拟现实技术能够提供具有真实感的交互式仿真环境，而且用户在该虚拟环境下能够模拟进行各种动作与操作，因此它具有在维修性分析领域的潜在应用前景。通过虚拟维修人员在虚拟样机上进行维修操作仿真来进行维修性分析可能可以有效地克服定性分析方法的不足。美国空军、ＮＡＳＡ均资助了虚拟现实技术在维修性领域的应用研究，研究成果已在Ｆ２２、Ｆ３５的研制中得到了应用，目前他们的研究正在向维修技术规程的自动生成发展［２～５］。英国Ｓａｌｆｏｒｄ大学对应用虚拟现实技术进行维修性分析进行了长期的研究，其成果在发动机维修性分析中得到了应用，但他们的研究没有考虑２ＤｉｇｉｔａｌＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅ，２００４，２（３）ＨａｏＪｉａｎｐｉｎｇ，犲狋犪犾．Ｖｉｒｔｕａｌｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｂａｓｅｄｍａｉｎｔａｉｎａｂｉｌｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｓｙｓｔｅｍｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ整个人体模型的影响［６，７］。德国Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ计算机图形研究所与宝马汽车公司联合对利用虚拟现实技术进行维修过程的核查进行了研究，也可以应用于维修性分析［８］。西班牙Ｎａｖａｒｒｅ大学对应用虚拟现实解决发动机的维修性评估进行了研究［９，１０］，研制了具有触觉反馈的沉浸式虚拟维修仿真系统。国外的一些相关应用成果已经开始进入应用阶段，而国内还没有达到这种程度。笔者基于中国国家自然科学基金项目《并行设计中产品维修性模型研究》，国防预研基金项目《虚拟现实技术在维修设计中的应用研究》，国防预研项目《基于虚拟现实的维修性与维修工作分析及评价系统》的资助，旨在对基于虚拟维修仿真的维修性分析所涉及的主要技术进行研究，设计并开发出一个基于虚拟维修仿真的维修性分析系统。２　基于虚拟维修仿真的维修性分析系统及结构２．１　基于虚拟维修仿真的维修性分析及其特点基于虚拟维修仿真的维修性分析是将产品设计阶段产生的产品数字化信息通过计算机进行虚拟实物复现，同时利用计算机中建立的数字化维修环境和分析工具，基于产品的数字化实体模型，在计算机上进行维修过程规划、维修仿真、维修过程分析，以验证产品的维修性及其维修过程，从而及时发现产品设计和维修规划中的缺陷与错误，指导设计人员进行设计改进，提高产品的维修性，优化维修过程，缩短产品开发周期，降低产品寿命周期过程中的维修费用。与现有的维修性分析方法相比，基于虚拟维修仿真的维修性分析具有以下特点。（１）维修过程和维修环境的全数字化　基于虚拟维修仿真的维修性分析，其最大特点是维修过程与维修环境的数字化。维修操作对象、维修工具、维修环境、维修人员在计算机中以数字化的形式存在，并通过可视化技术、图形技术和相应的软硬件展现在设计分析人员面前，维修操作过程的运行与描述也是数字化形式。（２）与实际维修的相似性与一致性　基于虚拟维修仿真的维修性分析的目的就是在计算机的虚拟维修环境中进行产品维修，以便发现设计中的缺陷与错误。虚拟维修环境必须与实际维修环境在结构上具有相似性、在本质上具有一致性，比如必须考虑整个人的参与，而不是部分肢体的参与，这样才能将维修中可能存在的问题在虚拟维修过程中反映出来。（３）满足经济性和及时性要求　基于虚拟维修仿真的维修性分析系统以产品的虚拟样机作为分析对象，没有物理样机的生产性资源与能量消耗，且不依赖于实际零件的加工生产。只要设计人员完成了相应的产品设计，就可以建立虚拟维修仿真环境，进行维修仿真，分析与评价设计成果，因而其分析时机大为提前。（４）良好的集成特性　基于虚拟维修仿真的维修性分析系统以产品的ＣＡＤ设计数据为基础，实现了与ＣＡＤ系统的数据