CN104951350A - 航天产品总装工艺仿真分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种航天产品总装工艺仿真分析方法，以三维虚拟现实环境为平台，在规划好航天总装工艺之后，在设计完每一道工序之后，可以根据实际总装情形构建出航天产品总装环境，并进行每道工序的全过程仿真，对相关零部件进行试装配，对装配方案的可行性、安全性和操作舒适性等进行检验验证。通过本发明使工艺人员在一定程度上摆脱对自身经验的依赖，能够在三维虚拟现实环境中利用航天产品的数字化模型进行总装过程的模拟，对总装工艺方案进行全过程的仿真验证，及时发现装配过程中存在的装配顺序错误、零件干涉、错装、漏装等问题，及时对总装工艺设计方案进行修正和优化，从而在降低工艺规划难度的同时，工艺方案更加优化。

Description

航天产品总装工艺仿真分析方法

技术领域

本发明涉及航天产品设计技术领域，尤其涉及一种航天产品总装工艺仿真分析方法。

背景技术

航天产品的研发成型需要经历产品设计、工艺设计和制造三个大的阶段。工艺设计又分为零部件制造工艺、总装工艺和其他热处理工艺等，总装工艺设计作为工艺设计中的重要内容，主要用于指导部件的总装过程。但是设计人员设计的总装工艺并不一定可行，所以需要进行仿真来验证现有的工艺方案是否合理，通过仿真可以针对现有的工艺方案产生一些分析报告，这些分析报告就表明了现有的总装工艺方案是否有问题，反映出的这些问题再反馈给工艺设计人员，帮助工艺设计人员优化现有的工艺。

目前，航天产品总装过程主要存在以下问题：

（1）装配过程基本上还是采用传统手工方式来完成的，这种方式需要工人有较高的技能和操作经验，这种对个人的过分依赖，导致装配质量问题频发，装配效率降低，装配周期较长。

（2）设计问题的发现往往需要通过实物试装和装配后的实物检测来完成，这就导致了研制周期变长、资源消耗增多等一系列问题。

（3）由于生产组织方式、作业环境、不合理的装配工艺方案等因素的影响，导致工人劳动强度大，工作满意度降低等问题。

（4）传统的三维虚拟装配仿真只是对总装工艺进行可视化的装配模拟，在现有的仿真实施过程中，没有进一步考虑到装配作业人员在装配过程中的装配可达性、可视性和作业舒适性等问题，这种传统的装配过程仿真与实际的装配过程是不相符的，无法设计出符合人的实际操作过程的装配工艺。

人是装配作业执行者，是装配作业任务的主体，尤其对于航天产品这类复杂产品而言，产品的主体结构被固定在一个位置不动，装配作业要求作业人员在不同的工位之间移动、搬运产品零部件、适时变换作业姿势，甚至需要在狭小空间内进行装配作业。另外，由于缺少针对人体操作可达性、可视性和作业舒适性的相应分析，因而无法对产品的不同装配方案进行评估和筛选，因此无法对特定的装配工艺进行调整和改进，也就无法设计出符合人的实际操作过程的总装工艺。

航天产品总装过程中的上述问题一直未能得到有效的解决，其根本原因主要在于总装工艺设计阶段未能充分利用三维虚拟仿真技术进行总装工艺验证，并且很少考虑人的因素和人的装配需求，未能在设计阶段充分考虑实际装配中出现的各种未知干扰，人因工程学的理论和方法在航天产品生产系统中应用不足。因此，如何利用三维虚拟仿真技术设计和优化空间航天产品总装工艺以及保证操作人员健康作业已经成为当今航天设备数字化装配领域亟待解决的重要问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是针对目前的航天产品总装工艺验证方法存在的上述不足，提供一种航天产品总装工艺仿真分析方法，使工艺人员在一定程度上摆脱对自身经验的依赖，能够在三维虚拟现实环境中利用航天产品的数字化模型进行总装过程的模拟，对总装工艺方案进行全过程的仿真验证，及时发现装配过程中存在的装配顺序错误、零件干涉、错装、漏装等问题，及时对总装工艺设计方案进行修正和优化，从而在降低工艺规划难度的同时，工艺方案更加优化。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种航天产品总装工艺仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）构建虚拟装配环境；

2）基于航天产品的总装技术信息，分析获取总装工艺信息并规划各工序的具体操作内容，确定各工序的装配对象、装配顺序、装配路径、装配方式、所用工装工具；

3）判断是否需要进行装配仿真验证，对不进行装配仿真验证的工序，进入下一工序的操作内容；对进行装配仿真验证的工序，进入虚拟装配环境进行仿真，并保证当前仿真状态同步至上一工序的仿真结束状态；

4）进行装配操作节点的仿真：选取待拆卸装配体的预定目标拆卸位置并保存；以装配体初始状态为参照，确定装配体的拆卸方式，根据装配体的约束条件，定义装配体移动的距离、方向、时间、旋转轴、旋转角度和装配姿态；利用局部坐标系手动选取中间目标位置的坐标，在待装配体移至预定目标拆卸位置以后，以逆序拆卸方式将待装配体重置到初始状态，根据记录的装配体初始状态、中间目标位置和预定目标拆卸位置，生成装配路径；

5）进行装配工序节点的仿真：基于装配操作仿真内容创建相应的装配工序节点，调整装配操作仿真时间轴，形成装配操作仿真链，将所述装配操作仿真链连接到所述装配工序仿真节点下；

6）进行仿真结果分析并输出分析报告，包括装配体分析和人因工程分析。

进一步地，所述步骤4）中，利用局部坐标系选取中间目标位置的坐标，并进行包围盒干涉检测以确定当前装配路径是否存在碰撞或干扰，若存在装配干涉须重新选取中间目标位置的坐标，若不存在装配干涉则记录当前中间目标位置，然后继续选取新的中间坐标位置，重复以上操作，直至零部件移至预定目标拆卸位置。

进一步地，所述步骤6）中，所述装配体分析包括装配静态干涉分析、装配动态干涉分析、装配路径显示、装配体包络图生成；

进一步地，所述步骤6）中，人因工程分析包括人体视野域包络图生成、人体操作域包络图生成、人体舒适性分析。

通过以上技术方案，本发明以三维虚拟现实环境为平台，在规划好航天总装工艺之后，在设计完每一步工序之后，可以根据实际总装情形构建出逼真的航天产品总装环境，并进行每步工序的全过程仿真，对相关零部件进行试装配，对装配方案的可行性、安全性和操作舒适性等进行检验验证，先期发现装配方案中存在的问题并进行修正，然后再次在虚拟装配环境中对改进装配方案进行仿真验证，如此反复，最终得到可行、优化的总装工艺方案。工艺设计过程更加形象和完善，降低了设计工作的难度。通过在虚拟环境中进行航天产品总装工艺方案的模拟仿真，设计人员可以对自己的工艺设计方案有一个形象而清晰的直观印象，可以对总装操作的可行性和总装效率进行评估验证，降低了对工艺人员自身经验的依赖程度，从而降低了航天产品总装工艺设计工作的难度。工艺设计方案更加优化。通过在虚拟环境中对航天产品总装工艺方案进行仿真验证，可以及时发现设计方案中可能存在的与其他已装零件干涉、无法下手操作、操作危险性高等缺陷，从而对装配方案及时进行修正和完善，使得最终的工艺设计方案优化程度更高。

附图说明

图1为航天产品总装工艺的仿真方法流程图；

图2为航天产品总装工艺仿真层级结构图；

图3为装配操作仿真的实施流程图；

图4为装配工序仿真的实施流程图；

图5为总装工艺仿真结果分析图。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1至图5。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

参阅图1所示，显示为本发明航天产品总装工艺仿真分析方法的流程图，以运载火箭为例，在进行总装工艺仿真之前，首先将运载火箭的轻量化三维零部件模型导入到虚拟现实环境当中，并检查导入模型的完整性；然后在虚拟平台上创建常用工具库，导入工艺装备模型，创建虚拟人体模型；最后根据运载火箭的实际总装环境和资源，调整它们在虚拟环境中的位置，构建出一个逼真的运载火箭总装环境，为后续在该环境中进行总装仿真操作做好准备。

然后结合虚拟环境中的三维模型对运载火箭的总装图纸、总装技术文件等进行分析，获取总装工艺结构、具体装配要求等工艺信息。接着划分各工序，并规划出工序内的具体操作内容，确定该工序的装配对象、装配顺序、装配路径、装配方式、所用工装工具等。

对该工序是否需要进行装配过程仿真进行判断。判断的准则是：对装配过程复杂的操作、存在安全隐患的操作、以往从未进行过的操作、装配空间狭小的操作、关键零部件的操作、需要多人配合作业的操作、装配可视性差的操作以及工艺人员对装配可行性不能肯定的操作都需要通过装配过程仿真来验证装配可行性、可视性、可达性、舒适性、安全性等。对装配人员已经熟知的操作、舱体外进行的简单操作等工艺人员对装配方案有较大把握的工序可不进行装配过程仿真验证。对不进行装配仿真验证的工序，应直接进入下一道工序的操作内容规划与仿真验证。对进行装配仿真验证的工序，工艺人员应该进入虚拟装配环境，对该工序的操作内容进行仿真。

进入运载火箭虚拟装配环境之后，必须使仿真状态根据当前仿真的工序内容同步到上一仿真工序结束时的工况。具体实施为：将在该工序之前已安装的零部件在运载火箭轻量化模型上进行显示，通过改变该工序中待装配的零部件的全局坐标，将待装配的零部件放置到运载火箭轻量化模型旁待装配零部件货架上，其他零部件在轻量化模型上进行消隐处理。

运载火箭的总装工艺是一种层级结构，如图2所示，一个完整的总装工艺包括多道工序，每道工序包括多个装配操作，因而在仿真实施过程中先进行装配操作节点的仿真，再进行装配工序节点的仿真。在运载火箭虚拟装配环境当中，按照“可拆即可装”的装配规划方式，并根据规划好的装配工艺结构选取当前工序下的装配操作节点进行装配仿真。如图3所示，装配操作仿真的具体实施过程为：选取待拆卸装配体的预定目标拆卸位置并保存，同时对装配体的初始状态进行复制；然后以初始状态的副本为参照物，确定装配体的拆卸方式，根据装配体的约束条件，由工艺人员决定其每一步的位移变换，并以工艺人员手动输入的方式来定义装配体移动的距离、方向、时间、旋转轴、旋转角度和装配姿态；利用局部坐标系手动选取中间目标位置的坐标，并进行包围盒干涉检测以确定当前装配路径是否存在碰撞或干扰，若存在装配干涉则须重新选取中间目标位置的坐标，若不存在装配干涉则记录当前中间目标位置，然后继续选取新的中间坐标位置。重复以上操作，直至零部件移至预定目标拆卸位置。在待装配体移至预定目标拆卸位置以后，以逆序拆卸方式将待装配体重置到初始状态，根据记录的装配体初始状态、中间目标位置和预定目标拆卸位置，生成装配路径。

完成装配工序下的每个装配操作仿真后，将每个装配操作仿真的内容连接到对应的工序仿真节点上。如图4所示，装配工序仿真的具体实施过程为：根据装配操作仿真的内容由工艺人员在运载火箭总装工艺根节点下创建相应的装配工序节点；然后转换装配仿真视角，并通过添加显示和消隐事件，对已仿真过的工序节点和当前工序节点对应的装配对象分别进行有选择性的消隐和显示，以便于当前工序仿真的进行。考虑航天产品实际总装过程中，经常发生装配人员经常出现疲劳、职业累积损伤疾病等现象，需要对某些不符合人体作业舒适性指标的工序或者操作进行重点仿真和关注，更加深入地优化航天产品的总装工艺，本发明还增加了对人因工程的仿真，对该工序对应的装配操作仿真节点分别添加文本标注、人体释放事件、人体追踪事件等，并将装配操作以一定的顺序进行连接；之后由工艺人员参考实际装配时间，对装配操作仿真链上的每个装配操作仿真时间轴进行调整，形成一条可行的装配操作仿真链；之后将装配操作仿真链连接到新创建的装配工序仿真节点下，完成该装配工序的仿真。

完成装配工序仿真以后，对仿真结果进行分析，如图5所示，将装配工序仿真中的装配顺序、装配路径、人体姿势和装配操作等作为分析环节的输入，进行装配仿真分析的设置和分析运行，这些分析包括装配体分析与人因工程分析。其中装配体分析又包括装配静态干涉分析（分析三维设计模型是否存在干涉）、装配动态干涉分析（分析装配过程中是否存在干涉）、装配路径显示（分析整体装配路径是否合理）、装配体包络图生成（分析装配体所需装配空间大小）等；人因工程分析主要是对装配作业人员进行作业分析，包括人体视野域包络图生成（分析装配作业的可视性）、人体操作域包络图生成（分析装配作业的可达性）、人体舒适性分析（分析人体的能量消耗、作业载荷、作业时间等）等。仿真分析完成后可以输出一系列仿真分析报告，包括装配干涉报告、人体作业舒适性分析报告等，可以辅助工艺人员进行仿真评价，并同时输出工序仿真动画。

仿真分析结果确定以后，工艺人员可以依据分析报告和仿真动画对当前工序的是否需要进行改进、改进内容以及如何改进提出具体的改进方案。进一步对改进方案进行仿真以验证其合理性，以获得更好的仿真效果，为装配工艺的制定提供更加全面完善的参考。如果工序不需要进行改进，则直接进入下一工序的仿真规划与实施。

综上所述，本发明以三维虚拟现实环境为平台，在规划好航天总装工艺之后，在设计完每一步工序之后，可以根据实际总装情形构建出逼真的航天产品总装环境，并进行每步工序的全过程仿真，对相关零部件进行试装配，对装配方案的可行性、安全性和操作舒适性等进行检验验证，先期发现装配方案中存在的问题并进行修正，然后再次在虚拟装配环境中对改进装配方案进行仿真验证，如此反复，最终得到可行、优化的总装工艺方案。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种航天产品总装工艺仿真分析方法，其特征在于，包括以下步骤： 

1）构建虚拟装配环境； 

2）基于航天产品的总装技术信息，分析获取总装工艺信息并规划各工序的具体操作内容，确定各工序的装配对象、装配顺序、装配路径、装配方式、所用工装工具； 

3）判断是否需要进行装配仿真验证，对不进行装配仿真验证的工序，进入下一工序的操作内容；对进行装配仿真验证的工序，进入虚拟装配环境进行仿真，并保证当前仿真状态同步至上一工序的仿真结束状态； 

4）进行装配操作节点的仿真：选取待拆卸装配体的预定目标拆卸位置并保存；以装配体初始状态为参照，确定装配体的拆卸方式，根据装配体的约束条件，定义装配体移动的距离、方向、时间、旋转轴、旋转角度和装配姿态；利用局部坐标系手动选取中间目标位置的坐标，在待装配体移至预定目标拆卸位置以后，以逆序拆卸方式将待装配体重置到初始状态，根据记录的装配体初始状态、中间目标位置和预定目标拆卸位置，生成装配路径； 

5）进行装配工序节点的仿真：基于装配操作仿真内容创建相应的装配工序节点，调整装配操作仿真时间轴，形成装配操作仿真链，将所述装配操作仿真链连接到所述装配工序仿真节点下； 

6）进行仿真结果分析并输出分析报告，包括装配体分析和人因工程分析。 

2.根据权利要求1所述的航天产品总装工艺仿真分析方法，其特征在于，所述步骤4）中，利用局部坐标系选取中间目标位置的坐标，并进行包围盒干涉检测以确定当前装配路径是否存在碰撞或干扰，若存在装配干涉须重新选取中间目标位置的坐标，若不存在装配干涉则记录当前中间目标位置，然后继续选取新的中间坐标位置，重复以上操作，直至零部件移至预定目标拆卸位置。 

3.根据权利要求1所述的航天产品总装工艺仿真分析方法，其特征在于，所述步骤6）中，所述装配体分析包括装配静态干涉分析、装配动态干涉分析、装配路径显示、装配体包络图生成。 

4.根据权利要求1所述的航天产品总装工艺仿真分析方法，其特征在于，所述步骤6）中， 人因工程分析包括人体视野域包络图生成、人体操作域包络图生成、人体舒适性分析。