陳偉軍 張 燚

（駐某廠代表室，廣東 廣州 510382）

0 概述

維修性是產(chǎn)品設計所賦予的一種固有屬性，它通常定義為：“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)，按規(guī)定的程序和方法進行維修時，保持或恢復到其規(guī)定狀態(tài)的能力”。其中，維修性的定性定量要求己經(jīng)全面納入了設備的技術指標或研制任務書中。

產(chǎn)品的維修性模型是對產(chǎn)品進行維修性定性定量評估的重要工具之一，利用維修性模型可以從定性定量的角度，分析影響產(chǎn)品維修性設計的因素，確定影響因素的主次關系，為設計的改進提出建設性的意見，從而影響產(chǎn)品的設計，降低全壽命費用，提高產(chǎn)品的完好性。由此可見產(chǎn)品的維修性模型及其建模對產(chǎn)品維修性設計的優(yōu)劣起著十分關鍵的作用。

以前的艦船設計通常利用三向視圖的二維線條對艦船三維實體進行描述，設計和施工圖紙均為平面圖紙，由于艦船結構非常復雜，二維線條對其描述的不完整性，以及平面與空間模型轉換可能帶來大量差錯，會造成圖紙的修改和生產(chǎn)過程中的大量返工，使艦船設計和建造周期延長，生產(chǎn)成本增加。

隨著計算機技術的發(fā)展，應用3D技術構建虛擬環(huán)境、建立虛擬人體模型并最終實現(xiàn)在虛擬環(huán)境中讓虛擬人面對虛擬產(chǎn)品進行工作已經(jīng)成為可能。應用計算機進行全虛擬環(huán)境內(nèi)工作過程的仿真不僅便于在設計中發(fā)現(xiàn)問題并進行修改，節(jié)約設計者和生產(chǎn)者的時間，使產(chǎn)品設計周期縮短，節(jié)省成本，更重要的是可以方便地通過對各項參數(shù)的調試來調整產(chǎn)品，從而迅速地從實際應用的角度對產(chǎn)品設計進行優(yōu)化。同時，在確定環(huán)境下對維修全過程的仿真模擬還可以方便地確定在該環(huán)境中工作人員的參數(shù)和活動空間。

利用虛擬仿真技術,在計算機上將設計得到的三維模型預裝配到一起。這樣可避免物理原型的應用,也可對零部件進行干涉檢驗,減少樣品利用率。最重要的是能在產(chǎn)品設計過程中,利用各種技術手段如分析、評價、規(guī)劃、仿真等充分考慮產(chǎn)品的維修環(huán)節(jié),預先在設計中考慮維修時的工作環(huán)境及其相關各種因素的影響。

1 國內(nèi)外虛擬仿真技術研究現(xiàn)狀

造船發(fā)達國家紛紛利用信息技術給造船業(yè)帶來的各種機遇,積極開展船舶以數(shù)字化描述和虛擬現(xiàn)實技術相結合為特征的虛擬設計和制造仿真技術的研究。

美國于1992年由ARPA資助進行了下一代船舶設計系統(tǒng)———基于設計仿真SBD(SimulationBased Design)的項目研究,目標是建立一個能預先進行船舶設計、制造、運行和評價的虛擬環(huán)境,即在計算機上實現(xiàn)設計和虛擬建造船舶。美國CAD/CAM廠商正在聯(lián)合開發(fā)一個船舶設計制造軟件系統(tǒng)Virtual Design,目的是通過無縫的多學科集成(工程設計、生產(chǎn)、后勤及相應的商務系統(tǒng)),來減少船舶設計50%以上的時間和成本。日本也大力開展造船CIMS和CALS研究及原型系統(tǒng)的實施；韓國也大力開展了有關敏捷制造、電子采購系統(tǒng)、基于agent造船設計和生產(chǎn)調度計劃系統(tǒng),以及電子商務等的研究；歐盟也進行了G82MARVEL等的研究,為新一輪的市場競爭做好技術儲備。

國內(nèi)造船工業(yè)也積極從事船舶先進制造技術的研究,例如：船舶總公司開展了由傳統(tǒng)造船向現(xiàn)代造船模式轉換的專項研究；滬東造船集團的“計算機輔助造船信息集成系統(tǒng)研究”；由廣船國際、上海交通大學、船舶工藝研究所三方聯(lián)合研究的國家經(jīng)貿(mào)委重點創(chuàng)新項目“船舶集成制造技術”等。近年來,國內(nèi)多數(shù)大型造船企業(yè)、設計院和大學等研究機構相繼引進國外大型船舶設計制造集成軟件TRIBON、CADDS5 、CATIA/ENOVI2A 等。

2 虛擬維修性分析

2．1 維修工作空間分析

工作空間設計與工作性質、生產(chǎn)流程、作業(yè)者的作業(yè)行為特點及安全要求等諸多因素相關。工作空間設計的合理性與否，不僅關系到生產(chǎn)活動的有序性、空間利用的經(jīng)濟性和工作活動的有效性，而且對于作業(yè)者的舒適性、滿意感及安全健康均有重要影響。

根據(jù)工作空間設計的基本要求，維修部位是否實體可達采用可達包膜（Reach Envelope）判斷，可達包膜用球狀面描述了人體上肢能觸及到的范圍，其中包含了碰撞檢測算法，可以精確判斷維修部位是否處于可達包膜之內(nèi)。通過碰撞檢測算法，判斷人員在操作過程中是否發(fā)生部件、工具及人體間的干涉，從而實現(xiàn)工作空間可達性分析。

2.2 維修可視性分析

受人的生理特征限制，人的視野所能看到的空間范圍是確定的，在GJB2873－97中對人的垂直和水平視野分別做出了規(guī)定。當人頭部保持直立不動而只是眼球在轉動時，人的垂直視野方向的正常視線是水平線下15°，這是人眼最舒適自然的視線角度。該視線的上下15°是人的最佳垂直視野范圍，正常視線上方40°至下方20°是人的最大垂直視野范圍。

基于人的生理視野區(qū)域特性，人眼觀察物體時，眼睛可看作一個光源，發(fā)射出光線，視線所至的地方形成一個包絡，從空間上看，是一個截面為橢圓的錐形空間，即可視錐，視錐的頂點在兩眼視距與人的矢狀面的交點處，垂直于可視錐作的截面便分別對應雙視野區(qū)域（較小的視錐）和最大視野區(qū)域（較大的視錐）。

可視錐所占據(jù)的空間便是人眼視線達到的范圍，可看作人的眼睛發(fā)出的一道圓錐形光束，光束所覆蓋到的地方便是人眼可以看到的，而被可視錐覆蓋下的后部陰影部位以及可視錐以外的區(qū)域，則是人眼在這個姿態(tài)下所不能看到的地方。對于視覺可達性的計算機輔助驗證主要利用空間幾何的知識，生成各類生理視野的內(nèi)切錐，它們具有不同的錐頂角。根據(jù)內(nèi)切錐是否能夠包容維修人員將要操作的維修對象來判斷其視覺可達性的好壞，這種驗證方法稱為內(nèi)切錐驗證法。

根據(jù)生理常識可知，單眼視野和雙眼視野是不相同的，只用左眼或右眼單獨觀察時所能看到的區(qū)域稱為單眼視野；用左眼或右眼單獨觀察到的兩個單眼視野的合成區(qū)域稱為兩單眼視野；用左眼和右眼同時觀察時兩眼都看到的區(qū)域，即兩單眼視野的重疊部分稱為雙眼視野。

這種通過研究人體模型可視錐的方法來研究產(chǎn)品的可視性能直接模擬維修人員真實的維修情況，直觀的反映了產(chǎn)品的維修可視性好壞，具有很強的說服力。

2．3 維修可達性分析

根據(jù)維修可達性的定性要求，在虛擬模型中進行碰撞和干涉分析的主要內(nèi)容是檢驗維修人員在維修過程中是否與維修對象發(fā)生干涉，作業(yè)空間能否為操作者創(chuàng)造舒適的工作環(huán)境等。碰撞和干涉的定性評估可通過虛擬維修過程直接判斷。

實體可達性是指維修部位能否被接觸到的一種特性。在維修過程中，維修人員是維修的主體，手在維修過程中起著直接的作用，維修部位能不能被接觸到，是指手或者是手拿著工具能否接觸到維修部位。所以以單手臂為研究對象，分析實體可達性。采取遍歷維修姿態(tài)的方法分析是否存在一種手臂姿態(tài)使得手臂可被維修空間充分包容，如果存在，則認為維修部位可達。

首先建立了人體手臂的簡化運動模型，在虛擬環(huán)境中設定虛擬人的維修姿態(tài)，并對每一種姿態(tài)進行檢測分析，如果存在一種或一種以上的姿態(tài)使得虛擬人的整個維修動作可以再允許空間內(nèi)被充分包容，則認為實體可達性良好，如果檢測到一種姿態(tài)不符合要求則跳入下個姿態(tài)進行檢測分析，直到找到具有良好可達性的姿態(tài)。如果最終遍歷所有姿態(tài)都不符合維修實體可達的要求，則認為實體可達性較差。

3 虛擬維修仿真技術的展望

通過虛擬人的活動仿真進行三維設計的有效性驗證是一個非常復雜的研究領域，它不但涉及的知識面廣，還必須與各個領域的生產(chǎn)實際相結合，所以要真正達到實用化，在理論和應用方面尚需大量工作：

（1）細化人因工程的各項標準和規(guī)范，使計算機分析結果更加貼近實際，使其結論更加可信并最終達到以計算機模擬實驗代替或者部分代替真實實驗的目的。

（2）有針對性地對一些三維設計軟件進行有關人機工程的二次開發(fā)，提煉出針對性強，實用可靠的功能模塊。

（3）進一步研究虛擬維修仿真技術，完善人體姿勢庫，增加標準零件庫、工具庫，簡化實際應用臨時建模的時間，同時也便于建立標準化的維修拆卸仿真過程。

（4）加大結合實例應用虛擬仿真技術進行三維設計有效性驗證分析的力度，積累經(jīng)驗，為今后的進一步工作提供經(jīng)驗支持。