王 江，文 韜，李向新

(長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙 410124)

現(xiàn)代飛機(jī)制造技術(shù)飛速發(fā)展的今天，各種數(shù)字化技術(shù)層出不窮，數(shù)字技術(shù)［1］在飛機(jī)維修行業(yè)也得以大量應(yīng)用?，F(xiàn)代飛機(jī)的設(shè)計，制造，驗證均依托于計算機(jī)輔助數(shù)字技術(shù)。現(xiàn)在飛機(jī)制造以全機(jī)數(shù)字化模型為飛機(jī)制造生產(chǎn)唯一的外型樣板和尺寸數(shù)據(jù)源。以飛機(jī)產(chǎn)品數(shù)字化模型為主線，貫穿整個飛機(jī)的產(chǎn)品生產(chǎn)管理周期。在航空制造中，產(chǎn)品生產(chǎn)周期管理的核心平臺就是CATIA。基于現(xiàn)在的數(shù)字化維修技術(shù)，CATIA在教學(xué)模擬實訓(xùn)中的應(yīng)用［2］飛速發(fā)展，隨著CATIA在飛機(jī)維修中的應(yīng)用也不斷深入，今后在飛機(jī)維修專業(yè)的教學(xué)當(dāng)中也會大量涉及。數(shù)字仿真不但能輔助理論教學(xué)，而且可以完善和豐富數(shù)字化實訓(xùn)中心的課程。

1 CATIA模擬實訓(xùn)系統(tǒng)簡介

CATIA是由法國達(dá)索公司面向航空和航天工業(yè)開發(fā)的3D CAD/CAM/CAE集成系統(tǒng)軟件。CATIA源于航空航天業(yè)，其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。波音飛機(jī)公司使用CATIA完成了整個波音777的電子裝配，創(chuàng)造了業(yè)界的一個奇跡，從而也確定了 CATIA在CAD/CAE/CAM行業(yè)內(nèi)的領(lǐng)先地位。

CATIA采用特征造型和參數(shù)化造型技術(shù)可以精確地建立、修改與分析3D幾何模型;具有超強(qiáng)的曲面造型功能，其曲面造型功能包含了高級曲面設(shè)計和自由外形設(shè)計，用于三維的零件和約束的機(jī)械裝配件，自動地對零件間的連接進(jìn)行定義，便于對運動機(jī)構(gòu)進(jìn)行早期分析，方便了飛機(jī)部附件的裝配，后續(xù)應(yīng)用則可利用此模型進(jìn)行進(jìn)一步的設(shè)計維修流程與維修操作仿真。

2 傳統(tǒng)飛機(jī)維修專業(yè)實訓(xùn)存在的問題

飛機(jī)維修專業(yè)實訓(xùn)是飛機(jī)維修專業(yè)理實一體化課程的一部分，是培養(yǎng)一個飛機(jī)維修高端技能型人才的必要環(huán)節(jié)。其主要課程目標(biāo)是使學(xué)生熟悉飛機(jī)的構(gòu)造與系統(tǒng)工作原理，了解飛機(jī)典型附件修理的方法與要求，熟悉各種工具和設(shè)備的使用與維護(hù)知識，掌握飛機(jī)維修的基本技能與方法，培養(yǎng)學(xué)生從事飛機(jī)修理，分析問題、解決問題的能力及學(xué)生工程實踐的能力。飛機(jī)維修專業(yè)實訓(xùn)是認(rèn)識飛機(jī)構(gòu)造與系統(tǒng)，是裝配技術(shù)理論課程的實踐和應(yīng)用。傳統(tǒng)的教學(xué)采用理實一體化雖取得了較好的教學(xué)效果，但仍然存在一些問題:

(1)飛機(jī)維修工位和實訓(xùn)載體數(shù)量有限很難滿足全體學(xué)生獨立實訓(xùn)的要求。

(2)飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件門類多樣，維修項目多，因此僅限于開展典型飛機(jī)結(jié)構(gòu)及附件的實訓(xùn)項目，實訓(xùn)開展的范圍受限，很難讓學(xué)生對飛機(jī)系統(tǒng)有整體的概念。

(3)飛機(jī)維修實訓(xùn)中使用的清洗劑易燃，使用的飛機(jī)實訓(xùn)載體較大這都妨礙了實訓(xùn)的深入開展。

(4)實訓(xùn)時拆裝過程均會對飛機(jī)載體造成損耗，限制了實訓(xùn)的操作次數(shù)。而飛機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，附件多樣，有限的操作次數(shù)不能讓學(xué)生牢記實訓(xùn)步驟，對操作的工作原理理解不深。

(5)傳統(tǒng)的飛機(jī)維修一體化實訓(xùn)操作工卡多，操作過程記錄量大，考核方式單一，缺乏一個科學(xué)、高效、規(guī)范的學(xué)生實訓(xùn)記錄及評價體系。針對學(xué)生的個人評價依據(jù)整組的表現(xiàn)和印象，缺少客觀的判斷依據(jù)。

針對以上問題加入CATIA模擬實訓(xùn)環(huán)節(jié)后能得到很好的解決。

3 仿真模擬實訓(xùn)體系的搭建

3.1 CATIA模擬實訓(xùn)仿真系統(tǒng)的指導(dǎo)思想

通過CATIA完成飛機(jī)維修實訓(xùn)載體的零件實體造型。在CATIA虛擬仿真系統(tǒng)環(huán)境下完成飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)的數(shù)字化模型，以飛機(jī)部附件零件數(shù)字模型完成飛機(jī)的分解裝配仿真。將飛機(jī)的數(shù)字化模型，裝配數(shù)模，裝配記錄文檔以及過程演示視頻等做成壓縮實訓(xùn)包。通過實訓(xùn)數(shù)據(jù)包對飛機(jī)維修實訓(xùn)課程進(jìn)行整合完成模塊化，構(gòu)建完整系列化的系統(tǒng)仿真實訓(xùn)方案和考核評價體系。

3.2 仿真實訓(xùn)包的應(yīng)用

課程演示:仿真實訓(xùn)包不但用于飛機(jī)實訓(xùn)教學(xué)，還可擴(kuò)展到《飛機(jī)空氣動力學(xué)》、《飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)》、《飛機(jī)裝配與調(diào)試》和《直升機(jī)構(gòu)造與系統(tǒng)》等理論課程的教學(xué)中，豐富這些課程的輔助教學(xué)手段，增加趣味性。能夠很便利地演示飛行原理，展示飛機(jī)真實結(jié)構(gòu)，不再受教學(xué)場地的限制。

實訓(xùn)運用:飛機(jī)維修實訓(xùn)教學(xué)中，教師先將實訓(xùn)的操作工卡，零件的數(shù)模，裝配模型，分解裝配過程視頻放入實訓(xùn)包。學(xué)生根據(jù)實訓(xùn)包要求進(jìn)行仿真實訓(xùn)操作，保存其仿真分解裝配文件和過程視頻，填寫實訓(xùn)工卡，最后以數(shù)據(jù)包的形式提交實訓(xùn)操作結(jié)果。

圖1 飛機(jī)虛擬數(shù)字化數(shù)據(jù)包

目前，航空維修專業(yè)的實訓(xùn)模式主要以理實一體化為主。分為理論講授，操作演示，學(xué)生實訓(xùn)，教師點評等步驟。課堂教學(xué)過程借助多媒體演示，方式陳舊。而采用CATIA模型模擬實訓(xùn)系統(tǒng)［3］是充分吸收了上述實訓(xùn)模式的精華，從系統(tǒng)的角度出發(fā)提升實訓(xùn)的系統(tǒng)性。學(xué)生操作步驟，操作過程全程記錄，整個模擬實訓(xùn)幾乎再現(xiàn)了工廠維修現(xiàn)場和操作步驟。包括實訓(xùn)工卡的填寫在內(nèi)的模擬修理的真實維修環(huán)境，包含飛機(jī)修理的各個環(huán)節(jié)。讓學(xué)生通過模擬了解企業(yè)維修的場景，達(dá)到迅速上崗的目的，進(jìn)一步實現(xiàn)教學(xué)與產(chǎn)業(yè)對接。

平臺的建立主要是實訓(xùn)載體的數(shù)字化，分為:實訓(xùn)載體外部尺寸測量以及分解之后各零件尺寸的測量(如圖2)，實訓(xùn)零件參數(shù)化和系列化，零件分解，裝配，生成爆炸視圖，裝配和分解過程逐幀記錄。

圖2 飛機(jī)附件CATIA仿真實訓(xùn)方案

3.3 某型飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)模擬裝配中的運用實例

(1)CATIA零件實體造型

打開CATIA v5軟件進(jìn)入造型設(shè)計模塊如圖3。

圖3 零件設(shè)計菜單

圖4 裝配菜單

根據(jù)前期測量參數(shù)進(jìn)入草圖，約束好尺寸之后生成零件實體。為取得較好的效果，對實體填充材料渲染等操作后得到零件，如圖5、6、7這里只列舉了主要零件。按裝配的順序?qū)α慵M(jìn)行編號保存。

圖5 參數(shù)化翼肋

圖6 參數(shù)化翼梁

圖7 蒙皮

CATIA的造型是尺寸驅(qū)動的，便于系列化和參數(shù)化(如圖8)。對于系列化零件比如螺栓，鉚釘，根據(jù)尺寸制成Excel表格導(dǎo)入到CATIA參數(shù)當(dāng)中就能生成系列化的零件，簡單高效。針對飛機(jī)零件中的復(fù)雜曲面CATIA也提供了強(qiáng)大的曲面造型功能。

圖8 參數(shù)化

(2)飛機(jī)附件零件的裝配過程。

首先零件的裝配必須要在CATIA的裝配模塊中完成(圖4)，最后完成總裝圖(圖9)。每個操作步驟，零件在裝配過程中的順序、路徑都通過軟件記錄以視頻樣本的形式保存。CATIA裝配需要按照位置約束來實現(xiàn)，平面與平面的配合按照約束關(guān)系，在裝配完成之后形成文本參數(shù)以文檔形式保存。

圖9 裝配約束

記錄整個裝配過程，采用分布記錄方式。一般采用第三方軟件屏幕錄像專家或CATIA自帶視頻記錄功能輸出，后者占用軟件資源影響操作，但記錄詳實，如圖10所示。

圖10 錄制過程視頻

分解之后形成爆炸視圖，爆炸視圖可根據(jù)個人習(xí)慣自行調(diào)整零件位置。最后輸出裝配過程視頻文件，最常用的是avi格式。所有在分解和裝配過程中錄制的視頻和產(chǎn)生的文件都是用來做為實訓(xùn)操作考核的依據(jù)。

4 CATIA在飛機(jī)實訓(xùn)教學(xué)中的意義

(1)實現(xiàn)簡單，可移植性強(qiáng)。利用操作實訓(xùn)的機(jī)房安裝CATIA V5軟件實現(xiàn)硬件平臺的搭建。在實訓(xùn)包方面可以選擇獨立造型創(chuàng)建也可由航空企業(yè)引進(jìn)。中航工業(yè)制造過程中已有飛機(jī)整體數(shù)字化樣機(jī)。CATIA的3D模型不但可以用于飛機(jī)維修實訓(xùn)理實教學(xué)活動中，也可用于飛機(jī)結(jié)構(gòu)實驗［4］實訓(xùn)的動態(tài)演示，實現(xiàn)從理論課堂到實踐操作的無縫對接。操作過程的視頻可用于對維修步驟操作的考核依據(jù)。

(2)通用擴(kuò)展性強(qiáng)，更新速度快。實訓(xùn)載體都是軟件模型，收集相關(guān)參數(shù)即可創(chuàng)建更新速度快。CATIA平臺也是中航工業(yè)實現(xiàn)飛機(jī)全機(jī)數(shù)字化制造的平臺。實現(xiàn)飛機(jī)維修實訓(xùn)教學(xué)的仿真數(shù)字化就能與飛機(jī)裝配工裝數(shù)字化制造［5］對接，更好的服務(wù)航空產(chǎn)業(yè)。

(3)仿真實訓(xùn)不能取代真實的實訓(xùn)操作，但它能使實踐操作效率更高，減少對實訓(xùn)耗材的不必要的讓費，節(jié)約實訓(xùn)成本。它的加入增強(qiáng)了實訓(xùn)的多樣性和趣味，豐富了我們的想像空間。對于現(xiàn)在部分實訓(xùn)課程仍然缺乏真實實訓(xùn)載體和實訓(xùn)設(shè)施的前提下，仿真實訓(xùn)就變成了唯一的實現(xiàn)方式。

(4)飛機(jī)維修是航空工業(yè)的下游產(chǎn)業(yè)，只有實現(xiàn)飛機(jī)維修人才培養(yǎng)教學(xué)方式的軟件數(shù)字化才能融入到飛機(jī)的整個產(chǎn)業(yè)鏈中，最終實現(xiàn)我們的航空強(qiáng)國夢。

［1］劉斌，蔡海鵬.數(shù)字化航空維修體系構(gòu)想［J］.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報，2012，(1).

［2］郝國森，陳領(lǐng)會，李瑞彩，等.3D模擬實訓(xùn)系統(tǒng)在物流實訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.中國市場，2007，(45).

［3］曹俊生.基于CATIA/CAA的飛機(jī)結(jié)構(gòu)虛擬裝配信息模型［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2005.

［4］巴塔西，法洋洋，于哲峰，等.基于CATIA的飛機(jī)結(jié)構(gòu)試驗加載杠桿系統(tǒng)參數(shù)化建模方法［J］.實驗室研究與探索，2012，(2).

［5］張平.基于CATIA的裝配工裝數(shù)字化設(shè)計制造技術(shù)［J］.航空標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2003，(6).