孫士平 胡 政 朱永國

（南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院 江西·南昌 330063）

為適應(yīng)航空制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求，南昌航空大學(xué)飛行器制造工程專業(yè)以培養(yǎng)具有專業(yè)勝任能力和社會適應(yīng)能力的創(chuàng)新應(yīng)用型航空制造人才為目標，依托中央地方共建的航空先進制造實驗中心，在“飛機裝配工藝”課程中開設(shè)了“飛機數(shù)字化測量”“飛機柔性裝配定位”“飛機數(shù)字化對接裝配”“飛機裝配接頭孔精加工模擬”等裝配實驗，實現(xiàn)對學(xué)生飛機裝配實踐能力的培養(yǎng)。[1]但隨著數(shù)字化、信息化技術(shù)在航空制造領(lǐng)域的深入應(yīng)用，數(shù)字化實踐能力培養(yǎng)日益重要，[2]現(xiàn)有實驗條件在實現(xiàn)航空制造專業(yè)化數(shù)字化裝配人才培養(yǎng)方面存在瓶頸：

第一，實驗對象特殊。由于飛機部件數(shù)字化裝配涉及大面積的裝配場地、昂貴的數(shù)字化設(shè)備、大尺寸弱剛度復(fù)雜構(gòu)型結(jié)構(gòu)件和多人協(xié)作裝配等因素，學(xué)生難以用真實的飛機部件做實驗對象進行反復(fù)裝配實踐。[3]

第二，實驗資源稀缺。正確規(guī)劃飛機部件裝配工藝并進行裝配質(zhì)量檢測是實施飛機裝配的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，而現(xiàn)實中學(xué)生操作設(shè)備進行飛機部件裝配、調(diào)整優(yōu)化裝配工藝過程、完成裝配質(zhì)量檢測的資源設(shè)備稀少，且裝配實驗過程離散，缺乏系統(tǒng)化和完整性；同時，受專業(yè)廣度、研究水平和技術(shù)條件的限制，飛機裝配實驗資源稀缺且共享程度低。[4]

第三，實驗環(huán)境匱乏。學(xué)生專業(yè)化數(shù)字化裝配能力的獲得需要在真實或準真實的環(huán)境中進行大量實踐，而航空企業(yè)飛機裝配車間的生產(chǎn)管理機制與學(xué)校飛機裝配實驗的資源條件，在數(shù)量和質(zhì)量上無法滿足學(xué)生批量實驗訓(xùn)練需求。[5]

為解決上述瓶頸問題，實現(xiàn)為國防航空和江西經(jīng)濟培養(yǎng)急需的航空數(shù)字化裝配專業(yè)人才的目標，非常有必要整合飛機裝配的理論教學(xué)與實驗內(nèi)容，堅持“學(xué)生中心、問題導(dǎo)向、實踐探索”的實驗教學(xué)理念，按照“虛實結(jié)合、以虛補實”原則，結(jié)合3D建模、動畫、人機交互等信息數(shù)字技術(shù)構(gòu)建飛機部件數(shù)字化裝配虛擬仿真實驗教學(xué)平臺，并基于該平臺開展實驗教學(xué)，促進學(xué)生有效掌握飛機裝配原理與工藝，培養(yǎng)學(xué)生獲取數(shù)字化裝配知識的學(xué)習(xí)能力和開展飛機數(shù)字化裝配的實踐能力。

1 虛擬仿真實驗平臺的構(gòu)建與實施

1.1 實驗建設(shè)內(nèi)容

1.1.1 機翼壁板自動鉆鉚實驗

機翼壁板自動鉆鉚實驗，首先通過確定蒙皮材料和厚度，根據(jù)功能要求選擇桁條截面及布局形式；其次，依次設(shè)定鉚接孔的排距、孔徑，并選擇制孔刀具直徑，鉚釘型號，確定壓鉚力；最后規(guī)劃機器人鉆鉚路徑軌跡，完成蒙皮與桁條的鉆孔和鉚接。不同的工藝參數(shù)設(shè)計得到不同的裝配鉚接質(zhì)量，不合適的裝配工藝導(dǎo)致不合格的鉚接質(zhì)量，實驗將鉚接質(zhì)量分為高可行、可行和不可行三種類別，分別對應(yīng)三種裝配工藝方案。學(xué)生通過計算工藝參數(shù)、分析鉚接質(zhì)量，熟悉工藝參數(shù)對裝配質(zhì)量的影響規(guī)律，進一步改進工藝以獲得高可行的鉚接質(zhì)量，實現(xiàn)裝配工藝知識的鞏固、工藝設(shè)計與分析能力的提高。

1.1.2 機翼機身對接裝配實驗

機翼機身對接裝配實驗，首先考慮采用AGV小車將機翼部件、機身部件運送到裝配場地，并將機翼、機身部件吊放在安裝平臺的調(diào)姿機構(gòu)上，操作激光跟蹤儀對機身部件、機翼部件進行測量，依據(jù)測量值解算出機翼、機身的當前位姿，并進行姿態(tài)調(diào)整；其次，根據(jù)對接裝配工藝路徑規(guī)劃，移動機翼部件接近機身部件，運用激光跟蹤儀檢測對合部位間隙的大小、均勻性以及同軸度參數(shù)，并根據(jù)測量結(jié)果進行動態(tài)調(diào)整裝配路徑，完成機翼機身的對接；最后，對裝配對合質(zhì)量進行檢測與評價，完成對接機構(gòu)的連接固定。

1.2 實驗教學(xué)目的

實驗教學(xué)利用數(shù)字化裝配的虛擬場景，引導(dǎo)學(xué)生熟悉飛機部件裝配過程、正確制定裝配工藝，在知識和能力方面達成以下目標：（1）理解數(shù)字化裝配含義、原理與系統(tǒng)組成。（2）掌握飛機部件數(shù)字化裝配的工藝方法。（3）能根據(jù)裝配對象選擇合適的裝配工藝參數(shù)。（4）掌握飛機數(shù)字化裝配過程中的數(shù)據(jù)傳遞及裝配質(zhì)量檢驗方法。（5）能夠在教師指導(dǎo)下對裝配質(zhì)量異常現(xiàn)象進行分析，具有改進優(yōu)化裝配工藝方案的能力。

借助所構(gòu)建虛擬仿真實驗平臺，通過數(shù)字化裝配實驗教學(xué)，達成以下實驗教學(xué)目的：

激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。在虛擬仿真場景中，學(xué)生能直接察看裝配場景的設(shè)備與零部件，通過交互操作，了解零部件的空間位置關(guān)系、鉆鉚裝配設(shè)備的加工過程、機翼機身對接的空間位置變化。這種直觀、實時和互動的特點不僅能激發(fā)學(xué)生實施數(shù)字化裝配的興趣，也有助于促進學(xué)生深入學(xué)習(xí)飛機裝配工藝。

提升學(xué)生專業(yè)化能力。在虛擬仿真場景中，學(xué)生可以對機翼壁板或機翼機身對接的不同裝配工藝進行反復(fù)操作，既能深化對已有理論的理解，又能獲得飛機裝配工藝規(guī)劃的能力；學(xué)生可自由開展機翼壁板自動鉆鉚、機翼機身對接裝配或兩者結(jié)合的綜合實驗，這既能激發(fā)學(xué)生養(yǎng)成主動學(xué)習(xí)和反思改進的習(xí)慣，又能引導(dǎo)學(xué)生深化理論對實踐的指導(dǎo)。借助虛擬實驗訓(xùn)練，學(xué)生的專業(yè)化能力不斷得到提升。

提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。平臺為學(xué)生提供了泛在化的網(wǎng)絡(luò)虛擬實驗室和全天在線的“空中課堂”，學(xué)生可不受時空限制、隨時隨地進行實驗，簡化了實驗準備、縮短了實驗周期；平臺考核評價功能讓學(xué)生能及時得到實驗結(jié)果反饋，促進快速發(fā)現(xiàn)并解決問題，從而提高學(xué)生學(xué)習(xí)效率。

1.3 實驗教學(xué)方法

1.3.1 模型法

平臺采用構(gòu)建模型法來模擬飛機部件數(shù)字化裝配場景，訓(xùn)練并評價學(xué)生在虛擬場景下進行的工藝設(shè)計與操作的可行性與規(guī)范性，以便學(xué)生在面對真實飛機部件裝配時能夠正確制定裝配工藝和操控裝配設(shè)備，培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)化裝配能力。

平臺中的飛機機翼壁板、機翼機身裝配模型來自飛機裝配流程中的典型裝配階段，搭建的虛擬場景是以飛機部件裝配車間、機翼機身對接裝配車間為藍本進行的全景建模；工裝、測量設(shè)備和裝配零部件也是以真實對象為參照建模。在第一視角下，學(xué)生不僅能夠自由觀察模型，而且能自主完成裝配過程，進行交互式學(xué)習(xí)，不斷提高工藝規(guī)劃能力，夯實裝配工藝理論。

1.3.2 案例法

平臺為學(xué)生提供了規(guī)劃裝配工藝、實施裝配并查驗結(jié)果的實踐檢驗理論機會。學(xué)生不僅可根據(jù)工裝和零件組合形式進行裝配工藝設(shè)計，還可以將裝配工藝付諸實操，進行裝配操控和裝配質(zhì)量檢驗，并接受實驗考評，系統(tǒng)允許學(xué)生“試錯”；系統(tǒng)記錄實操過程，統(tǒng)計裝配質(zhì)量，并結(jié)合裝配質(zhì)量分析報告評價學(xué)生對裝配工藝知識的理解與掌握程度；通過案例式實驗，學(xué)生不僅能熟悉裝配工藝過程，熟記工藝設(shè)計規(guī)范，還能分析異常的裝配質(zhì)量并進行工藝改進。

1.4 實驗實施過程

沉浸式認知。學(xué)生進入虛擬數(shù)字化裝配車間，直觀形象、立體生動地體驗、感知與領(lǐng)略飛機數(shù)字化裝配物理環(huán)境的空間、布局、設(shè)備與部件；了解物理環(huán)境設(shè)備的配備規(guī)范、操作模式。學(xué)生通過虛擬場景巡游，理解數(shù)字化裝配系統(tǒng)的組成與設(shè)備配置要求，掌握部件裝配工藝與工裝的匹配性準則。

交互式學(xué)習(xí)。進入實驗項目，學(xué)生可根據(jù)實驗內(nèi)容查詢?yōu)g覽裝配詞典模塊，學(xué)習(xí)實驗設(shè)備、工裝相關(guān)知識和零部件工藝規(guī)范；可針對實驗內(nèi)容要求、裝配工藝規(guī)劃、工藝參數(shù)計算等與線上教師進行互動；通過人機交互方式，實現(xiàn)邊學(xué)習(xí)、邊提高，不清楚不明白之處及時得到澄清。

體驗式操作。進入實驗項目，學(xué)生選擇單項或綜合性實驗項目進行裝配實驗。兩類實驗均采用“自主設(shè)計”模式，學(xué)生根據(jù)所選擇裝配對象進行各類工藝參數(shù)設(shè)置，完成裝配實驗，系統(tǒng)自動記錄實驗過程，并根據(jù)工藝參數(shù)設(shè)置生成裝配質(zhì)量檢測報告，學(xué)生可及時掌握所設(shè)計工藝的可行性。通過這種自主的體驗式裝配操作，訓(xùn)練學(xué)生裝配工藝設(shè)計能力。

探索式改進。實驗操作結(jié)束后，通過查看裝配質(zhì)量檢測報告，學(xué)生可以分析裝配質(zhì)量數(shù)據(jù)，總結(jié)工藝參數(shù)的選擇，提出工藝改進方案，完成實驗結(jié)果分析填寫，系統(tǒng)給出包括全部操作步驟和參數(shù)選擇的完整實驗報告。學(xué)生可根據(jù)實驗報告評價結(jié)果，嘗試改進工藝方案反復(fù)進行實驗，探索創(chuàng)新裝配工藝設(shè)計，不斷深化理論的實踐應(yīng)用能力，激發(fā)創(chuàng)新能力。此外，在線下，學(xué)生可在實驗中心的部件裝配實驗室采用模擬件進行機翼機身對接裝配操作，教師對學(xué)生的實際操作進行點評，實現(xiàn)師生互動。

2 實驗實施效果

2.1 提高人才培養(yǎng)質(zhì)量

平臺的開發(fā)突破了時間和空間限制，學(xué)生可以隨時隨地進行實驗。同時，平臺設(shè)有工藝知識詞典供學(xué)生預(yù)習(xí)和實時查詢。平臺中對裝配對象的反復(fù)試驗，強化了學(xué)生的裝配工藝設(shè)計能力。平臺的應(yīng)用提升了學(xué)生數(shù)字化設(shè)備使用和裝配工藝規(guī)劃能力的專業(yè)化。自2017年基于平臺開展虛擬仿真實驗教學(xué)以來，已有730余名學(xué)生完成了該實驗項目。

2.2 提升教學(xué)效率

平臺實現(xiàn)了高達百人的同時訪問，既破除了航空廠面臨的無法安排多批次、大批量學(xué)生進行實訓(xùn)的困境；也解決了學(xué)生不能用真飛機部件進行反復(fù)裝配操作及實驗耗時長的問題。借助平臺，學(xué)生與裝配虛擬場景、數(shù)字化設(shè)備和零部件實現(xiàn)互動，不僅能將裝配理論應(yīng)用于裝配實驗，而且能激發(fā)學(xué)生對飛機裝配的興趣，有效提升了教學(xué)效率。

2.3 降低教學(xué)成本

平臺實現(xiàn)了學(xué)生在校園內(nèi)參觀和體驗飛機部件數(shù)字化裝配場景、裝配過程，減少了往返航空企業(yè)進行實習(xí)實訓(xùn)成本，縮減了線下實驗的預(yù)約和準備時間，節(jié)省了實驗教學(xué)的器材購置與運營費用。

2.4 共享教學(xué)資源

平臺通過互聯(lián)網(wǎng)接入江西高校虛擬仿真實驗教學(xué)共享服務(wù)平臺，作為共享資源向社會開放。目前，該平臺不僅支持本專業(yè)學(xué)生實驗，也面向我校其他專業(yè)學(xué)生開展大范圍的開放性實驗。

3 結(jié)束語

根據(jù)飛機裝配工藝專業(yè)實驗教學(xué)特點，利用現(xiàn)代信息技術(shù)搭建了飛機部件數(shù)字化裝配虛擬仿真實驗教學(xué)平臺。設(shè)計了飛機壁板自動鉚接、飛機機翼機身對接實驗?zāi)K構(gòu)成的綜合實驗。通過改革實驗教學(xué)方法從設(shè)備認知、基本操作和綜合分析等方面對學(xué)生進行多方位考核，讓學(xué)生更好地掌握飛機數(shù)字化裝配工藝知識，增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提升了學(xué)生解決復(fù)雜裝配工藝規(guī)劃問題的能力和工程創(chuàng)新能力。