薛愛(ài)軍

（山東交通學(xué)院航空學(xué)院，山東 濟(jì)南 250300）

目前，國(guó)內(nèi)許多院校已經(jīng)開(kāi)展了航空虛擬仿真的教學(xué)實(shí)踐和研究。張青等[4]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型和發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與修理課程實(shí)驗(yàn)教學(xué)，探討了仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)模式，構(gòu)建了基于Cortona3D航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配培訓(xùn)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)；張艷星等[5]采用C#搭建了飛機(jī)機(jī)電設(shè)備維修實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，采用MATLAB、LabView和SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)建立技術(shù)資料庫(kù)，采用多媒體動(dòng)畫(huà)展示系統(tǒng)工作原理；陳聰?shù)萚6]采用Matlab/Simulink軟件建立B737和A320飛機(jī)常用系統(tǒng)模型，Authorware或Flash等搭建用戶界面建立實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)；陳炯[7]、許貝[8]也提出了基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)改革思路。在航空機(jī)務(wù)維修工作中，許多研究人員也對(duì)虛擬仿真進(jìn)行了探索。何超[9]以Cortona3D為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)了一套上位鎖虛擬維護(hù)系統(tǒng)，通過(guò)MAYA和Rapid Learning模塊創(chuàng)建交互式Web程序；王杰坤等[10]使用CATIA軟件構(gòu)建CFM56-7B發(fā)動(dòng)機(jī)高壓壓氣機(jī)的三維虛擬模型，應(yīng)用Cortona3D中的Rapid Learning以及VRML、Java、HTML、JavaScript等多種技術(shù)，建立高壓壓氣機(jī)三維模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的虛擬維護(hù)和考核；譚凌等[11]參考AMM手冊(cè)等與維修相關(guān)的材料，采用UG建立發(fā)動(dòng)機(jī)模型并導(dǎo)入到Cortona軟件中，對(duì)此模型進(jìn)行相應(yīng)的拆裝仿真以及二次開(kāi)發(fā)等操作。

經(jīng)過(guò)認(rèn)真的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)目前針對(duì)高等學(xué)校航空類專業(yè)的航空維修線上教學(xué)的研究還很少。為了提高航空維修實(shí)訓(xùn)的教學(xué)效果，設(shè)計(jì)了飛機(jī)維修基本技能線上實(shí)訓(xùn)課程，規(guī)劃了虛擬維修的流程，按照飛機(jī)維修手冊(cè)中的步驟逐步引導(dǎo)學(xué)生，建立電子工卡，在三維虛擬環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)維修操作，完成相關(guān)飛機(jī)零部件的虛擬維修過(guò)程。經(jīng)過(guò)在學(xué)生實(shí)訓(xùn)中的實(shí)際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)將虛擬維修技術(shù)科學(xué)合理地融入實(shí)訓(xùn)中，對(duì)于推動(dòng)整個(gè)航空維修類實(shí)訓(xùn)教學(xué)改革具有重要的實(shí)踐意義。

1 飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)及虛擬開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

目前，一般飛機(jī)維修基本技能實(shí)訓(xùn)教學(xué)包括2個(gè)主要部分：①相關(guān)維修手冊(cè)的使用和工卡的編制，使用的手冊(cè)主要包括飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)（AMM）、圖解零件手冊(cè)（IPC）；②基本實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，主要包括零部件拆裝、緊固件保險(xiǎn)、管路施工等。實(shí)訓(xùn)中，學(xué)生按照實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目?jī)?nèi)容，首先查詢手冊(cè)，熟悉飛機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和零部件詳細(xì)信息，學(xué)習(xí)飛機(jī)相關(guān)維護(hù)的基本步驟；然后根據(jù)手冊(cè)的內(nèi)容，編制實(shí)訓(xùn)工卡；最后進(jìn)行飛機(jī)零部件的拆裝、緊固件保險(xiǎn)及管路施工練習(xí)等項(xiàng)目的實(shí)操。

線上實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)應(yīng)既能保證學(xué)生掌握飛機(jī)手冊(cè)的使用，又能夠掌握實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的操作，因此，飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)及虛擬開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和選用至關(guān)重要。

1.1 飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)

飛機(jī)維修基本技能培訓(xùn)主要使用的手冊(cè)是飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)（AMM）和飛機(jī)圖解零件手冊(cè)（IPC）。飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)（AMM）是飛機(jī)維修、維護(hù)工作的重要參考依據(jù)[12]。實(shí)訓(xùn)中的所有項(xiàng)目的操作均需按照手冊(cè)中的規(guī)定步驟進(jìn)行。圖解零件手冊(cè)（IPC）給出了零部件裝配圖及詳細(xì)零件清單，標(biāo)注出了各個(gè)零部件的件號(hào)、備件信息、生產(chǎn)廠商、技術(shù)規(guī)范、使用數(shù)量、位置、有效性等[12]。實(shí)訓(xùn)中的維修零部件的三維建模的重要參考就是IPC手冊(cè)。

工卡是指導(dǎo)飛機(jī)維修、維護(hù)工作的重要的工藝技術(shù)文件，它以表格的形式進(jìn)行表達(dá)，維修人員在工作時(shí)必須隨身攜帶，并嚴(yán)格按照工卡中規(guī)定的順序、內(nèi)容、要求，逐項(xiàng)進(jìn)行施工和簽署[13]。因此，對(duì)工卡的制作和使用是飛機(jī)維修基本技能培訓(xùn)的重要內(nèi)容。

當(dāng)前航空類院校的飛機(jī)維修手冊(cè)大部分為電子版的PDF文件，由于手冊(cè)的編制遵循ATA100規(guī)范，所以每種手冊(cè)均包含幾十個(gè)文件，學(xué)生查閱手冊(cè)時(shí)工作量較大；另外，大部分院校學(xué)生在工卡的編制過(guò)程仍采用單個(gè)文件的手工輸入生成，不利于統(tǒng)一管理。因此，編寫(xiě)了B/S結(jié)構(gòu)的飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)供學(xué)生使用，以便加快學(xué)生查閱手冊(cè)獲取信息的速度，快速進(jìn)行工卡的編制、查詢和管理。

開(kāi)展不動(dòng)產(chǎn)登記“一窗受理”平臺(tái)整合對(duì)接工作的思考（黃炎等） .............................................................11-38

1.2 Cortona3D虛擬開(kāi)發(fā)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

Cortona3D系列產(chǎn)品是基于3D模型的交互式技術(shù)文檔創(chuàng)建系統(tǒng)，可以快速創(chuàng)建3D交互式的技術(shù)文檔，并支持航空標(biāo)準(zhǔn)ATA100規(guī)范和最新的S1000D國(guó)際規(guī)范，已經(jīng)被包括波音和空客在內(nèi)的很多大型航空制造業(yè)公司所采用[14]。Rapid Manual和Rapid Catalog是Cortona3D系列產(chǎn)品中的2個(gè)重要軟件。Rapid Manual可以快速創(chuàng)建數(shù)字化交互產(chǎn)品維護(hù)和操作手冊(cè)，用三維動(dòng)畫(huà)的形式展示裝配和拆裝過(guò)程，使用此軟件，即可以動(dòng)畫(huà)的形式實(shí)施實(shí)訓(xùn)中維修項(xiàng)目；Rapid Catalog可以快速創(chuàng)建數(shù)字化的交互零部件管理庫(kù)，用爆炸圖的方式展示各零部件之間的連接關(guān)系，可以在交互環(huán)境中隨意查看、展示任何組件。

2 線上課程的設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)

2.1 飛機(jī)維修基本技能線上實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的選定

飛機(jī)維修基本技能實(shí)訓(xùn)與生產(chǎn)維修實(shí)際存在密切的聯(lián)系，其中零部件的拆裝是實(shí)際維修過(guò)程中最經(jīng)常發(fā)生的，因此實(shí)訓(xùn)選擇飛機(jī)典型零部件結(jié)構(gòu)的拆裝作為主要項(xiàng)目；另外，為增強(qiáng)學(xué)生的積極性和創(chuàng)造性，部分案例由學(xué)生自主根據(jù)企業(yè)案例自行設(shè)計(jì)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，使學(xué)生在解決實(shí)際問(wèn)題的過(guò)程中掌握了維修、維護(hù)的基本要求和重點(diǎn)內(nèi)容，綜合運(yùn)用知識(shí)的能力得到了極大的提高。

2.2 飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)的使用

2.2.1 查閱AMM手冊(cè)確定維修維護(hù)步驟

根據(jù)維修維護(hù)項(xiàng)目，結(jié)合ATA100規(guī)范，確定此項(xiàng)目所在的章節(jié)目，在飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)AMM手冊(cè)中，根據(jù)主題內(nèi)容與頁(yè)碼塊的分類查找所需要的資料，其中零部件的拆除/安裝或解除/恢復(fù)位于頁(yè)碼段401～499，嚴(yán)格記錄手冊(cè)中的具體步驟，此步驟將作為后續(xù)的虛擬仿真環(huán)節(jié)中實(shí)操的執(zhí)行步驟，并將填入電子工卡內(nèi)。

2.2.2 查閱IPC手冊(cè)確定零部件信息

根據(jù)AMM中確定的章節(jié)目，在飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)IPC手冊(cè)中，根據(jù)示意圖查找維修維護(hù)步驟中出現(xiàn)的主要零部件，然后在零件清單中記錄主要零部件的信息，為后續(xù)的電子IPC的制作提供原始資料。

2.2.3 電子工卡的開(kāi)具

根據(jù)實(shí)訓(xùn)的要求，進(jìn)入飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)的工卡頁(yè)面，填寫(xiě)相關(guān)工卡信息，主要是將在AMM手冊(cè)中查詢到的操作步驟等關(guān)鍵信息進(jìn)行輸入。工卡輸入完成后，可以生成PDF格式的電子版工卡，在模擬維修維護(hù)中可以使用工卡簽署功能，進(jìn)行逐項(xiàng)施工和簽署。

2.3 相關(guān)零部件結(jié)構(gòu)的三維建模

學(xué)生在確定了維修、維護(hù)項(xiàng)目后，參照IPC手冊(cè)中的裝配圖和零件圖及其他的資料，確定零部件的結(jié)構(gòu)尺寸，然后，使用三維建模軟件Pro/E進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)的三維建模，為下一步的虛擬仿真提供基礎(chǔ)模型。

2.4 使用Cortona3D軟件進(jìn)行虛擬維修設(shè)計(jì)

利用虛擬現(xiàn)實(shí)軟件Cortona3D中的Rapid Manual和Rapid Catalog模塊進(jìn)行飛機(jī)維修維護(hù)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的三維模擬。Rapid Manual模塊對(duì)應(yīng)飛機(jī)維修手冊(cè)AMM，Rapid Catalog模塊對(duì)應(yīng)飛機(jī)圖解零件手冊(cè)IPC；通過(guò)Rapid Manual模塊，根據(jù)維修項(xiàng)目，參照AMM手冊(cè)，生成三維維修的動(dòng)畫(huà)演示，同時(shí)配以文字步驟說(shuō)明，以生動(dòng)形象的形式演示零部件結(jié)構(gòu)的維修過(guò)程，加深學(xué)生對(duì)維修理論和實(shí)踐的理解；通過(guò)Rapid Catalog模塊，根據(jù)所維修的飛機(jī)結(jié)構(gòu)，參照飛機(jī)IPC手冊(cè)，生成電子IPC手冊(cè)，學(xué)生可以更加直觀地了解飛機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)及詳細(xì)信息[15]。

2.5 虛擬維修結(jié)果的發(fā)布

三維維修程序和三維電子零件圖解手冊(cè)制作完成后，收錄到交互式電子技術(shù)手冊(cè)中，可以發(fā)布成html格式和PDF兩種格式的文件；用戶既可以通過(guò)網(wǎng)頁(yè)的形式瀏覽html格式的動(dòng)畫(huà)程序，又可在PDF閱讀器上以3D交互式的方式閱讀文字和動(dòng)畫(huà)結(jié)合的PDF文件。飛機(jī)維修基本技能線上實(shí)訓(xùn)的設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 線上實(shí)訓(xùn)課程的設(shè)計(jì)流程

3 實(shí)訓(xùn)課程的應(yīng)用實(shí)例及效果

在飛行器制造工程專業(yè)學(xué)生的飛機(jī)維修基本技能實(shí)訓(xùn)中，結(jié)合飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)以及Rapid Manual和Rapid Catalog軟件，將線下的部分維修實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目改為線上進(jìn)行，學(xué)生以小組的形式，分別完成不同的三維維修項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。

某小組的訓(xùn)練項(xiàng)目為某波音737-800飛機(jī)航空發(fā)動(dòng)機(jī)吊艙支柱上部連接件的拆裝及其電子圖解零件手冊(cè)的設(shè)計(jì)，下面以此為例來(lái)進(jìn)行介紹。根據(jù)ATA100規(guī)范，此項(xiàng)目所涉及到的手冊(cè)的章節(jié)目位于54-51-03。

3.1 IPC相關(guān)章節(jié)的查閱參考

進(jìn)入飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)，查找IPC手冊(cè)的54-51-03，可以得到零件圖和零件詳細(xì)信息。從圖中，可以詳細(xì)了解零件的相對(duì)安裝位置、零件的件號(hào)及零件的詳細(xì)說(shuō)明。以此為參考，并根據(jù)實(shí)際的零件進(jìn)行零件的三維建模。

3.2 AMM相關(guān)章節(jié)的查閱參考

進(jìn)入飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)，查找AMM手冊(cè)的54-51-03支柱上部連接件的詳細(xì)拆裝步驟和示意圖。這些拆裝步驟將作為動(dòng)作的描述添加到后續(xù)的虛擬維修制作過(guò)程中。

3.3 制作電子工卡

進(jìn)入飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)，進(jìn)入工卡管理界面，如圖2所示，填寫(xiě)相關(guān)信息和操作步驟，生成如圖3所示的電子工卡。在系統(tǒng)中可對(duì)工卡進(jìn)行添加、刪除、修改、打印、簽署等操作。

圖2 工卡管理界面

圖3 電子工卡

3.4 維修零部件的Pro/E三維建模

根據(jù)維修零部件的IPC信息，并查找相關(guān)飛機(jī)的資料，獲得發(fā)動(dòng)機(jī)支柱上部連接件的真實(shí)尺寸，并參考IPC中的零件裝配圖，在Pro/E軟件中繪制零件的三維模型，如圖4所示。

圖4 上連接件三維模型圖

3.5 Cortona Rapid3D Manual中生成電子維修手冊(cè)

首先，將Pro/E中生成的三維模型導(dǎo)入到Rapid3D Manual中，按照工卡中的操作步驟，在程序編輯器中為零件添加動(dòng)作；然后，在3D視窗中對(duì)3D仿真進(jìn)行檢測(cè)，并將動(dòng)作對(duì)應(yīng)的AMM的拆裝步驟作為程序注釋添加到3D仿真文件中；最后，將生成的三維電子手冊(cè)進(jìn)行發(fā)布，生成html文件，可以通過(guò)瀏覽器在遠(yuǎn)程進(jìn)行瀏覽。同時(shí)，還可以發(fā)布成為3D PDF文件，在PDF閱讀器中可以閱讀配合有三維動(dòng)畫(huà)的文字信息。圖5為在瀏覽器上的三維維修手冊(cè)的示意圖，瀏覽器界面的左邊為維修操作的步驟，右邊為步驟的動(dòng)畫(huà)演示。

圖5 瀏覽器上的三維維修拆裝動(dòng)畫(huà)圖

3.6 Cortona Rapid3D Catalog中生成電子零件圖解手冊(cè)

首先，將Pro/E中生成的三維模型導(dǎo)入到Rapid3D Catalog中，參照IPC中的零件的詳細(xì)信息，填寫(xiě)DPL（Detail Part List細(xì)節(jié)零件表單）表單，這是一個(gè)所見(jiàn)即所得的編輯器；創(chuàng)建完成DPL表后，然后選擇需要爆炸的零件，建立爆炸圖；最后，將生成的電子零件圖解手冊(cè)進(jìn)行發(fā)布，生成html文件，可以通過(guò)瀏覽器在遠(yuǎn)程進(jìn)行瀏覽，如圖6所示。同時(shí)，還可以發(fā)布成為3D PDF文件，在PDF閱讀器中閱讀配合有三維動(dòng)畫(huà)的文字信息。

圖6 瀏覽器中的電子零件圖解手冊(cè)

制作電子工卡，完成三維電子維修手冊(cè)和電子零件圖解手冊(cè)的制作，學(xué)生即完成了飛機(jī)維修基本技能的線上訓(xùn)練。在此過(guò)程中，學(xué)生通過(guò)在飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)軟件中查閱飛機(jī)維護(hù)手冊(cè)（AMM）和圖解零件手冊(cè)（IPC），生成電子工卡，掌握了維護(hù)部件結(jié)構(gòu)的詳細(xì)信息和拆裝的基本步驟，通過(guò)Pro/E軟件對(duì)維護(hù)部件的三維建模，更加加深了對(duì)所維護(hù)部件的認(rèn)識(shí)，最后通過(guò)從Cortona3D軟件中對(duì)維護(hù)部件的虛擬仿真拆裝，完全掌握了此飛機(jī)部件的維護(hù)項(xiàng)目的內(nèi)容，達(dá)到了線下實(shí)訓(xùn)的目的。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的B/S結(jié)構(gòu)的飛機(jī)維修手冊(cè)和工卡管理系統(tǒng)軟件、Pro/E三維建模軟件以及Cortona3D虛擬仿真軟件，實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)維修基本技能的線上實(shí)訓(xùn)；學(xué)生通過(guò)在軟件系統(tǒng)中查閱AMM和IPC手冊(cè)生成電子工卡，掌握了飛機(jī)維護(hù)維修的步驟和相關(guān)零部件的詳細(xì)裝配信息，并使用Pro/E進(jìn)行相關(guān)零部件的三維建模；然后，將其導(dǎo)入Cortona 3D系列的Rapid Manual中，進(jìn)行零部件拆裝維修維護(hù)的虛擬仿真，導(dǎo)出html文件或3D PDF文件進(jìn)行發(fā)布；最后，將模型導(dǎo)入Rapid Catalog中，進(jìn)行零部件的電子IPC的制作，導(dǎo)出html文件和3D PDF文件；最終的html文件都可以發(fā)布到網(wǎng)上，供用戶學(xué)習(xí)、瀏覽使用。此線上實(shí)訓(xùn)作為線下實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目強(qiáng)有力的補(bǔ)充資源，完全可以滿足部分線下實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的需求。