飛機附件三維數(shù)字資源庫建設(shè)的實踐探索

王志剛

(吉林化工學(xué)院 航空工程學(xué)院，吉林 吉林 132102)

飛機是代表一個國家科學(xué)水平和技術(shù)實力的重要標(biāo)志性產(chǎn)品，隨著我國科技的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，航空業(yè)得到了前所未有的高速發(fā)展.據(jù)國際航空運輸協(xié)會預(yù)測：到2020年，我國僅民航業(yè)人才缺口接近50萬，特別是機務(wù)維修人才近幾年來深受用人單位歡迎.另外，隨著我國低空領(lǐng)域的逐步開放，國家鼓勵各省的地級市都建立支線機場，為航空教育事業(yè)發(fā)展帶來了難得的機遇.

技能的培養(yǎng)和提高離不開實踐，特別是維修復(fù)雜而精密的飛機產(chǎn)品，學(xué)生只有進行反復(fù)的實際操作練習(xí)才能技術(shù)過硬、操作精準(zhǔn).而航空維修專業(yè)教學(xué)中存在的難題導(dǎo)致了不少院校望而卻步.主要難題一是飛機產(chǎn)品價格昂貴，學(xué)校買不起大量的飛機部附件用于實訓(xùn)教學(xué)；二是飛機部附件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，拆裝繁瑣，組織實訓(xùn)困難重重；三是航空維修企業(yè)稀少，安排學(xué)生到航空企業(yè)實習(xí)困難.加之航修企業(yè)出于對飛機產(chǎn)品的質(zhì)量和飛行安全的考慮，不愿意接收學(xué)生實習(xí)，即使勉強接收，也只是讓學(xué)生參觀實習(xí)，基本上不允許學(xué)生在飛機上實操訓(xùn)練.為達到提高學(xué)生動手能力的培養(yǎng)目標(biāo)，通過虛擬裝配進行仿真練習(xí)是一條可行之路.

虛擬裝配[1](Virtual Assembly)技術(shù)近年來受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注，國外對虛擬裝配技術(shù)的研究起步于20世紀90年代中期，發(fā)展勢頭迅猛.國內(nèi)中國科學(xué)院軟件研究所、北京航空航天大學(xué)對虛擬裝配技術(shù)的研發(fā)起步于20世紀90年代末期，發(fā)展的速度較快，取得了很多科研成果，但和國外同類機構(gòu)還有一定的差距[2].虛擬裝配技術(shù)現(xiàn)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機械制造、數(shù)控技術(shù)、機電一體化等通用專業(yè)的教育、教學(xué)和培訓(xùn)中，與各自專業(yè)相配套的資源庫也開發(fā)的較為成熟和完善.但航空維修專業(yè)面對的機型種類繁多，飛機部附件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)資料嚴格保密，資源庫建設(shè)工程量巨大，成本高昂，所以目前國內(nèi)很少有廠家開發(fā)航空維修專業(yè)教學(xué)使用的飛機部附件資源庫[3].吉林化工學(xué)院航空工程學(xué)院根據(jù)學(xué)生的實踐能力的要求，基于學(xué)?，F(xiàn)有的實訓(xùn)條件，對飛機部附件三維數(shù)字資源庫的建設(shè)進行了探索和研究.

1 飛機三維數(shù)字資源庫建設(shè)中關(guān)鍵問題的解決

1.1 三維模型庫的總體規(guī)劃和管理

一架飛機上所包含的部附件多達數(shù)萬個，如果三維數(shù)字模型庫不建立統(tǒng)一的編碼規(guī)則，以后在使用時將極不方便，也不利于后續(xù)開發(fā)三維素質(zhì)模型管理數(shù)據(jù)庫.因此在進行三維模型庫創(chuàng)建之前首先要對模型庫中所涉及到的零件進行統(tǒng)一的編碼.經(jīng)過對比和研究發(fā)現(xiàn)，按飛機組成系統(tǒng)進行劃分和管理比較清晰(見圖1).

圖1 數(shù)字資源庫編碼

按照這種分類編號方式簡潔明了，方便后續(xù)人員辨識和使用.例如液壓助力泵傳動軸的編號為：YY-ZB-34-CDZ-001.

1.2 三維數(shù)字模型庫的創(chuàng)建

1.2.1 深入研究飛機部附件功用

飛機附件的形狀有一個普遍的特點，就是小而復(fù)雜，這也是航空產(chǎn)品的特色.有很多具體的結(jié)構(gòu)細節(jié)僅憑附件表面觀察和教材上圖紙的研究很難準(zhǔn)確的確定，必須要認真的研究該附件的功能，在深入了解其功能需求的基礎(chǔ)上，再結(jié)合圖紙、實物等資源進行結(jié)構(gòu)分析，進而在腦海中形成清晰的立體結(jié)構(gòu)圖.

1.2.2 選擇合適的三維建模軟件

對現(xiàn)在比較流行的幾款三維建模軟件(如：Inventor、UG[4]、Pro/E、CATIA等)逐一進行測試、對比，最終選擇了Solid Works[5]作為此項目三維建模軟件.

SolidWorks為達索系統(tǒng)(Dassault Systemes S.A)下的子公司，專門負責(zé)研發(fā)與銷售機械設(shè)計軟件的視窗產(chǎn)品.著名的CATIA就出自該公司之手，目前達索的CAD[6]產(chǎn)品市場占有率居世界前列.Solidworks軟件功能強大，組件繁多.它具有功能強大、易學(xué)易用和技術(shù)創(chuàng)新三大特點，這使得SolidWorks成為領(lǐng)先的、主流的三維CAD解決方案.對于熟悉微軟的Windows系統(tǒng)的用戶，基本上就可以用SolidWorks來搞設(shè)計了.這些特點對于那些飛機維修專業(yè)技能比較強，但三維建模軟件操作能力比較弱的教師來講是最適合不過的了.

1.2.3 充分開發(fā)軟件功能，簡化建模強度

飛機部附件中非標(biāo)準(zhǔn)件較多，外形受飛機總體結(jié)構(gòu)和空間限制，基本上都不是特別規(guī)則.如果按照常規(guī)測繪的方法進行三維模型草圖的繪制，有很多時候感覺無從下手.經(jīng)過反復(fù)的研究，發(fā)現(xiàn)將資料中現(xiàn)有的圖形掃描成圖片，通過SolidWorks軟件導(dǎo)入成底圖，調(diào)整成合適的比例，然后依據(jù)底圖上的圖形進行繪制，這樣既可以迅速準(zhǔn)確的繪制出部件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時又可以保證各零件之間準(zhǔn)確的裝配關(guān)系(見圖2).

圖2 草圖圖片建模

1.2.4 復(fù)雜部件的裝配

飛機部附件之間配合精度要求較高，配合關(guān)系特別復(fù)雜，裝配工作極端繁重.SolidWorks本身自帶的裝配功能非常強大，可以根據(jù)不同的配合需求，方便快捷的選擇零件，既可以精確地實現(xiàn)同軸、共線等普通的配合，還可以實現(xiàn)螺旋、凸輪等復(fù)雜的配合關(guān)系.所以飛機部附件的裝配也利用SolidWorks最終完成[7].由于某些飛機部件所包含的零件數(shù)目較多，考慮到模擬拆裝的需求，復(fù)雜組件可以先按工藝要求裝配成小的裝配體，然后再將這些小裝配體組合成部件裝配體，最終形成總體的三維數(shù)字模型(見圖3).

圖3 三維數(shù)字模型

2 結(jié) 論

利用先進三維建模技術(shù)，自主開發(fā)和建設(shè)飛機附件三維數(shù)字資源庫，不僅可以解決航空維修類專業(yè)教學(xué)資源短缺，購買價格昂貴等問題，還可以使教師在開發(fā)和建設(shè)過程中加深對飛機部件構(gòu)造的研究和理解，提高教師的業(yè)務(wù)能力，也便于教師在教學(xué)過程中知識的傳授.飛機附件數(shù)字三維資源庫廣泛應(yīng)用到飛機構(gòu)造、飛機發(fā)動機維修、飛機附件維修等多門課程教學(xué)過程中，直觀立體的結(jié)構(gòu)，動畫式的爆炸效果展示等特點收到了良好的教學(xué)效果.

在數(shù)字資源庫建設(shè)過程中發(fā)現(xiàn)，目前主流的三維建模軟件功能日趨完善，但均存在一個共性的問題，即建立的模型比較大，對設(shè)備配置要求較高.飛機部附件因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，零配件數(shù)量眾多，故虛擬建模后產(chǎn)生文件更大，日常配置的計算機運行起來相當(dāng)吃力.所以如何能在保證零件精度的前提下，最大限度的輕量化[8]資源庫模型以適應(yīng)大多數(shù)硬件水平，尤其是能保障在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下使用是后續(xù)亟待解決的關(guān)鍵問題.

[1] 鄭秩,寧汝新,劉檢華,等.虛擬裝配關(guān)鍵技術(shù)及其發(fā)展[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報,2006,18(3):649-654.

[2] 武殿梁,楊潤黨,馬登哲,等.虛擬裝配系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)[J].上海交通大學(xué)學(xué)報,2004,38(9):1539-1543.

[3] 賀芳,葉洪濤,趙昌輝.虛擬裝配技術(shù)及其在航空發(fā)動機行業(yè)的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2009(9):25-26.

[4] 戶鳳榮,戶坤.基于UG8.0與PowerMILL的曲面建模及數(shù)控加工[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,2016(5):43-45.

[5] 褚金錢,徐方.基于Solidworks與Matlab的碼垛機器人動力學(xué)仿真[J].組合機床與自動化加工技術(shù),2013(9):29-31.

[6] 甘樹坤,呂雪飛,康春雨.基于CAD/CAE軟件的LPG儲罐優(yōu)化分析與設(shè)計[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,2017(1):40-43.

[7] 毛麗鳳,夏漢均.基于SolidWorks機用虎鉗的虛擬裝配與運動仿真[J].電子世界,2017(10):150.

[8] 盧婷婷,左洪福,左銳,等.可交互操作的民機輕量化數(shù)模創(chuàng)建方法[J].飛機設(shè)計,2017,37(2):77-80.