航空維修線上實訓(xùn)課程的設(shè)計與實踐＊

薛愛軍

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

目前，國內(nèi)許多院校已經(jīng)開展了航空虛擬仿真的教學(xué)實踐和研究。張青等[4]針對航空發(fā)動機(jī)機(jī)型和發(fā)動機(jī)裝配與修理課程實驗教學(xué)，探討了仿真實驗實踐教學(xué)模式，構(gòu)建了基于Cortona3D航空發(fā)動機(jī)虛擬裝配培訓(xùn)實驗平臺；張艷星等[5]采用C#搭建了飛機(jī)機(jī)電設(shè)備維修實訓(xùn)平臺，采用MATLAB、LabView和SQL Server數(shù)據(jù)庫建立技術(shù)資料庫，采用多媒體動畫展示系統(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踐教學(xué)平臺；陳炯[7]、許貝[8]也提出了基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)改革思路。在航空機(jī)務(wù)維修工作中，許多研究人員也對虛擬仿真進(jìn)行了探索。何超[9]以Cortona3D為基礎(chǔ)開發(fā)了一套上位鎖虛擬維護(hù)系統(tǒng)，通過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，實現(xiàn)對發(fā)動機(jī)的虛擬維護(hù)和考核；譚凌等[11]參考AMM手冊等與維修相關(guān)的材料，采用UG建立發(fā)動機(jī)模型并導(dǎo)入到Cortona軟件中，對此模型進(jìn)行相應(yīng)的拆裝仿真以及二次開發(fā)等操作。

經(jīng)過認(rèn)真的調(diào)研分析，發(fā)現(xiàn)目前針對高等學(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訓(xùn)的教學(xué)效果，設(shè)計了飛機(jī)維修基本技能線上實訓(xùn)課程，規(guī)劃了虛擬維修的流程，按照飛機(jī)維修手冊中的步驟逐步引導(dǎo)學(xué)生，建立電子工卡，在三維虛擬環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計維修操作，完成相關(guān)飛機(jī)零部件的虛擬維修過程。經(jīng)過在學(xué)生實訓(xùn)中的實際應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)將虛擬維修技術(shù)科學(xué)合理地融入實訓(xùn)中，對于推動整個航空維修類實訓(xùn)教學(xué)改革具有重要的實踐意義。

1 飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)及虛擬開發(fā)實訓(xùn)平臺

目前，一般飛機(jī)維修基本技能實訓(xùn)教學(xué)包括2個主要部分：①相關(guān)維修手冊的使用和工卡的編制，使用的手冊主要包括飛機(jī)維護(hù)手冊（AMM）、圖解零件手冊（IPC）；②基本實訓(xùn)項目，主要包括零部件拆裝、緊固件保險、管路施工等。實訓(xùn)中，學(xué)生按照實訓(xùn)項目內(nèi)容，首先查詢手冊，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)手冊的內(nèi)容，編制實訓(xùn)工卡；最后進(jìn)行飛機(jī)零部件的拆裝、緊固件保險及管路施工練習(xí)等項目的實操。

線上實訓(xùn)課程的設(shè)計應(yīng)既能保證學(xué)生掌握飛機(jī)手冊的使用，又能夠掌握實訓(xùn)項目的操作，因此，飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)及虛擬開發(fā)實訓(xùn)平臺的設(shè)計和選用至關(guān)重要。

1.1 飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)

飛機(jī)維修基本技能培訓(xùn)主要使用的手冊是飛機(jī)維護(hù)手冊（AMM）和飛機(jī)圖解零件手冊（IPC）。飛機(jī)維護(hù)手冊（AMM）是飛機(jī)維修、維護(hù)工作的重要參考依據(jù)[12]。實訓(xùn)中的所有項目的操作均需按照手冊中的規(guī)定步驟進(jìn)行。圖解零件手冊（IPC）給出了零部件裝配圖及詳細(xì)零件清單，標(biāo)注出了各個零部件的件號、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]。實訓(xùn)中的維修零部件的三維建模的重要參考就是IPC手冊。

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，逐項進(jìn)行施工和簽署[13]。因此，對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)維修手冊大部分為電子版的PDF文件，由于手冊的編制遵循ATA100規(guī)范，所以每種手冊均包含幾十個文件，學(xué)生查閱手冊時工作量較大；另外，大部分院校學(xué)生在工卡的編制過程仍采用單個文件的手工輸入生成，不利于統(tǒng)一管理。因此，編寫了B/S結(jié)構(gòu)的飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)供學(xué)生使用，以便加快學(xué)生查閱手冊獲取信息的速度，快速進(jìn)行工卡的編制、查詢和管理。

開展不動產(chǎn)登記“一窗受理”平臺整合對接工作的思考（黃炎等） .............................................................11-38

1.2 Cortona3D虛擬開發(fā)實訓(xùn)平臺

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，用三維動畫的形式展示裝配和拆裝過程，使用此軟件，即可以動畫的形式實施實訓(xùn)中維修項目；Rapid Catalog可以快速創(chuàng)建數(shù)字化的交互零部件管理庫，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)計及開發(fā)

2.1 飛機(jī)維修基本技能線上實訓(xùn)項目的選定

飛機(jī)維修基本技能實訓(xùn)與生產(chǎn)維修實際存在密切的聯(lián)系，其中零部件的拆裝是實際維修過程中最經(jīng)常發(fā)生的，因此實訓(xùn)選擇飛機(jī)典型零部件結(jié)構(gòu)的拆裝作為主要項目；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，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)主動性，使學(xué)生在解決實際問題的過程中掌握了維修、維護(hù)的基本要求和重點(diǎn)內(nèi)容，綜合運(yùn)用知識的能力得到了極大的提高。

2.2 飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)的使用

2.2.1 查閱AMM手冊確定維修維護(hù)步驟

根據(jù)維修維護(hù)項目，結(jié)合ATA100規(guī)范，確定此項目所在的章節(jié)目，在飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)AMM手冊中，根據(jù)主題內(nèi)容與頁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)位于頁碼段401～499，嚴(yán)格記錄手冊中的具體步驟，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)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)IPC手冊中，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 電子工卡的開具

根據(jù)實訓(xùn)的要求，進(jìn)入飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)的工卡頁面，填寫相關(guān)工卡信息，主要是將在AMM手冊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)項目后，參照IPC手冊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

利用虛擬現(xiàn)實軟件Cortona3D中的Rapid Manual和Rapid Catalog模塊進(jìn)行飛機(jī)維修維護(hù)實訓(xùn)項目的三維模擬。Rapid Manual模塊對應(yīng)飛機(jī)維修手冊AMM，Rapid Catalog模塊對應(yīng)飛機(jī)圖解零件手冊IPC；通過Rapid Manual模塊，根據(jù)維修項目，參照AMM手冊，生成三維維修的動畫演示，同時配以文字步驟說明，以生動形象的形式演示零部件結(jié)構(gòu)的維修過程，加深學(xué)生對維修理論和實踐的理解；通過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，生成電子IPC手冊，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制作完成后，收錄到交互式電子技術(shù)手冊中，可以發(fā)布成html格式和PDF兩種格式的文件；用戶既可以通過網(wǎng)頁的形式瀏覽html格式的動畫程序，又可在PDF閱讀器上以3D交互式的方式閱讀文字和動畫結(jié)合的PDF文件。飛機(jī)維修基本技能線上實訓(xùn)的設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 線上實訓(xùn)課程的設(shè)計流程

3 實訓(xùn)課程的應(yīng)用實例及效果

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

某小組的訓(xùn)練項目為某波音737-800飛機(jī)航空發(fā)動機(jī)吊艙支柱上部連接件的拆裝及其電子圖解零件手冊的設(shè)計，下面以此為例來進(jìn)行介紹。根據(jù)ATA100規(guī)范，此項目所涉及到的手冊的章節(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)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)，查找IPC手冊的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)了解零件的相對安裝位置、零件的件號及零件的詳細(xì)說明。以此為參考，并根據(jù)實際的零件進(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)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)，查找AMM手冊的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作的描述添加到后續(xù)的虛擬維修制作過程中。

3.3 制作電子工卡

進(jìn)入飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)，進(jìn)入工卡管理界面，如圖2所示，填寫相關(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)動機(jī)支柱上部連接件的真實尺寸，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

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作；然后，在3D視窗中對3D仿真進(jìn)行檢測，并將動作對應(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進(jìn)行發(fā)布，生成html文件，可以通過瀏覽器在遠(yuǎn)程進(jìn)行瀏覽。同時，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畫的文字信息。圖5為在瀏覽器上的三維維修手冊的示意圖，瀏覽器界面的左邊為維修操作的步驟，右邊為步驟的動畫演示。

圖5 瀏覽器上的三維維修拆裝動畫圖

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

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DPL（Detail Part List細(xì)節(jié)零件表單）表單，這是一個所見即所得的編輯器；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進(jìn)行發(fā)布，生成html文件，可以通過瀏覽器在遠(yuǎn)程進(jìn)行瀏覽，如圖6所示。同時，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畫的文字信息。

圖6 瀏覽器中的電子零件圖解手冊

制作電子工卡，完成三維電子維修手冊和電子零件圖解手冊的制作，學(xué)生即完成了飛機(jī)維修基本技能的線上訓(xùn)練。在此過程中，學(xué)生通過在飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)軟件中查閱飛機(jī)維護(hù)手冊（AMM）和圖解零件手冊（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Pro/E軟件對維護(hù)部件的三維建模，更加加深了對所維護(hù)部件的認(rèn)識，最后通過從Cortona3D軟件中對維護(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)項目的內(nèi)容，達(dá)到了線下實訓(xùn)的目的。

4 結(jié)束語

通過自主開發(fā)的B/S結(jié)構(gòu)的飛機(jī)維修手冊和工卡管理系統(tǒng)軟件、Pro/E三維建模軟件以及Cortona3D虛擬仿真軟件，實現(xiàn)了飛機(jī)維修基本技能的線上實訓(xùn)；學(xué)生通過在軟件系統(tǒng)中查閱AMM和IPC手冊生成電子工卡，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。此線上實訓(xùn)作為線下實訓(xùn)項目強(qiáng)有力的補(bǔ)充資源，完全可以滿足部分線下實訓(xùn)項目的需求。