數(shù)字化技術(shù)在起落架維修中的應(yīng)用

顧興龍 陳昊航 陳文濤 毛嘉元 甘輝勇

（中國民用航空飛行學(xué)院，四川 德陽 618307）

0 引言

隨著航空工業(yè)的快速發(fā)展，飛機(jī)的運營維護(hù)顯得更為重要。如何高效經(jīng)濟(jì)地完成維修任務(wù)，是各大航空公司一直追求的目標(biāo)。起落架作為飛機(jī)的重要部件，對其維護(hù)有著全面系統(tǒng)的要求，必須要按照維護(hù)手冊對其進(jìn)行嚴(yán)格地維護(hù)。由于前期的培訓(xùn)工作耗時長，導(dǎo)致機(jī)務(wù)人員的工作強(qiáng)度很大。

數(shù)字孿生（digital twin，DT）是以數(shù)字化方式來創(chuàng)建物理實體的虛擬模型［1］，具有實時同步、忠實映射、高保真度等特性，能促進(jìn)物理世界與信息世界的交互與融合，從而為物理實體增加或拓展新的能力［2-4］。

本研究擬探究數(shù)字化技術(shù)在起落架維修中的應(yīng)用。針對飛機(jī)起落架維修過程中受限于時間和人力、缺乏可持續(xù)性的問題，本研究利用UG NX軟件對起落架進(jìn)行建模，并在Inte3D軟件中對起落架的虛擬裝配工藝過程進(jìn)行仿真。

1 數(shù)字化裝配工藝體系

筆者基于對數(shù)字孿生體系的認(rèn)知，結(jié)合飛機(jī)的研制裝配過程，對其在虛擬空間、物理空間及二者間的交互進(jìn)行分析，建立面向飛機(jī)產(chǎn)品的多尺度仿真模型。針對物理空間的產(chǎn)品裝配過程，要獲得數(shù)字空間實時傳遞的裝配工藝指令，如相關(guān)工藝準(zhǔn)備數(shù)據(jù)的確認(rèn)，要實時反饋實際裝配過程中現(xiàn)場出現(xiàn)的問題。此時，信息交互接口提供了兩個空間實時狀態(tài)的反饋通道，并形成基于數(shù)字孿生的裝配工藝應(yīng)用體系架構(gòu)。

本研究主要運用生產(chǎn)數(shù)字孿生和性能數(shù)字孿生對飛機(jī)起落架的拆裝維護(hù)過程進(jìn)行路徑規(guī)劃，并通過仿真進(jìn)行優(yōu)化和分析，從而得到更好的維修方法。通過對起落架上的部件參數(shù)進(jìn)行仿真，維修人員很容易發(fā)現(xiàn)在使用和維修過程中需要改進(jìn)的地方。

2 飛機(jī)維修過程中的問題

飛機(jī)機(jī)輪組件是飛機(jī)起飛和著陸的關(guān)鍵部件，其要承受著巨大的交變載荷和瞬時的剎車高溫，且其所處的工作環(huán)境十分惡劣。作為飛機(jī)上的重要部件，機(jī)輪的維護(hù)與修理有著很高的要求。

長期以來，傳統(tǒng)的飛機(jī)維修培訓(xùn)是以書本或?qū)嵨镞M(jìn)行講授、演練為主，訓(xùn)練內(nèi)容和手段單一，訓(xùn)練效果不明顯。在實踐過程中，傳統(tǒng)的維修培訓(xùn)存在極大的局限性，主要有以下三點。①無重復(fù)性。②培訓(xùn)環(huán)境受限，維修人員要在同一時間、同一地點接受同樣的培訓(xùn)內(nèi)容。③學(xué)員在培訓(xùn)過程中受設(shè)備、工具、環(huán)境等因素的制約［5］。

2.1 機(jī)務(wù)維修人員的水平不高

民航飛機(jī)是由成千上萬個零件組成的高精密飛行器，維修飛機(jī)是要有非常高的維修技能。在現(xiàn)實中，民航飛機(jī)在機(jī)場停留的時間非常短，一般情況下沒有充足的時間對其進(jìn)行整體排查［6］。此時就體現(xiàn)出高水平維修人員的重要性，如果維修人員的維修水平不高，就只能通過常規(guī)手段對民航飛機(jī)出現(xiàn)的故障進(jìn)行判斷，很難做到精準(zhǔn)定位，導(dǎo)致一些微小的損傷被忽略。這種故障檢測方式無法快速、全面地找出民航飛機(jī)存在的安全隱患，從而導(dǎo)致故障發(fā)生的風(fēng)險增加［7］。

2.2 維修培訓(xùn)時間緊張

取得147執(zhí)照資質(zhì)后，才能參與民航飛機(jī)的維護(hù)工作。學(xué)員除了要接受系統(tǒng)的理論課外，還要完成較長時間的技能實操。對要等待培訓(xùn)的大量學(xué)員來說，無疑會增加其學(xué)習(xí)成本。某些項目因?qū)W習(xí)安排錯開較久而導(dǎo)致學(xué)員將其遺忘。

針對現(xiàn)有實訓(xùn)平臺中存在的弊端，在實訓(xùn)教學(xué)過程中引入數(shù)字孿生技術(shù)，通過數(shù)字孿生技術(shù)對現(xiàn)實世界中遇到的情景進(jìn)行模擬仿真，在很大程度上能解決各種問題［8］。

3 起落架裝配工藝過程仿真

機(jī)輪是飛機(jī)著陸系統(tǒng)中的重要組成部分，承受著上百噸的起飛高速滑跑和降落時的沖擊載荷。機(jī)輪組件與飛機(jī)的剎車裝置是直接接觸工作的，其工作環(huán)境很差。因此，從飛機(jī)上拆下后，發(fā)現(xiàn)機(jī)輪組件很臟，積碳、液壓油、滑油附著在上面。對新員工來說，維修難度往往較大。對維修廠的師傅來說，每天要面對的機(jī)輪種類不同，采用的維修方案也不同?？赏ㄟ^將不同的維修方案預(yù)先做好虛擬仿真，在進(jìn)行維修前，維修師傅可指導(dǎo)學(xué)員進(jìn)行學(xué)習(xí)，從而提高工作效率。

3.1 起落架模型

根據(jù)某型飛機(jī)起落架的模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)，在UG NX軟件中進(jìn)行零部件的創(chuàng)建及組裝，裝配模型如圖1所示。

圖1 某型起落架裝配模型

3.2 起落架拆解步驟

飛機(jī)維修應(yīng)嚴(yán)格按照手冊中的要求，操作專業(yè)設(shè)備進(jìn)行檢查。某型號起落架維修手冊中的拆解步驟如圖2所示。

3.3 創(chuàng)建虛擬裝配

先將起落架裝配模型導(dǎo)入到Inte3D軟件中，將模型統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為輕量化的.ivp格式，裝配結(jié)構(gòu)如圖3所示。在圖3所示的“裝配結(jié)構(gòu)”樹中，能看到完整的起落架所有零件的裝配關(guān)系。對由幾個小零件組成的部分，可通過“分解零部件”將其分解成最基本的組成部分。根據(jù)圖2所示的起落架拆裝步驟，將起落架分解為輪軸螺帽、輪轂、輪子、輪軸、輪軸螺帽、減震支柱等裝配結(jié)構(gòu)。

圖2 起落架拆解步驟

圖3 裝配結(jié)構(gòu)

在“裝配過程”中新建步驟1，并將其命名為“機(jī)輪裝配過程”。在裝配過程中，將要拆裝的部分添加到步驟。對步驟1中的各部分零件進(jìn)行調(diào)整光源和上色，使各部分零件的對比增強(qiáng)，便于觀察裝配過程。根據(jù)工卡步驟，按照順序?qū)Σ考M(jìn)行拆解，如圖4所示。通過“裝配過程”菜單來創(chuàng)建路徑規(guī)劃，再用平移、旋轉(zhuǎn)等指令對部件的運動進(jìn)行約束。

圖4 裝配過程

一個路徑規(guī)劃即表示一個拆解過程，如圖5所示。根據(jù)具體情況，可添加一定的“工具活動”，用于輔助拆解。對一些比較小的零件，可在拆解前添加“閃爍活動”，用來提醒使用者接下來將對閃爍部分的零件進(jìn)行拆解。同時，對每一個路徑規(guī)劃都可添加“視角活動”，以便在拆解不同零件時可從最佳角度去觀察。

圖5 機(jī)輪拆解

新建步驟2，并將其命令為“爆炸圖”。將步驟1“機(jī)輪拆解”的裝配對象復(fù)制粘貼到步驟2中。在步驟2的目錄下，框選全部零件，選擇“線性爆炸”命令，并拖動零件，使其中間部分向兩側(cè)散開，要注意各零件不能遮擋。在“技術(shù)圖解”工具欄中，選取“標(biāo)簽”對機(jī)輪的每部分進(jìn)行詳細(xì)的標(biāo)注，將標(biāo)簽屬性中的自動對齊方式改為“自由3D”，此時標(biāo)簽就會隨部件的移動而相應(yīng)移動。在“技術(shù)圖解”命令中，選擇“定義BOM表頭”，修改表格的表頭和長度等格式。選取“BOM表格”來填寫表內(nèi)容，對部件的物料名稱和材料進(jìn)行標(biāo)注，BOM表格見表1。

在完成整個機(jī)輪的“機(jī)輪拆解”和“爆炸圖”后，右擊裝配過程，彈出“裝配仿真”，即可看到整個機(jī)輪裝配的動畫仿真過程。

3.4 輸出仿真文件

在“輸出”工具欄下選擇“視頻”，即可得到“裝配”或“拆卸”過程，輸出的拆裝視頻如圖6所示。在動畫輸出中可選擇整體輸出或單步驟輸出，并選擇一個適合觀看的幀數(shù)。除了視頻外，還可選擇輸出3DPDF、Inte CAPP卡片等。

圖6 輸出視頻

4 培訓(xùn)應(yīng)用

針對某型飛機(jī)起落架，根據(jù)維修手冊中的拆解步驟，建立該型起落架裝配工藝過程的仿真模型。在Inte3D中將該模型分解為7個裝配結(jié)構(gòu)，對每個結(jié)構(gòu)添加詳細(xì)的標(biāo)簽，并建立對應(yīng)的路徑規(guī)劃，對重要的拆解步驟添加輔助拆解工具或重點強(qiáng)調(diào)，輸出對應(yīng)的BOM表格、裝配仿真動畫。該裝配工藝的過程仿真已應(yīng)用于部分學(xué)員班級中，進(jìn)行試點教學(xué)。教學(xué)內(nèi)容包括起落架模型創(chuàng)建、飛機(jī)維修手冊解讀、起落架虛擬結(jié)構(gòu)拆解、起落架虛擬裝配過程創(chuàng)建、BOM表格創(chuàng)建、CAPP工藝卡片創(chuàng)建和虛擬裝配工藝過程動畫文件創(chuàng)建等。

起落架裝配工藝過程仿真試點教學(xué)取得了良好的教學(xué)效果。試點班級的學(xué)員通過培訓(xùn)對起落架的基本結(jié)構(gòu)有了更直觀地認(rèn)識，其能根據(jù)機(jī)型飛機(jī)維修手冊對維修工藝過程進(jìn)行總結(jié)，完成起落架虛擬裝配工藝，并輸出相應(yīng)的BOM表格、工藝卡片和仿真動畫。通過工藝卡片和仿真動畫來進(jìn)一步加深學(xué)員對起落架維修過程的理解。

起落架虛擬裝配工藝培訓(xùn)項目降低了對維修人員培訓(xùn)教員的維修水平要求，同時將教員與學(xué)員的比例從1∶8提高到了1∶30。通過虛擬裝配工藝卡片和仿真動畫的重復(fù)性演示，能有效節(jié)約維修人員的培訓(xùn)時間。

5 結(jié)語

航空公司擁有的機(jī)型種類多，涉及對不同種類的起落架維修。運用數(shù)字孿生技術(shù)能提前將要維修的起落架模型導(dǎo)入系統(tǒng)，并對裝配工藝過程進(jìn)行仿真。根據(jù)維修手冊來嚴(yán)格制定起落架的裝配和拆卸工藝，這些步驟可在軟件里實現(xiàn)可視化模擬，并通過多向演示來增加維修現(xiàn)場的直觀性，便于對同一項目進(jìn)行多次反復(fù)訓(xùn)練，大大縮短維修培訓(xùn)時間，提高培訓(xùn)效率，節(jié)約成本。