虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配教學(xué)中的研究與應(yīng)用

劉震磊 劉博浩 呂勤云 李月月 李闖 張瑞祥

1.沈陽(yáng)航空航天大學(xué)

2.空軍航空維修技術(shù)學(xué)院

3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)

隨著產(chǎn)學(xué)研深度融合發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)對(duì)工程人才培養(yǎng)提出了新的需求。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造過(guò)程中，裝配是統(tǒng)籌控制產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1]，裝配教學(xué)實(shí)驗(yàn)課程在航空院校教學(xué)體系中具有重要的地位。[2-3]2022年，工業(yè)和信息化部印發(fā)《虛擬現(xiàn)實(shí)與行業(yè)應(yīng)用融合發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2022—2026年）》，明確提出“開(kāi)發(fā)一批基于教學(xué)大綱的虛擬現(xiàn)實(shí)數(shù)字課程，支持建設(shè)一批虛擬仿真實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)重點(diǎn)項(xiàng)目”[4-5]，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于課程教學(xué)得到了國(guó)家政策的高度支持。

傳統(tǒng)的教學(xué)模式以實(shí)地培訓(xùn)學(xué)習(xí)為主，存在樣機(jī)實(shí)物稀缺、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、場(chǎng)地協(xié)調(diào)困難等問(wèn)題。[6]與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)課程相比，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)軌驅(qū)崿F(xiàn)開(kāi)放共享、全程參與，成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的補(bǔ)充與拓展。[7]各高校在工業(yè)制造、力學(xué)仿真、建筑科學(xué)、航空航天等領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一系列虛擬仿真教學(xué)平臺(tái)與課程，有效解決了真實(shí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)技術(shù)復(fù)雜、成本過(guò)高等問(wèn)題。[8-11]

本文重點(diǎn)聚焦虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配教學(xué)中的應(yīng)用，瞄準(zhǔn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)需求，搭建高逼真沉浸式的仿真場(chǎng)景，實(shí)施項(xiàng)目式研究教學(xué)方法，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，讓學(xué)生更好地掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝流程，培養(yǎng)與行業(yè)接軌人才。

●虛擬仿真平臺(tái)整體設(shè)計(jì)

1.課程理論知識(shí)重構(gòu)

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配實(shí)驗(yàn)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)類(lèi)課程教學(xué)的重要實(shí)踐環(huán)節(jié)，是飛行器動(dòng)力工程、航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修等相關(guān)專(zhuān)業(yè)的必修課程。[12]航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，裝配要求高，在裝配實(shí)踐教學(xué)中，具有樣機(jī)少、概念多、術(shù)語(yǔ)多、工程性強(qiáng)等特點(diǎn)[13]，從而導(dǎo)致理論知識(shí)和實(shí)踐應(yīng)用結(jié)合不足、課程教學(xué)效果不佳、難以推廣等問(wèn)題。[14]在實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)中，為了加強(qiáng)與發(fā)動(dòng)機(jī)原理、發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造、飛機(jī)與發(fā)動(dòng)機(jī)裝配與修理等課程相關(guān)的理論教學(xué)，采用講授法和演示法對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)進(jìn)行教學(xué)，采用演示法和自主學(xué)習(xí)法完成發(fā)動(dòng)機(jī)裝配訓(xùn)練。通過(guò)對(duì)知識(shí)點(diǎn)的重新拆解和梳理，將理論知識(shí)進(jìn)行虛擬呈現(xiàn)，使課堂理論教學(xué)與實(shí)驗(yàn)操作有效結(jié)合。

2.平臺(tái)使用需求分析

圍繞改善航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配教學(xué)質(zhì)量的目標(biāo)，結(jié)合實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀，航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配教學(xué)平臺(tái)應(yīng)具有的功能如下：

發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)教學(xué)通過(guò)圖片、視頻、文字等信息與三維模型的交互展示，建立學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力產(chǎn)生過(guò)程、整機(jī)工作原理、產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。

裝配過(guò)程仿真對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行精簡(jiǎn)，選取發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)功能的主要零件，方便學(xué)生在系統(tǒng)的指引下進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配操作訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)按照正確的順序進(jìn)行拆裝的功能。

教學(xué)效果檢驗(yàn)設(shè)計(jì)不同的考核方式，如虛擬拆裝考核、在線(xiàn)測(cè)試、實(shí)驗(yàn)報(bào)告等，以單獨(dú)執(zhí)行或相結(jié)合執(zhí)行的方式，檢驗(yàn)學(xué)生的知識(shí)掌握情況。

多平臺(tái)發(fā)布實(shí)現(xiàn)教學(xué)終端的多樣化。平臺(tái)開(kāi)發(fā)應(yīng)考慮學(xué)生的實(shí)際操作環(huán)境，開(kāi)發(fā)Web版和VR版，發(fā)布Android手機(jī)版，支持學(xué)生通過(guò)不同設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)。

功能拓展性應(yīng)保證隨著平臺(tái)教學(xué)使用的不斷深入和相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程建設(shè)的加速發(fā)展，平臺(tái)會(huì)持續(xù)進(jìn)行功能添加和產(chǎn)品迭代，如加入故障模擬、虛擬維修、性能仿真等。平臺(tái)使用需求如圖1所示。

3.平臺(tái)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

虛擬仿真平臺(tái)的整體架構(gòu)分為用戶(hù)層、發(fā)布層、應(yīng)用層、服務(wù)層和數(shù)據(jù)層。平臺(tái)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 平臺(tái)整體架構(gòu)

用戶(hù)層。航空院校相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生和教師是平臺(tái)的首要用戶(hù)群體，執(zhí)行教學(xué)任務(wù)；管理員負(fù)責(zé)通過(guò)后臺(tái)管理實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、處理實(shí)驗(yàn)報(bào)告、解決技術(shù)問(wèn)題等。同時(shí)，平臺(tái)的用戶(hù)群體可以擴(kuò)大為面向機(jī)械等關(guān)聯(lián)專(zhuān)業(yè)學(xué)生及行業(yè)入職人員。

發(fā)布層。平臺(tái)實(shí)行多平臺(tái)發(fā)布，包括Web端、V R 端，還可以通過(guò)安裝配置JDK（Java Development Kit）和Android SDK（Software Development K i t ）發(fā)布Android端，實(shí)現(xiàn)學(xué)生的可移動(dòng)式學(xué)習(xí)。

應(yīng)用層。平臺(tái)依據(jù)使用功能劃分為不同的模塊，主要實(shí)現(xiàn)航空發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)學(xué)習(xí)、裝配訓(xùn)練、考核評(píng)價(jià)三大功能，面向?qū)W生群體開(kāi)展航空發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用。

服務(wù)層。包括Unity 3D的技術(shù)開(kāi)發(fā)服務(wù)和平臺(tái)的管理服務(wù)。平臺(tái)通過(guò)軟件的開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)各零件展示和結(jié)構(gòu)裝配的鼠標(biāo)動(dòng)作觸發(fā)功能以及視角的變化控制；在平臺(tái)的使用管理方面，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)的全過(guò)程管理以及課后的實(shí)驗(yàn)考核管理。

數(shù)據(jù)層。滿(mǎn)足數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、調(diào)用功能。平臺(tái)開(kāi)發(fā)及使用過(guò)程中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)主要有用戶(hù)信息、成績(jī)數(shù)據(jù)、發(fā)動(dòng)機(jī)信息等業(yè)務(wù)信息和模型場(chǎng)景數(shù)據(jù)庫(kù)、驅(qū)動(dòng)腳本等模型、場(chǎng)景數(shù)據(jù)。

●虛擬仿真平臺(tái)搭建

1.平臺(tái)開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)

虛擬仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)包括建模與優(yōu)化、虛擬仿真、平臺(tái)發(fā)布三部分。平臺(tái)基于渦噴-7發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配手冊(cè)設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)虛擬裝配流程，確保裝配作業(yè)的正確性；使用Solid works和3Ds MAX對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模和渲染優(yōu)化處理以呈現(xiàn)出更好的視覺(jué)效果；使用Unity 3D和Visual Studio進(jìn)行虛擬仿真開(kāi)發(fā)，完成場(chǎng)景搭建、界面設(shè)計(jì)、交互操作、腳本驅(qū)動(dòng)等功能，最后發(fā)布到平臺(tái)，使用終端設(shè)備進(jìn)行教學(xué)應(yīng)用。整體開(kāi)發(fā)流程如圖3所示。

圖3 平臺(tái)整體開(kāi)發(fā)流程

2.虛擬仿真平臺(tái)開(kāi)發(fā)

三維建模及模型優(yōu)化是平臺(tái)建設(shè)的第一步。平臺(tái)對(duì)某微型渦噴式航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行建模優(yōu)化，采用Solid works對(duì)所有零件進(jìn)行精細(xì)化建模，將模型轉(zhuǎn)為STL格式，導(dǎo)入3Ds MAX進(jìn)行優(yōu)化。為了增強(qiáng)視覺(jué)效果，對(duì)模型表面沿法線(xiàn)方向進(jìn)行更改，使其視覺(jué)效果為外表面不透明。在Unity 3D中又創(chuàng)建新的材質(zhì)球更改模型表面，使表面呈現(xiàn)鏡面反光的效果，增強(qiáng)美觀(guān)程度。發(fā)動(dòng)機(jī)建模與優(yōu)化的效果如圖4所示。

圖4 發(fā)動(dòng)機(jī)建模與優(yōu)化效果

虛擬仿真開(kāi)發(fā)包括場(chǎng)景搭建、界面交互兩部分。平臺(tái)通過(guò)Unity 3D模擬出學(xué)生進(jìn)行裝配時(shí)的物理場(chǎng)景，參考真實(shí)實(shí)驗(yàn)室布局[15]，調(diào)整好模型之間的大小比例和位置關(guān)系，實(shí)驗(yàn)室整體效果如下頁(yè)圖5所示。為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的交互功能，可通過(guò)Visual Studio腳本程序構(gòu)建UI界面，將平臺(tái)的使用引導(dǎo)邏輯包含在界面中。同時(shí)，平臺(tái)設(shè)計(jì)了不同的功能模塊，其中，航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配操作仿真是平臺(tái)的核心功能，通過(guò)對(duì)零件添加Collider（碰撞控件）并掛載腳本，實(shí)現(xiàn)提示引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件裝配并考核的功能，進(jìn)而能夠展開(kāi)良好的人機(jī)交互。

圖5 實(shí)驗(yàn)室整體效果

●虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)裝配虛擬教學(xué)平臺(tái)采用虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)技術(shù)，使傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配實(shí)踐教學(xué)轉(zhuǎn)向虛擬仿真教學(xué)。為了更好地發(fā)揮虛擬仿真平臺(tái)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，平臺(tái)設(shè)計(jì)了不同的功能模塊，探索不同教學(xué)方法在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用，為相關(guān)專(zhuān)業(yè)學(xué)生的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和實(shí)踐探索能力的培養(yǎng)提供平臺(tái)。

1.虛擬仿真軟件組成

（1）航空發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)教學(xué)模塊

本模塊以發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造知識(shí)教學(xué)為核心，全面介紹航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)理論知識(shí)，如推力產(chǎn)生過(guò)程、整機(jī)工作原理、結(jié)構(gòu)功能、種類(lèi)劃分、發(fā)展歷史等。模塊的教學(xué)可采用講授法和演示法，充分利用平臺(tái)提供的圖片文字信息和三維模型，著重提升學(xué)生對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)的理解掌握程度，為后續(xù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)程奠定認(rèn)知基礎(chǔ)。

（2）微型渦噴式航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配模塊

該模塊是虛擬實(shí)驗(yàn)的主要部分。此模塊通過(guò)演示法、自主學(xué)習(xí)法讓學(xué)生完成裝配操作并學(xué)習(xí)零部件的連接關(guān)系、裝配工藝等知識(shí)。通過(guò)交互式操作，學(xué)生可深入接觸航空發(fā)動(dòng)機(jī)的裝配作業(yè)，從而加深對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的理解掌握，復(fù)習(xí)鞏固相應(yīng)基礎(chǔ)理論知識(shí)。同時(shí)，理論知識(shí)的學(xué)習(xí)能夠幫助學(xué)生更好地進(jìn)行裝配操作訓(xùn)練。

（3）實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)模塊

為了考核學(xué)生在虛擬裝配教學(xué)過(guò)程中的學(xué)習(xí)情況，平臺(tái)設(shè)計(jì)了裝配操作考核和實(shí)驗(yàn)報(bào)告兩部分考核評(píng)價(jià)內(nèi)容。裝配操作考核主要對(duì)學(xué)生的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配操作掌握情況進(jìn)行檢測(cè)。平臺(tái)設(shè)置了檢測(cè)與糾錯(cuò)功能，引導(dǎo)學(xué)生正確完成裝配，對(duì)學(xué)生的操作情況進(jìn)行評(píng)分。實(shí)驗(yàn)報(bào)告重點(diǎn)考查學(xué)生對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)和裝配技術(shù)的掌握程度，并收集學(xué)生對(duì)平臺(tái)的使用建議用以?xún)?yōu)化平臺(tái)。

2.虛擬仿真實(shí)驗(yàn)操作步驟

虛擬裝配平臺(tái)的交互性操作流程如圖6所示。

圖6 虛擬裝配平臺(tái)的交互性操作步驟

虛擬裝配平臺(tái)的操作步驟如下：

①學(xué)生按照課程要求注冊(cè)平臺(tái)并登錄，開(kāi)始實(shí)驗(yàn)。

②進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)教學(xué)模塊，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊查看知識(shí)點(diǎn)，學(xué)習(xí)航空發(fā)動(dòng)機(jī)基礎(chǔ)知識(shí)；對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)認(rèn)知的學(xué)習(xí)，平臺(tái)通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊高亮并彈出知識(shí)卡片的方式執(zhí)行教學(xué)設(shè)計(jì)。

③進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)裝配訓(xùn)練。學(xué)生先進(jìn)入教學(xué)模式，按照提示引導(dǎo)，通過(guò)鼠標(biāo)點(diǎn)擊拖動(dòng)完成裝配操作學(xué)習(xí)，完成后進(jìn)入自主操作模式，在沒(méi)有提示的情況下自行完成裝配，學(xué)生可以重復(fù)進(jìn)行裝配訓(xùn)練。

④進(jìn)行實(shí)驗(yàn)考核評(píng)價(jià)。裝配操作考核要求學(xué)生在沒(méi)有提示的情況下自行完成發(fā)動(dòng)機(jī)裝配操作，考核成績(jī)計(jì)入最終實(shí)驗(yàn)成績(jī)。學(xué)生在課后按照課程要求自行完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告的撰寫(xiě)。

⑤學(xué)生將實(shí)驗(yàn)報(bào)告上傳至平臺(tái)，完成所有操作，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

●虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的意義

1.滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)人才培養(yǎng)需求

航空發(fā)動(dòng)機(jī)是目前國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的戰(zhàn)略科技產(chǎn)業(yè)，對(duì)自主創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提出了迫切的需求。航空發(fā)動(dòng)機(jī)傳統(tǒng)裝配模式涉及定位、尺寸、工裝、連接等工藝，而數(shù)字化裝配模式涉及數(shù)字量協(xié)調(diào)、數(shù)字化檢測(cè)、裝配路徑規(guī)劃等先進(jìn)技術(shù)。傳統(tǒng)的裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)難以滿(mǎn)足新興的數(shù)字化裝配的需求，而在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的支持下，虛擬裝配實(shí)驗(yàn)可以為學(xué)生提供相應(yīng)的教學(xué)服務(wù)，讓學(xué)生充分感受到行業(yè)前景，便于與相關(guān)崗位無(wú)縫對(duì)接。

2.完善教學(xué)體系

航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配實(shí)踐教學(xué)是航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)類(lèi)課程的重要一環(huán)，在航空院校教學(xué)培養(yǎng)方案中有著重要地位。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的引入使發(fā)動(dòng)機(jī)裝配實(shí)驗(yàn)課程的教學(xué)方式不再延續(xù)傳統(tǒng)的實(shí)地培訓(xùn)教學(xué)，建立了以解決工程問(wèn)題為目的的培養(yǎng)新模式。虛擬裝配教學(xué)平臺(tái)的教學(xué)、實(shí)驗(yàn)、考核功能基本涵蓋了裝配實(shí)踐課程要求，可獨(dú)立開(kāi)展實(shí)驗(yàn)培訓(xùn)，同時(shí)，與航空發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)類(lèi)理論課程教學(xué)配套，形成“教、學(xué)、考”一體的教學(xué)體系，組成一整套航空發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)造教學(xué)系統(tǒng)。未來(lái)，可在此平臺(tái)的基礎(chǔ)上繼續(xù)開(kāi)發(fā)，引入故障模擬、虛擬維修、性能仿真等功能，迭代為航空發(fā)動(dòng)機(jī)綜合虛擬仿真平臺(tái)。

3.提高教學(xué)效率

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性、構(gòu)想性對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程是一種有力的支撐，對(duì)學(xué)生而言，最直觀(guān)的交互式教學(xué)有助于激發(fā)學(xué)習(xí)自主性，促進(jìn)學(xué)習(xí)與探索能力的培養(yǎng)。與傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)裝配實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，虛擬裝配教學(xué)平臺(tái)可以更好地完成教學(xué)演示并實(shí)施理論與實(shí)踐并重的教育方針，同時(shí)也可以擴(kuò)展機(jī)械、控制等相關(guān)學(xué)科學(xué)生的學(xué)術(shù)視野，培養(yǎng)其投身航空航天領(lǐng)域的情懷。教學(xué)平臺(tái)的應(yīng)用方便學(xué)生進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，不受教具、場(chǎng)地、時(shí)間的約束，增強(qiáng)實(shí)踐能力，最終提高教學(xué)質(zhì)量與效率。

●總結(jié)

本文以產(chǎn)業(yè)需求為導(dǎo)向，推動(dòng)教學(xué)方法面向工程技術(shù)人才培養(yǎng)改進(jìn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究性教學(xué)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的交互式、沉浸式體驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)知識(shí)的理解和掌握，使學(xué)生在教學(xué)安排或自行組織下通過(guò)虛擬教學(xué)平臺(tái)學(xué)習(xí)，掌握航空發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)，熟悉航空發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝。筆者對(duì)產(chǎn)學(xué)研合作背景下實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行的研究和實(shí)踐，構(gòu)建了新的信息化教學(xué)模式，期望能更好地發(fā)揮實(shí)驗(yàn)教學(xué)的功能，促進(jìn)航空類(lèi)復(fù)合型應(yīng)用人才的培養(yǎng)。