基于VR的渦噴六航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修教學(xué)平臺(tái)的設(shè)計(jì)與模擬排故應(yīng)用

石承玉　邱峰　施新宇　施浩

摘要：本論文主要介紹一款設(shè)計(jì)及利用VR的虛擬維修教學(xué)平臺(tái)來(lái)對(duì)渦噴六發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行拆裝和排故，設(shè)計(jì)研發(fā)出針對(duì)渦噴六航空發(fā)動(dòng)機(jī)的拆裝實(shí)驗(yàn)虛擬維修教學(xué)平臺(tái)。通過(guò)對(duì)渦噴六航空發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行精確測(cè)繪后，建立三維模型，利用unity3D實(shí)現(xiàn)使用VR設(shè)備對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行專業(yè)、規(guī)范的模擬排故維修教學(xué)。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)維修手冊(cè)為參考，制作輔助教學(xué)軟件以及模擬實(shí)際飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障的發(fā)生、排故分析進(jìn)行維修教學(xué)的拆裝步驟，保證了教學(xué)維修過(guò)程中的每個(gè)步驟都符合規(guī)范、符合維修手冊(cè)的要求。

關(guān)鍵詞：VR;渦噴六發(fā)動(dòng)機(jī);故障排除;authorware;AutoCAD;3ds Max;unity3D;C#;教學(xué)軟件;開(kāi)發(fā)編程;虛擬仿真;虛擬現(xiàn)實(shí)

中圖分類號(hào)： TP18? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）04-0013-02

目前機(jī)務(wù)維修人員的培訓(xùn)教學(xué)主要依賴學(xué)習(xí)紙質(zhì)機(jī)務(wù)維修手冊(cè)和教員的親身實(shí)例教學(xué)，然而兩種傳統(tǒng)的教學(xué)方式都有各有不足之處：紙質(zhì)的維修手冊(cè)內(nèi)容復(fù)雜抽象[1]，人工教學(xué)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)場(chǎng)地和設(shè)備有很高的需求[2]。鑒于機(jī)務(wù)維修多數(shù)是對(duì)損壞和老化的零部件進(jìn)行更換，對(duì)拆卸與安裝的順序要求嚴(yán)苛。于是制作一套基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）的機(jī)務(wù)維修教學(xué)軟件，并使用其進(jìn)行模擬故障排故教學(xué)與練習(xí)，成為當(dāng)前迫切需要的解決方案。

1 設(shè)計(jì)過(guò)程及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 測(cè)繪及繪制圖紙

使用螺旋測(cè)微器測(cè)量出所有按照規(guī)范流程從渦噴六航空發(fā)動(dòng)機(jī)上拆解下來(lái)的各個(gè)細(xì)小零部件，測(cè)繪完成后利用AutoCAD繪制零件三視圖并將之前測(cè)繪所得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地記錄在三視圖中，測(cè)繪以及繪制圖紙步驟到此完成。

1.2 建立三維模型并渲染

3ds Max是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建立三維物體模型的軟件，不僅可以按照需要的尺寸精確地建立三維模型，還可以將平面三視圖轉(zhuǎn)換為三維物體模型[3]。利用3ds Max軟件將繪制好圖紙轉(zhuǎn)換成各零部件的三維立體模型，再將其在3ds Max中組裝成完整的發(fā)動(dòng)機(jī)。之后對(duì)模型添加符合原零件本來(lái)顏色的材質(zhì)球，以及改變模型的金屬材質(zhì)。使模型更加仿真，以達(dá)到虛擬現(xiàn)實(shí)的效果。

1.3 編程及建立引導(dǎo)報(bào)錯(cuò)系統(tǒng)

本虛擬維修教學(xué)平臺(tái)涉及使用頭戴顯示器以及操作手柄，需要對(duì)操作手柄上的各個(gè)按鍵功能進(jìn)行自定義。利用Unity3D的編程語(yǔ)言——C#語(yǔ)言（C#語(yǔ)言在Unity3D中屬于強(qiáng)類型語(yǔ)言[4]，沒(méi)有C#語(yǔ)言的使用能力將在Unity3D中寸步難行）編寫可執(zhí)行動(dòng)畫與交互腳本，使模型各零件模型可拾取、可放置。此外當(dāng)學(xué)員的虛擬手掌移動(dòng)到各模型上方時(shí)可彈出零件名稱、相關(guān)功能介紹以及引導(dǎo)文字。引導(dǎo)文字可以使學(xué)員按照正確的順序拆裝航空發(fā)動(dòng)機(jī)模型上的各個(gè)零件。如學(xué)員未按照程序編寫的順序拆裝，系統(tǒng)會(huì)提示學(xué)員操作有誤，并且阻止學(xué)員進(jìn)行錯(cuò)誤拆裝，以規(guī)范學(xué)員的維修操作。

1.4 修訂實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)書以及使用手冊(cè)

編寫了與系統(tǒng)配套的紙質(zhì)實(shí)訓(xùn)排故指導(dǎo)書，方便本教學(xué)平臺(tái)的實(shí)際排故實(shí)訓(xùn)使用。幫助教員督促學(xué)員進(jìn)行完整的渦噴六發(fā)動(dòng)機(jī)排故過(guò)程，幫助學(xué)員理解航空發(fā)動(dòng)機(jī)的工作原理。學(xué)員還可通過(guò)使用authorware軟件編寫的使用手冊(cè)學(xué)習(xí)各處零部件的工作過(guò)程，軟件中還有文字和語(yǔ)音其對(duì)工作原理的介紹與解釋，方便學(xué)員找出發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

1.5 模擬實(shí)際飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生以及排故分析

案例：

某航空公司飛機(jī)落地轉(zhuǎn)機(jī)，準(zhǔn)備起飛。在啟動(dòng)飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)后，升降舵感覺(jué)壓差燈亮起，為確保安全飛機(jī)從跑道滑回，然后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)復(fù)位后升降舵感覺(jué)壓差燈恢復(fù)正常，飛機(jī)準(zhǔn)備再次起飛，在跑道上啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)后升降舵感覺(jué)壓差燈再次亮起，由于無(wú)法確保飛機(jī)可以安全飛行，于是派出地勤機(jī)修人員去排除飛機(jī)故障，機(jī)修人員更換了感力計(jì)算機(jī)，飛機(jī)起飛時(shí)檢查正常，于是飛機(jī)放行。航線結(jié)束之后，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行排故分析。

排故分析：

飛機(jī)的升降舵感覺(jué)壓差燈亮起的故障原因有很多，主要原因有：氣路故障、油路故障、電路故障和計(jì)算機(jī)故障等。上述的一些故障在排故手冊(cè)以及authorware制作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用手冊(cè)中，均可以找到針對(duì)各種故障的排故解決方案。這些排故解決方案主要是針對(duì)系統(tǒng)中的液力系統(tǒng)相關(guān)零部件：比如更換油箱壓力油濾，或是更換皮托管，感覺(jué)壓差燈，升降舵感覺(jué)計(jì)算機(jī)等零部件。

學(xué)員結(jié)合了排故手冊(cè)以及authorware制作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用手冊(cè)分析后得出結(jié)論：導(dǎo)致本次故障發(fā)生的原因是感覺(jué)計(jì)算機(jī)故障或者是由于系統(tǒng)相關(guān)零部件過(guò)臟，導(dǎo)致系統(tǒng)油箱壓力油濾、液力供油組件油濾堵塞引起的。同時(shí)還有可能是由于感覺(jué)計(jì)算機(jī)的靜壓管、皮托管因?yàn)樘鞖庠颍ㄌ鞖膺^(guò)于寒冷導(dǎo)致管路內(nèi)結(jié)冰、下雨時(shí)雨水進(jìn)入管路）發(fā)生管路阻塞或是其他原因，比如昆蟲(chóng)誤入管路發(fā)生阻塞。由于上述故障在本次的排故分析模擬中，避免考慮維修教學(xué)平臺(tái)以外的因素，所以學(xué)員考慮更換感覺(jué)計(jì)算機(jī)，更換液力系統(tǒng)油箱壓力油濾以及液力供油組件油濾。這里僅用更換油箱壓力油濾為例，做模擬實(shí)際飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)故障發(fā)生以及排故分析。

經(jīng)過(guò)對(duì)照排故手冊(cè)以及參考通過(guò)authorware制作的航空發(fā)動(dòng)機(jī)使用手冊(cè)，學(xué)員拆裝了感力計(jì)算機(jī)，更換了液壓系統(tǒng)油濾以及油箱壓力油濾，同時(shí)學(xué)員還依據(jù)實(shí)訓(xùn)排故指導(dǎo)書吹洗了升降舵管道，并對(duì)升降舵系統(tǒng)進(jìn)行放氣并進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)測(cè)試。測(cè)試完成后，飛機(jī)恢復(fù)正常。

2 結(jié)論

本文中的教學(xué)系統(tǒng)利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)務(wù)維修教學(xué)與模擬排故培訓(xùn)，使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)的教學(xué)方式，在教學(xué)方面有著傳統(tǒng)教學(xué)無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)[5]：學(xué)員對(duì)教學(xué)內(nèi)容的理解更加直觀，教員在教學(xué)過(guò)程中更加省時(shí)省力。學(xué)員使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)平臺(tái)，通過(guò)佩戴頭戴顯示器還可減少外界信息的干擾[6]，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，還會(huì)因?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感以及直觀的學(xué)習(xí)方式，使其在學(xué)習(xí)過(guò)程中更加投入，學(xué)習(xí)效率也將會(huì)大大提高。通過(guò)模擬排故培訓(xùn)可以使學(xué)員得到專業(yè)的機(jī)務(wù)排故訓(xùn)練，并且規(guī)范了學(xué)員的維修操作。日后如將本虛擬維修技術(shù)推廣到各大航空院校中，對(duì)機(jī)務(wù)維修人員的航空器維修學(xué)習(xí)將會(huì)是極大的幫助。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】