飛機部件數字化裝配虛擬仿真實驗教學平臺建設與實踐

孫士平 胡 政 朱永國

（南昌航空大學航空制造工程學院 江西·南昌 330063）

為適應航空制造產業發展的需求，南昌航空大學飛行器制造工程專業以培養具有專業勝任能力和社會適應能力的創新應用型航空制造人才為目標，依托中央地方共建的航空先進制造實驗中心，在“飛機裝配工藝”課程中開設了“飛機數字化測量”“飛機柔性裝配定位”“飛機數字化對接裝配”“飛機裝配接頭孔精加工模擬”等裝配實驗，實現對學生飛機裝配實踐能力的培養。[1]但隨著數字化、信息化技術在航空制造領域的深入應用，數字化實踐能力培養日益重要，[2]現有實驗條件在實現航空制造專業化數字化裝配人才培養方面存在瓶頸：

第一，實驗對象特殊。由于飛機部件數字化裝配涉及大面積的裝配場地、昂貴的數字化設備、大尺寸弱剛度復雜構型結構件和多人協作裝配等因素，學生難以用真實的飛機部件做實驗對象進行反復裝配實踐。[3]

第二，實驗資源稀缺。正確規劃飛機部件裝配工藝并進行裝配質量檢測是實施飛機裝配的關鍵環節，而現實中學生操作設備進行飛機部件裝配、調整優化裝配工藝過程、完成裝配質量檢測的資源設備稀少，且裝配實驗過程離散，缺乏系統化和完整性；同時，受專業廣度、研究水平和技術條件的限制，飛機裝配實驗資源稀缺且共享程度低。[4]

第三，實驗環境匱乏。學生專業化數字化裝配能力的獲得需要在真實或準真實的環境中進行大量實踐，而航空企業飛機裝配車間的生產管理機制與學校飛機裝配實驗的資源條件，在數量和質量上無法滿足學生批量實驗訓練需求。[5]

為解決上述瓶頸問題，實現為國防航空和江西經濟培養急需的航空數字化裝配專業人才的目標，非常有必要整合飛機裝配的理論教學與實驗內容，堅持“學生中心、問題導向、實踐探索”的實驗教學理念，按照“虛實結合、以虛補實”原則，結合3D建模、動畫、人機交互等信息數字技術構建飛機部件數字化裝配虛擬仿真實驗教學平臺，并基于該平臺開展實驗教學，促進學生有效掌握飛機裝配原理與工藝，培養學生獲取數字化裝配知識的學習能力和開展飛機數字化裝配的實踐能力。

1 虛擬仿真實驗平臺的構建與實施

1.1 實驗建設內容

1.1.1 機翼壁板自動鉆鉚實驗

機翼壁板自動鉆鉚實驗，首先通過確定蒙皮材料和厚度，根據功能要求選擇桁條截面及布局形式；其次，依次設定鉚接孔的排距、孔徑，并選擇制孔刀具直徑，鉚釘型號，確定壓鉚力；最后規劃機器人鉆鉚路徑軌跡，完成蒙皮與桁條的鉆孔和鉚接。不同的工藝參數設計得到不同的裝配鉚接質量，不合適的裝配工藝導致不合格的鉚接質量，實驗將鉚接質量分為高可行、可行和不可行三種類別，分別對應三種裝配工藝方案。學生通過計算工藝參數、分析鉚接質量，熟悉工藝參數對裝配質量的影響規律，進一步改進工藝以獲得高可行的鉚接質量，實現裝配工藝知識的鞏固、工藝設計與分析能力的提高。

1.1.2 機翼機身對接裝配實驗

機翼機身對接裝配實驗，首先考慮采用AGV小車將機翼部件、機身部件運送到裝配場地，并將機翼、機身部件吊放在安裝平臺的調姿機構上，操作激光跟蹤儀對機身部件、機翼部件進行測量，依據測量值解算出機翼、機身的當前位姿，并進行姿態調整；其次，根據對接裝配工藝路徑規劃，移動機翼部件接近機身部件，運用激光跟蹤儀檢測對合部位間隙的大小、均勻性以及同軸度參數，并根據測量結果進行動態調整裝配路徑，完成機翼機身的對接；最后，對裝配對合質量進行檢測與評價，完成對接機構的連接固定。

1.2 實驗教學目的

實驗教學利用數字化裝配的虛擬場景，引導學生熟悉飛機部件裝配過程、正確制定裝配工藝，在知識和能力方面達成以下目標：（1）理解數字化裝配含義、原理與系統組成。（2）掌握飛機部件數字化裝配的工藝方法。（3）能根據裝配對象選擇合適的裝配工藝參數。（4）掌握飛機數字化裝配過程中的數據傳遞及裝配質量檢驗方法。（5）能夠在教師指導下對裝配質量異常現象進行分析，具有改進優化裝配工藝方案的能力。

借助所構建虛擬仿真實驗平臺，通過數字化裝配實驗教學，達成以下實驗教學目的：

激發學生學習興趣。在虛擬仿真場景中，學生能直接察看裝配場景的設備與零部件，通過交互操作，了解零部件的空間位置關系、鉆鉚裝配設備的加工過程、機翼機身對接的空間位置變化。這種直觀、實時和互動的特點不僅能激發學生實施數字化裝配的興趣，也有助于促進學生深入學習飛機裝配工藝。

提升學生專業化能力。在虛擬仿真場景中，學生可以對機翼壁板或機翼機身對接的不同裝配工藝進行反復操作，既能深化對已有理論的理解，又能獲得飛機裝配工藝規劃的能力；學生可自由開展機翼壁板自動鉆鉚、機翼機身對接裝配或兩者結合的綜合實驗，這既能激發學生養成主動學習和反思改進的習慣，又能引導學生深化理論對實踐的指導。借助虛擬實驗訓練，學生的專業化能力不斷得到提升。

提高學生學習效率。平臺為學生提供了泛在化的網絡虛擬實驗室和全天在線的“空中課堂”，學生可不受時空限制、隨時隨地進行實驗，簡化了實驗準備、縮短了實驗周期；平臺考核評價功能讓學生能及時得到實驗結果反饋，促進快速發現并解決問題，從而提高學生學習效率。

1.3 實驗教學方法

1.3.1 模型法

平臺采用構建模型法來模擬飛機部件數字化裝配場景，訓練并評價學生在虛擬場景下進行的工藝設計與操作的可行性與規范性，以便學生在面對真實飛機部件裝配時能夠正確制定裝配工藝和操控裝配設備，培養學生專業化裝配能力。

平臺中的飛機機翼壁板、機翼機身裝配模型來自飛機裝配流程中的典型裝配階段，搭建的虛擬場景是以飛機部件裝配車間、機翼機身對接裝配車間為藍本進行的全景建模；工裝、測量設備和裝配零部件也是以真實對象為參照建模。在第一視角下，學生不僅能夠自由觀察模型，而且能自主完成裝配過程，進行交互式學習，不斷提高工藝規劃能力，夯實裝配工藝理論。

1.3.2 案例法

平臺為學生提供了規劃裝配工藝、實施裝配并查驗結果的實踐檢驗理論機會。學生不僅可根據工裝和零件組合形式進行裝配工藝設計，還可以將裝配工藝付諸實操，進行裝配操控和裝配質量檢驗，并接受實驗考評，系統允許學生“試錯”；系統記錄實操過程，統計裝配質量，并結合裝配質量分析報告評價學生對裝配工藝知識的理解與掌握程度；通過案例式實驗，學生不僅能熟悉裝配工藝過程，熟記工藝設計規范，還能分析異常的裝配質量并進行工藝改進。

1.4 實驗實施過程

沉浸式認知。學生進入虛擬數字化裝配車間，直觀形象、立體生動地體驗、感知與領略飛機數字化裝配物理環境的空間、布局、設備與部件；了解物理環境設備的配備規范、操作模式。學生通過虛擬場景巡游，理解數字化裝配系統的組成與設備配置要求，掌握部件裝配工藝與工裝的匹配性準則。

交互式學習。進入實驗項目，學生可根據實驗內容查詢瀏覽裝配詞典模塊，學習實驗設備、工裝相關知識和零部件工藝規范；可針對實驗內容要求、裝配工藝規劃、工藝參數計算等與線上教師進行互動；通過人機交互方式，實現邊學習、邊提高，不清楚不明白之處及時得到澄清。

體驗式操作。進入實驗項目，學生選擇單項或綜合性實驗項目進行裝配實驗。兩類實驗均采用“自主設計”模式，學生根據所選擇裝配對象進行各類工藝參數設置，完成裝配實驗，系統自動記錄實驗過程，并根據工藝參數設置生成裝配質量檢測報告，學生可及時掌握所設計工藝的可行性。通過這種自主的體驗式裝配操作，訓練學生裝配工藝設計能力。

探索式改進。實驗操作結束后，通過查看裝配質量檢測報告，學生可以分析裝配質量數據，總結工藝參數的選擇，提出工藝改進方案，完成實驗結果分析填寫，系統給出包括全部操作步驟和參數選擇的完整實驗報告。學生可根據實驗報告評價結果，嘗試改進工藝方案反復進行實驗，探索創新裝配工藝設計，不斷深化理論的實踐應用能力，激發創新能力。此外，在線下，學生可在實驗中心的部件裝配實驗室采用模擬件進行機翼機身對接裝配操作，教師對學生的實際操作進行點評，實現師生互動。

2 實驗實施效果

2.1 提高人才培養質量

平臺的開發突破了時間和空間限制，學生可以隨時隨地進行實驗。同時，平臺設有工藝知識詞典供學生預習和實時查詢。平臺中對裝配對象的反復試驗，強化了學生的裝配工藝設計能力。平臺的應用提升了學生數字化設備使用和裝配工藝規劃能力的專業化。自2017年基于平臺開展虛擬仿真實驗教學以來，已有730余名學生完成了該實驗項目。

2.2 提升教學效率

平臺實現了高達百人的同時訪問，既破除了航空廠面臨的無法安排多批次、大批量學生進行實訓的困境；也解決了學生不能用真飛機部件進行反復裝配操作及實驗耗時長的問題。借助平臺，學生與裝配虛擬場景、數字化設備和零部件實現互動，不僅能將裝配理論應用于裝配實驗，而且能激發學生對飛機裝配的興趣，有效提升了教學效率。

2.3 降低教學成本

平臺實現了學生在校園內參觀和體驗飛機部件數字化裝配場景、裝配過程，減少了往返航空企業進行實習實訓成本，縮減了線下實驗的預約和準備時間，節省了實驗教學的器材購置與運營費用。

2.4 共享教學資源

平臺通過互聯網接入江西高校虛擬仿真實驗教學共享服務平臺，作為共享資源向社會開放。目前，該平臺不僅支持本專業學生實驗，也面向我校其他專業學生開展大范圍的開放性實驗。

3 結束語

根據飛機裝配工藝專業實驗教學特點，利用現代信息技術搭建了飛機部件數字化裝配虛擬仿真實驗教學平臺。設計了飛機壁板自動鉚接、飛機機翼機身對接實驗模塊構成的綜合實驗。通過改革實驗教學方法從設備認知、基本操作和綜合分析等方面對學生進行多方位考核，讓學生更好地掌握飛機數字化裝配工藝知識，增加了學生的學習興趣，提升了學生解決復雜裝配工藝規劃問題的能力和工程創新能力。