航空維修線上實訓課程的設計與實踐＊

薛愛軍

（山東交通學院航空學院，山東 濟南 250300）

目前，國內許多院校已經開展了航空虛擬仿真的教學實踐和研究。張青等[4]針對航空發動機機型和發動機裝配與修理課程實驗教學，探討了仿真實驗實踐教學模式，構建了基于Cortona3D航空發動機虛擬裝配培訓實驗平臺；張艷星等[5]采用C#搭建了飛機機電設備維修實訓平臺，采用MATLAB、LabView和SQL Server數據庫建立技術資料庫，采用多媒體動畫展示系統工作原理；陳聰等[6]采用Matlab/Simulink軟件建立B737和A320飛機常用系統模型，Authorware或Flash等搭建用戶界面建立實踐教學平臺；陳炯[7]、許貝[8]也提出了基于虛擬現實技術的教學改革思路。在航空機務維修工作中，許多研究人員也對虛擬仿真進行了探索。何超[9]以Cortona3D為基礎開發了一套上位鎖虛擬維護系統，通過MAYA和Rapid Learning模塊創建交互式Web程序；王杰坤等[10]使用CATIA軟件構建CFM56-7B發動機高壓壓氣機的三維虛擬模型，應用Cortona3D中的Rapid Learning以及VRML、Java、HTML、JavaScript等多種技術，建立高壓壓氣機三維模型，實現對發動機的虛擬維護和考核；譚凌等[11]參考AMM手冊等與維修相關的材料，采用UG建立發動機模型并導入到Cortona軟件中，對此模型進行相應的拆裝仿真以及二次開發等操作。

經過認真的調研分析，發現目前針對高等學校航空類專業的航空維修線上教學的研究還很少。為了提高航空維修實訓的教學效果，設計了飛機維修基本技能線上實訓課程，規劃了虛擬維修的流程，按照飛機維修手冊中的步驟逐步引導學生，建立電子工卡，在三維虛擬環境下進行設計維修操作，完成相關飛機零部件的虛擬維修過程。經過在學生實訓中的實際應用，發現將虛擬維修技術科學合理地融入實訓中，對于推動整個航空維修類實訓教學改革具有重要的實踐意義。

1 飛機維修手冊和工卡管理系統及虛擬開發實訓平臺

目前，一般飛機維修基本技能實訓教學包括2個主要部分：①相關維修手冊的使用和工卡的編制，使用的手冊主要包括飛機維護手冊（AMM）、圖解零件手冊（IPC）；②基本實訓項目，主要包括零部件拆裝、緊固件保險、管路施工等。實訓中，學生按照實訓項目內容，首先查詢手冊，熟悉飛機的基本結構和零部件詳細信息，學習飛機相關維護的基本步驟；然后根據手冊的內容，編制實訓工卡；最后進行飛機零部件的拆裝、緊固件保險及管路施工練習等項目的實操。

線上實訓課程的設計應既能保證學生掌握飛機手冊的使用，又能夠掌握實訓項目的操作，因此，飛機維修手冊和工卡管理系統及虛擬開發實訓平臺的設計和選用至關重要。

1.1 飛機維修手冊和工卡管理系統

飛機維修基本技能培訓主要使用的手冊是飛機維護手冊（AMM）和飛機圖解零件手冊（IPC）。飛機維護手冊（AMM）是飛機維修、維護工作的重要參考依據[12]。實訓中的所有項目的操作均需按照手冊中的規定步驟進行。圖解零件手冊（IPC）給出了零部件裝配圖及詳細零件清單，標注出了各個零部件的件號、備件信息、生產廠商、技術規范、使用數量、位置、有效性等[12]。實訓中的維修零部件的三維建模的重要參考就是IPC手冊。

工卡是指導飛機維修、維護工作的重要的工藝技術文件，它以表格的形式進行表達，維修人員在工作時必須隨身攜帶，并嚴格按照工卡中規定的順序、內容、要求，逐項進行施工和簽署[13]。因此，對工卡的制作和使用是飛機維修基本技能培訓的重要內容。

當前航空類院校的飛機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規范，所以每種手冊均包含幾十個文件，學生查閱手冊時工作量較大；另外，大部分院校學生在工卡的編制過程仍采用單個文件的手工輸入生成，不利于統一管理。因此，編寫了B/S結構的飛機維修手冊和工卡管理系統供學生使用，以便加快學生查閱手冊獲取信息的速度，快速進行工卡的編制、查詢和管理。

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

1.2 Cortona3D虛擬開發實訓平臺

Cortona3D系列產品是基于3D模型的交互式技術文檔創建系統，可以快速創建3D交互式的技術文檔，并支持航空標準ATA100規范和最新的S1000D國際規范，已經被包括波音和空客在內的很多大型航空制造業公司所采用[14]。Rapid Manual和Rapid Catalog是Cortona3D系列產品中的2個重要軟件。Rapid Manual可以快速創建數字化交互產品維護和操作手冊，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中維修項目；Rapid Catalog可以快速創建數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系，可以在交互環境中隨意查看、展示任何組件。

2 線上課程的設計及開發

2.1 飛機維修基本技能線上實訓項目的選定

飛機維修基本技能實訓與生產維修實際存在密切的聯系，其中零部件的拆裝是實際維修過程中最經常發生的，因此實訓選擇飛機典型零部件結構的拆裝作為主要項目；另外，為增強學生的積極性和創造性，部分案例由學生自主根據企業案例自行設計，提高了學生的學習主動性，使學生在解決實際問題的過程中掌握了維修、維護的基本要求和重點內容，綜合運用知識的能力得到了極大的提高。

2.2 飛機維修手冊和工卡管理系統的使用

2.2.1 查閱AMM手冊確定維修維護步驟

根據維修維護項目，結合ATA100規范，確定此項目所在的章節目，在飛機維修手冊和工卡管理系統AMM手冊中，根據主題內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/恢復位于頁碼段401～499，嚴格記錄手冊中的具體步驟，此步驟將作為后續的虛擬仿真環節中實操的執行步驟，并將填入電子工卡內。

2.2.2 查閱IPC手冊確定零部件信息

根據AMM中確定的章節目，在飛機維修手冊和工卡管理系統IPC手冊中，根據示意圖查找維修維護步驟中出現的主要零部件，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

根據實訓的要求，進入飛機維修手冊和工卡管理系統的工卡頁面，填寫相關工卡信息，主要是將在AMM手冊中查詢到的操作步驟等關鍵信息進行輸入。工卡輸入完成后，可以生成PDF格式的電子版工卡，在模擬維修維護中可以使用工卡簽署功能，進行逐項施工和簽署。

2.3 相關零部件結構的三維建模

學生在確定了維修、維護項目后，參照IPC手冊中的裝配圖和零件圖及其他的資料，確定零部件的結構尺寸，然后，使用三維建模軟件Pro/E進行零部件結構的三維建模，為下一步的虛擬仿真提供基礎模型。

2.4 使用Cortona3D軟件進行虛擬維修設計

利用虛擬現實軟件Cortona3D中的Rapid Manual和Rapid Catalog模塊進行飛機維修維護實訓項目的三維模擬。Rapid Manual模塊對應飛機維修手冊AMM，Rapid Catalog模塊對應飛機圖解零件手冊IPC；通過Rapid Manual模塊，根據維修項目，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構的維修過程，加深學生對維修理論和實踐的理解；通過Rapid Catalog模塊，根據所維修的飛機結構，參照飛機IPC手冊，生成電子IPC手冊，學生可以更加直觀地了解飛機的零部件結構及詳細信息[15]。

2.5 虛擬維修結果的發布

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手冊中，可以發布成html格式和PDF兩種格式的文件；用戶既可以通過網頁的形式瀏覽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合的PDF文件。飛機維修基本技能線上實訓的設計流程如圖1所示。

圖1 線上實訓課程的設計流程

3 實訓課程的應用實例及效果

在飛行器制造工程專業學生的飛機維修基本技能實訓中，結合飛機維修手冊和工卡管理系統以及Rapid Manual和Rapid Catalog軟件，將線下的部分維修實訓項目改為線上進行，學生以小組的形式，分別完成不同的三維維修項目的設計。

某小組的訓練項目為某波音737-800飛機航空發動機吊艙支柱上部連接件的拆裝及其電子圖解零件手冊的設計，下面以此為例來進行介紹。根據ATA100規范，此項目所涉及到的手冊的章節目位于54-51-03。

3.1 IPC相關章節的查閱參考

進入飛機維修手冊和工卡管理系統，查找IPC手冊的54-51-03，可以得到零件圖和零件詳細信息。從圖中，可以詳細了解零件的相對安裝位置、零件的件號及零件的詳細說明。以此為參考，并根據實際的零件進行零件的三維建模。

3.2 AMM相關章節的查閱參考

進入飛機維修手冊和工卡管理系統，查找AMM手冊的54-51-03支柱上部連接件的詳細拆裝步驟和示意圖。這些拆裝步驟將作為動作的描述添加到后續的虛擬維修制作過程中。

3.3 制作電子工卡

進入飛機維修手冊和工卡管理系統，進入工卡管理界面，如圖2所示，填寫相關信息和操作步驟，生成如圖3所示的電子工卡。在系統中可對工卡進行添加、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

根據維修零部件的IPC信息，并查找相關飛機的資料，獲得發動機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仿真進行檢測，并將動作對應的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行發布，生成html文件，可以通過瀏覽器在遠程進行瀏覽。同時，還可以發布成為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入到Rapid3D Catalog中，參照IPC中的零件的詳細信息，填寫DPL（Detail Part List細節零件表單）表單，這是一個所見即所得的編輯器；創建完成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行發布，生成html文件，可以通過瀏覽器在遠程進行瀏覽，如圖6所示。同時，還可以發布成為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，學生即完成了飛機維修基本技能的線上訓練。在此過程中，學生通過在飛機維修手冊和工卡管理系統軟件中查閱飛機維護手冊（AMM）和圖解零件手冊（IPC），生成電子工卡，掌握了維護部件結構的詳細信息和拆裝的基本步驟，通過Pro/E軟件對維護部件的三維建模，更加加深了對所維護部件的認識，最后通過從Cortona3D軟件中對維護部件的虛擬仿真拆裝，完全掌握了此飛機部件的維護項目的內容，達到了線下實訓的目的。

4 結束語

通過自主開發的B/S結構的飛機維修手冊和工卡管理系統軟件、Pro/E三維建模軟件以及Cortona3D虛擬仿真軟件，實現了飛機維修基本技能的線上實訓；學生通過在軟件系統中查閱AMM和IPC手冊生成電子工卡，掌握了飛機維護維修的步驟和相關零部件的詳細裝配信息，并使用Pro/E進行相關零部件的三維建模；然后，將其導入Cortona 3D系列的Rapid Manual中，進行零部件拆裝維修維護的虛擬仿真，導出html文件或3D PDF文件進行發布；最后，將模型導入Rapid Catalog中，進行零部件的電子IPC的制作，導出html文件和3D PDF文件；最終的html文件都可以發布到網上，供用戶學習、瀏覽使用。此線上實訓作為線下實訓項目強有力的補充資源，完全可以滿足部分線下實訓項目的需求。