虛擬現實技術在航空發(fā)動機裝配教學中的研究與應用

劉震磊 劉博浩 呂勤云 李月月 李闖 張瑞祥

1.沈陽航空航天大學

2.空軍航空維修技術學院

3.哈爾濱工業(yè)大學

隨著產學研深度融合發(fā)展，航空發(fā)動機產業(yè)對工程人才培養(yǎng)提出了新的需求。在航空發(fā)動機制造過程中，裝配是統(tǒng)籌控制產品質量的關鍵環(huán)節(jié)[1]，裝配教學實驗課程在航空院校教學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)《虛擬現實與行業(yè)應用融合發(fā)展行動計劃（2022—2026年）》，明確提出“開發(fā)一批基于教學大綱的虛擬現實數字課程，支持建設一批虛擬仿真實驗實訓重點項目”[4-5]，將虛擬現實技術應用于課程教學得到了國家政策的高度支持。

傳統(tǒng)的教學模式以實地培訓學習為主，存在樣機實物稀缺、結構復雜、場地協(xié)調困難等問題。[6]與傳統(tǒng)的實驗課程相比，虛擬仿真實驗能夠實現開放共享、全程參與，成為傳統(tǒng)實驗教學的補充與拓展。[7]各高校在工業(yè)制造、力學仿真、建筑科學、航空航天等領域已經開發(fā)了一系列虛擬仿真教學平臺與課程，有效解決了真實實驗教學技術復雜、成本過高等問題。[8-11]

本文重點聚焦虛擬現實技術在航空發(fā)動機虛擬裝配教學中的應用，瞄準航空發(fā)動機產業(yè)人才培養(yǎng)需求，搭建高逼真沉浸式的仿真場景，實施項目式研究教學方法，提升實驗教學效率，讓學生更好地掌握航空發(fā)動機裝配工藝流程，培養(yǎng)與行業(yè)接軌人才。

●虛擬仿真平臺整體設計

1.課程理論知識重構

航空發(fā)動機裝配實驗是航空發(fā)動機結構類課程教學的重要實踐環(huán)節(jié)，是飛行器動力工程、航空發(fā)動機維修等相關專業(yè)的必修課程。[12]航空發(fā)動機結構復雜，裝配要求高，在裝配實踐教學中，具有樣機少、概念多、術語多、工程性強等特點[13]，從而導致理論知識和實踐應用結合不足、課程教學效果不佳、難以推廣等問題。[14]在實驗教學設計中，為了加強與發(fā)動機原理、發(fā)動機構造、飛機與發(fā)動機裝配與修理等課程相關的理論教學，采用講授法和演示法對航空發(fā)動機基礎知識進行教學，采用演示法和自主學習法完成發(fā)動機裝配訓練。通過對知識點的重新拆解和梳理，將理論知識進行虛擬呈現，使課堂理論教學與實驗操作有效結合。

2.平臺使用需求分析

圍繞改善航空發(fā)動機裝配教學質量的目標，結合實踐教學現狀，航空發(fā)動機虛擬裝配教學平臺應具有的功能如下：

發(fā)動機知識教學通過圖片、視頻、文字等信息與三維模型的交互展示，建立學生對發(fā)動機推力產生過程、整機工作原理、產品主要結構的認知。

裝配過程仿真對發(fā)動機的結構進行精簡，選取發(fā)動機實現功能的主要零件，方便學生在系統(tǒng)的指引下進行發(fā)動機虛擬裝配操作訓練，實現按照正確的順序進行拆裝的功能。

教學效果檢驗設計不同的考核方式，如虛擬拆裝考核、在線測試、實驗報告等，以單獨執(zhí)行或相結合執(zhí)行的方式，檢驗學生的知識掌握情況。

多平臺發(fā)布實現教學終端的多樣化。平臺開發(fā)應考慮學生的實際操作環(huán)境，開發(fā)Web版和VR版，發(fā)布Android手機版，支持學生通過不同設備進行學習。

功能拓展性應保證隨著平臺教學使用的不斷深入和相關專業(yè)課程建設的加速發(fā)展，平臺會持續(xù)進行功能添加和產品迭代，如加入故障模擬、虛擬維修、性能仿真等。平臺使用需求如圖1所示。

3.平臺整體架構設計

虛擬仿真平臺的整體架構分為用戶層、發(fā)布層、應用層、服務層和數據層。平臺整體架構設計如圖2所示。

圖2 平臺整體架構

用戶層。航空院校相關專業(yè)學生和教師是平臺的首要用戶群體，執(zhí)行教學任務；管理員負責通過后臺管理實驗進程、處理實驗報告、解決技術問題等。同時，平臺的用戶群體可以擴大為面向機械等關聯專業(yè)學生及行業(yè)入職人員。

發(fā)布層。平臺實行多平臺發(fā)布，包括Web端、V R 端，還可以通過安裝配置JDK（Java Development Kit）和Android SDK（Software Development K i t ）發(fā)布Android端，實現學生的可移動式學習。

應用層。平臺依據使用功能劃分為不同的模塊，主要實現航空發(fā)動機知識學習、裝配訓練、考核評價三大功能，面向學生群體開展航空發(fā)動機虛擬裝配實驗教學應用。

服務層。包括Unity 3D的技術開發(fā)服務和平臺的管理服務。平臺通過軟件的開發(fā)，實現各零件展示和結構裝配的鼠標動作觸發(fā)功能以及視角的變化控制；在平臺的使用管理方面，可以實現對實驗的全過程管理以及課后的實驗考核管理。

數據層。滿足數據的存儲、管理、調用功能。平臺開發(fā)及使用過程中產生的數據主要有用戶信息、成績數據、發(fā)動機信息等業(yè)務信息和模型場景數據庫、驅動腳本等模型、場景數據。

●虛擬仿真平臺搭建

1.平臺開發(fā)流程設計

虛擬仿真平臺的開發(fā)包括建模與優(yōu)化、虛擬仿真、平臺發(fā)布三部分。平臺基于渦噴-7發(fā)動機的裝配手冊設計發(fā)動機虛擬裝配流程，確保裝配作業(yè)的正確性；使用Solid works和3Ds MAX對航空發(fā)動機進行建模和渲染優(yōu)化處理以呈現出更好的視覺效果；使用Unity 3D和Visual Studio進行虛擬仿真開發(fā)，完成場景搭建、界面設計、交互操作、腳本驅動等功能，最后發(fā)布到平臺，使用終端設備進行教學應用。整體開發(fā)流程如圖3所示。

圖3 平臺整體開發(fā)流程

2.虛擬仿真平臺開發(fā)

三維建模及模型優(yōu)化是平臺建設的第一步。平臺對某微型渦噴式航空發(fā)動機進行建模優(yōu)化，采用Solid works對所有零件進行精細化建模，將模型轉為STL格式，導入3Ds MAX進行優(yōu)化。為了增強視覺效果，對模型表面沿法線方向進行更改，使其視覺效果為外表面不透明。在Unity 3D中又創(chuàng)建新的材質球更改模型表面，使表面呈現鏡面反光的效果，增強美觀程度。發(fā)動機建模與優(yōu)化的效果如圖4所示。

圖4 發(fā)動機建模與優(yōu)化效果

虛擬仿真開發(fā)包括場景搭建、界面交互兩部分。平臺通過Unity 3D模擬出學生進行裝配時的物理場景，參考真實實驗室布局[15]，調整好模型之間的大小比例和位置關系，實驗室整體效果如下頁圖5所示。為實現平臺的交互功能，可通過Visual Studio腳本程序構建UI界面，將平臺的使用引導邏輯包含在界面中。同時，平臺設計了不同的功能模塊，其中，航空發(fā)動機裝配操作仿真是平臺的核心功能，通過對零件添加Collider（碰撞控件）并掛載腳本，實現提示引導學生進行航空發(fā)動機部件裝配并考核的功能，進而能夠展開良好的人機交互。

圖5 實驗室整體效果

●虛擬仿真實驗教學應用

發(fā)動機裝配虛擬教學平臺采用虛擬現實開發(fā)技術，使傳統(tǒng)的發(fā)動機裝配實踐教學轉向虛擬仿真教學。為了更好地發(fā)揮虛擬仿真平臺的技術優(yōu)勢，平臺設計了不同的功能模塊，探索不同教學方法在實驗教學中的應用，為相關專業(yè)學生的專業(yè)知識和實踐探索能力的培養(yǎng)提供平臺。

1.虛擬仿真軟件組成

（1）航空發(fā)動機知識教學模塊

本模塊以發(fā)動機構造知識教學為核心，全面介紹航空發(fā)動機基礎理論知識，如推力產生過程、整機工作原理、結構功能、種類劃分、發(fā)展歷史等。模塊的教學可采用講授法和演示法，充分利用平臺提供的圖片文字信息和三維模型，著重提升學生對航空發(fā)動機基礎知識的理解掌握程度，為后續(xù)實驗進程奠定認知基礎。

（2）微型渦噴式航空發(fā)動機裝配模塊

該模塊是虛擬實驗的主要部分。此模塊通過演示法、自主學習法讓學生完成裝配操作并學習零部件的連接關系、裝配工藝等知識。通過交互式操作，學生可深入接觸航空發(fā)動機的裝配作業(yè)，從而加深對發(fā)動機結構的理解掌握，復習鞏固相應基礎理論知識。同時，理論知識的學習能夠幫助學生更好地進行裝配操作訓練。

（3）實驗考核評價模塊

為了考核學生在虛擬裝配教學過程中的學習情況，平臺設計了裝配操作考核和實驗報告兩部分考核評價內容。裝配操作考核主要對學生的發(fā)動機裝配操作掌握情況進行檢測。平臺設置了檢測與糾錯功能，引導學生正確完成裝配，對學生的操作情況進行評分。實驗報告重點考查學生對發(fā)動機基礎知識和裝配技術的掌握程度，并收集學生對平臺的使用建議用以優(yōu)化平臺。

2.虛擬仿真實驗操作步驟

虛擬裝配平臺的交互性操作流程如圖6所示。

圖6 虛擬裝配平臺的交互性操作步驟

虛擬裝配平臺的操作步驟如下：

①學生按照課程要求注冊平臺并登錄，開始實驗。

②進入發(fā)動機知識教學模塊，通過鼠標點擊查看知識點，學習航空發(fā)動機基礎知識；對于發(fā)動機結構認知的學習，平臺通過鼠標點擊高亮并彈出知識卡片的方式執(zhí)行教學設計。

③進行發(fā)動機裝配訓練。學生先進入教學模式，按照提示引導，通過鼠標點擊拖動完成裝配操作學習，完成后進入自主操作模式，在沒有提示的情況下自行完成裝配，學生可以重復進行裝配訓練。

④進行實驗考核評價。裝配操作考核要求學生在沒有提示的情況下自行完成發(fā)動機裝配操作，考核成績計入最終實驗成績。學生在課后按照課程要求自行完成實驗報告的撰寫。

⑤學生將實驗報告上傳至平臺，完成所有操作，結束實驗。

●虛擬仿真教學實驗平臺的意義

1.滿足產業(yè)人才培養(yǎng)需求

航空發(fā)動機是目前國家重點發(fā)展的戰(zhàn)略科技產業(yè)，對自主創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)提出了迫切的需求。航空發(fā)動機傳統(tǒng)裝配模式涉及定位、尺寸、工裝、連接等工藝，而數字化裝配模式涉及數字量協(xié)調、數字化檢測、裝配路徑規(guī)劃等先進技術。傳統(tǒng)的裝配實驗教學難以滿足新興的數字化裝配的需求，而在虛擬現實技術的支持下，虛擬裝配實驗可以為學生提供相應的教學服務，讓學生充分感受到行業(yè)前景，便于與相關崗位無縫對接。

2.完善教學體系

航空發(fā)動機裝配實踐教學是航空發(fā)動機結構類課程的重要一環(huán)，在航空院校教學培養(yǎng)方案中有著重要地位。虛擬現實技術的引入使發(fā)動機裝配實驗課程的教學方式不再延續(xù)傳統(tǒng)的實地培訓教學，建立了以解決工程問題為目的的培養(yǎng)新模式。虛擬裝配教學平臺的教學、實驗、考核功能基本涵蓋了裝配實踐課程要求，可獨立開展實驗培訓，同時，與航空發(fā)動機結構類理論課程教學配套，形成“教、學、考”一體的教學體系，組成一整套航空發(fā)動機構造教學系統(tǒng)。未來，可在此平臺的基礎上繼續(xù)開發(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)動機綜合虛擬仿真平臺。

3.提高教學效率

虛擬現實技術的沉浸性、交互性、構想性對實驗教學課程是一種有力的支撐，對學生而言，最直觀的交互式教學有助于激發(fā)學習自主性，促進學習與探索能力的培養(yǎng)。與傳統(tǒng)的發(fā)動機裝配實驗教學相比，虛擬裝配教學平臺可以更好地完成教學演示并實施理論與實踐并重的教育方針，同時也可以擴展機械、控制等相關學科學生的學術視野，培養(yǎng)其投身航空航天領域的情懷。教學平臺的應用方便學生進行自主學習，不受教具、場地、時間的約束，增強實踐能力，最終提高教學質量與效率。

●總結

本文以產業(yè)需求為導向，推動教學方法面向工程技術人才培養(yǎng)改進，通過實驗研究性教學，虛擬現實技術的交互式、沉浸式體驗，加強學生對實驗教學知識的理解和掌握，使學生在教學安排或自行組織下通過虛擬教學平臺學習，掌握航空發(fā)動機知識，熟悉航空發(fā)動機裝配工藝。筆者對產學研合作背景下實驗教學進行的研究和實踐，構建了新的信息化教學模式，期望能更好地發(fā)揮實驗教學的功能，促進航空類復合型應用人才的培養(yǎng)。