王 江，文 韜，李向新

(長沙航空職業(yè)技術學院，湖南 長沙 410124)

現(xiàn)代飛機制造技術飛速發(fā)展的今天，各種數(shù)字化技術層出不窮，數(shù)字技術［1］在飛機維修行業(yè)也得以大量應用?，F(xiàn)代飛機的設計，制造，驗證均依托于計算機輔助數(shù)字技術?，F(xiàn)在飛機制造以全機數(shù)字化模型為飛機制造生產(chǎn)唯一的外型樣板和尺寸數(shù)據(jù)源。以飛機產(chǎn)品數(shù)字化模型為主線，貫穿整個飛機的產(chǎn)品生產(chǎn)管理周期。在航空制造中，產(chǎn)品生產(chǎn)周期管理的核心平臺就是CATIA?；诂F(xiàn)在的數(shù)字化維修技術，CATIA在教學模擬實訓中的應用［2］飛速發(fā)展，隨著CATIA在飛機維修中的應用也不斷深入，今后在飛機維修專業(yè)的教學當中也會大量涉及。數(shù)字仿真不但能輔助理論教學，而且可以完善和豐富數(shù)字化實訓中心的課程。

1 CATIA模擬實訓系統(tǒng)簡介

CATIA是由法國達索公司面向航空和航天工業(yè)開發(fā)的3D CAD/CAM/CAE集成系統(tǒng)軟件。CATIA源于航空航天業(yè)，其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。波音飛機公司使用CATIA完成了整個波音777的電子裝配，創(chuàng)造了業(yè)界的一個奇跡，從而也確定了 CATIA在CAD/CAE/CAM行業(yè)內的領先地位。

CATIA采用特征造型和參數(shù)化造型技術可以精確地建立、修改與分析3D幾何模型;具有超強的曲面造型功能，其曲面造型功能包含了高級曲面設計和自由外形設計，用于三維的零件和約束的機械裝配件，自動地對零件間的連接進行定義，便于對運動機構進行早期分析，方便了飛機部附件的裝配，后續(xù)應用則可利用此模型進行進一步的設計維修流程與維修操作仿真。

2 傳統(tǒng)飛機維修專業(yè)實訓存在的問題

飛機維修專業(yè)實訓是飛機維修專業(yè)理實一體化課程的一部分，是培養(yǎng)一個飛機維修高端技能型人才的必要環(huán)節(jié)。其主要課程目標是使學生熟悉飛機的構造與系統(tǒng)工作原理，了解飛機典型附件修理的方法與要求，熟悉各種工具和設備的使用與維護知識，掌握飛機維修的基本技能與方法，培養(yǎng)學生從事飛機修理，分析問題、解決問題的能力及學生工程實踐的能力。飛機維修專業(yè)實訓是認識飛機構造與系統(tǒng)，是裝配技術理論課程的實踐和應用。傳統(tǒng)的教學采用理實一體化雖取得了較好的教學效果，但仍然存在一些問題:

(1)飛機維修工位和實訓載體數(shù)量有限很難滿足全體學生獨立實訓的要求。

(2)飛機結構復雜，附件門類多樣，維修項目多，因此僅限于開展典型飛機結構及附件的實訓項目，實訓開展的范圍受限，很難讓學生對飛機系統(tǒng)有整體的概念。

(3)飛機維修實訓中使用的清洗劑易燃，使用的飛機實訓載體較大這都妨礙了實訓的深入開展。

(4)實訓時拆裝過程均會對飛機載體造成損耗，限制了實訓的操作次數(shù)。而飛機結構復雜，附件多樣，有限的操作次數(shù)不能讓學生牢記實訓步驟，對操作的工作原理理解不深。

(5)傳統(tǒng)的飛機維修一體化實訓操作工卡多，操作過程記錄量大，考核方式單一，缺乏一個科學、高效、規(guī)范的學生實訓記錄及評價體系。針對學生的個人評價依據(jù)整組的表現(xiàn)和印象，缺少客觀的判斷依據(jù)。

針對以上問題加入CATIA模擬實訓環(huán)節(jié)后能得到很好的解決。

3 仿真模擬實訓體系的搭建

3.1 CATIA模擬實訓仿真系統(tǒng)的指導思想

通過CATIA完成飛機維修實訓載體的零件實體造型。在CATIA虛擬仿真系統(tǒng)環(huán)境下完成飛機結構與系統(tǒng)的數(shù)字化模型，以飛機部附件零件數(shù)字模型完成飛機的分解裝配仿真。將飛機的數(shù)字化模型，裝配數(shù)模，裝配記錄文檔以及過程演示視頻等做成壓縮實訓包。通過實訓數(shù)據(jù)包對飛機維修實訓課程進行整合完成模塊化，構建完整系列化的系統(tǒng)仿真實訓方案和考核評價體系。

3.2 仿真實訓包的應用

課程演示:仿真實訓包不但用于飛機實訓教學，還可擴展到《飛機空氣動力學》、《飛機結構與系統(tǒng)》、《飛機裝配與調試》和《直升機構造與系統(tǒng)》等理論課程的教學中，豐富這些課程的輔助教學手段，增加趣味性。能夠很便利地演示飛行原理，展示飛機真實結構，不再受教學場地的限制。

實訓運用:飛機維修實訓教學中，教師先將實訓的操作工卡，零件的數(shù)模，裝配模型，分解裝配過程視頻放入實訓包。學生根據(jù)實訓包要求進行仿真實訓操作，保存其仿真分解裝配文件和過程視頻，填寫實訓工卡，最后以數(shù)據(jù)包的形式提交實訓操作結果。

圖1 飛機虛擬數(shù)字化數(shù)據(jù)包

目前，航空維修專業(yè)的實訓模式主要以理實一體化為主。分為理論講授，操作演示，學生實訓，教師點評等步驟。課堂教學過程借助多媒體演示，方式陳舊。而采用CATIA模型模擬實訓系統(tǒng)［3］是充分吸收了上述實訓模式的精華，從系統(tǒng)的角度出發(fā)提升實訓的系統(tǒng)性。學生操作步驟，操作過程全程記錄，整個模擬實訓幾乎再現(xiàn)了工廠維修現(xiàn)場和操作步驟。包括實訓工卡的填寫在內的模擬修理的真實維修環(huán)境，包含飛機修理的各個環(huán)節(jié)。讓學生通過模擬了解企業(yè)維修的場景，達到迅速上崗的目的，進一步實現(xiàn)教學與產(chǎn)業(yè)對接。

平臺的建立主要是實訓載體的數(shù)字化，分為:實訓載體外部尺寸測量以及分解之后各零件尺寸的測量(如圖2)，實訓零件參數(shù)化和系列化，零件分解，裝配，生成爆炸視圖，裝配和分解過程逐幀記錄。

圖2 飛機附件CATIA仿真實訓方案

3.3 某型飛機機翼結構模擬裝配中的運用實例

(1)CATIA零件實體造型

打開CATIA v5軟件進入造型設計模塊如圖3。

圖3 零件設計菜單

圖4 裝配菜單

根據(jù)前期測量參數(shù)進入草圖，約束好尺寸之后生成零件實體。為取得較好的效果，對實體填充材料渲染等操作后得到零件，如圖5、6、7這里只列舉了主要零件。按裝配的順序對零件進行編號保存。

圖5 參數(shù)化翼肋

圖6 參數(shù)化翼梁

圖7 蒙皮

CATIA的造型是尺寸驅動的，便于系列化和參數(shù)化(如圖8)。對于系列化零件比如螺栓，鉚釘，根據(jù)尺寸制成Excel表格導入到CATIA參數(shù)當中就能生成系列化的零件，簡單高效。針對飛機零件中的復雜曲面CATIA也提供了強大的曲面造型功能。

圖8 參數(shù)化

(2)飛機附件零件的裝配過程。

首先零件的裝配必須要在CATIA的裝配模塊中完成(圖4)，最后完成總裝圖(圖9)。每個操作步驟，零件在裝配過程中的順序、路徑都通過軟件記錄以視頻樣本的形式保存。CATIA裝配需要按照位置約束來實現(xiàn)，平面與平面的配合按照約束關系，在裝配完成之后形成文本參數(shù)以文檔形式保存。

圖9 裝配約束

記錄整個裝配過程，采用分布記錄方式。一般采用第三方軟件屏幕錄像專家或CATIA自帶視頻記錄功能輸出，后者占用軟件資源影響操作，但記錄詳實，如圖10所示。

圖10 錄制過程視頻

分解之后形成爆炸視圖，爆炸視圖可根據(jù)個人習慣自行調整零件位置。最后輸出裝配過程視頻文件，最常用的是avi格式。所有在分解和裝配過程中錄制的視頻和產(chǎn)生的文件都是用來做為實訓操作考核的依據(jù)。

4 CATIA在飛機實訓教學中的意義

(1)實現(xiàn)簡單，可移植性強。利用操作實訓的機房安裝CATIA V5軟件實現(xiàn)硬件平臺的搭建。在實訓包方面可以選擇獨立造型創(chuàng)建也可由航空企業(yè)引進。中航工業(yè)制造過程中已有飛機整體數(shù)字化樣機。CATIA的3D模型不但可以用于飛機維修實訓理實教學活動中，也可用于飛機結構實驗［4］實訓的動態(tài)演示，實現(xiàn)從理論課堂到實踐操作的無縫對接。操作過程的視頻可用于對維修步驟操作的考核依據(jù)。

(2)通用擴展性強，更新速度快。實訓載體都是軟件模型，收集相關參數(shù)即可創(chuàng)建更新速度快。CATIA平臺也是中航工業(yè)實現(xiàn)飛機全機數(shù)字化制造的平臺。實現(xiàn)飛機維修實訓教學的仿真數(shù)字化就能與飛機裝配工裝數(shù)字化制造［5］對接，更好的服務航空產(chǎn)業(yè)。

(3)仿真實訓不能取代真實的實訓操作，但它能使實踐操作效率更高，減少對實訓耗材的不必要的讓費，節(jié)約實訓成本。它的加入增強了實訓的多樣性和趣味，豐富了我們的想像空間。對于現(xiàn)在部分實訓課程仍然缺乏真實實訓載體和實訓設施的前提下，仿真實訓就變成了唯一的實現(xiàn)方式。

(4)飛機維修是航空工業(yè)的下游產(chǎn)業(yè)，只有實現(xiàn)飛機維修人才培養(yǎng)教學方式的軟件數(shù)字化才能融入到飛機的整個產(chǎn)業(yè)鏈中，最終實現(xiàn)我們的航空強國夢。

［1］劉斌，蔡海鵬.數(shù)字化航空維修體系構想［J］.長沙航空職業(yè)技術學院學報，2012，(1).

［2］郝國森，陳領會，李瑞彩，等.3D模擬實訓系統(tǒng)在物流實訓教學中的應用［J］.中國市場，2007，(45).

［3］曹俊生.基于CATIA/CAA的飛機結構虛擬裝配信息模型［D］.南京:南京航空航天大學，2005.

［4］巴塔西，法洋洋，于哲峰，等.基于CATIA的飛機結構試驗加載杠桿系統(tǒng)參數(shù)化建模方法［J］.實驗室研究與探索，2012，(2).

［5］張平.基于CATIA的裝配工裝數(shù)字化設計制造技術［J］.航空標準化與質量，2003，(6).