高校飞行器制造工程专业的综合实验课程教学研究

闫光荣， 程 伟， 宁 涛

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

高校飞行器制造工程专业的综合实验课程教学研究

闫光荣， 程 伟， 宁 涛

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

针对高校飞行器制造工程专业的综合实验课程教学，论文提出了设置飞机数字化设计制造一体化技术实验、飞机钣金精密塑性热成形工艺教学实验、飞机数字化柔性装配教学实验及飞机复合材料构件设计制造一体化技术等四大实验系列共14个实验的教学设想。这些实验既涉及传统的飞机制造工艺，也包括最新的飞机研制信息化手段。完成上述实验可提高本专业学生的动手能力，加深对飞行器产品制造过程各项知识点的理解。

飞行器制造工程；专业综合实验；课程；教学改革

从飞机制造百年历史可以得出结论：人类在制造领域取得的新技术、新工艺和新方法成果，都会被积极地应用到飞机制造过程中去[1]。作为培养我国航空航天制造骨干人才的高校飞行器制造工程专业，承担着培养高水平毕业生的重要责任[2]。随着航空产品复杂程度的提高及高新制造技术的发展，航空企业对人才的知识层次和实践能力的需求也在不断的提升，越来越需要学生具有更全的专业知识和更强的实践动手能力。

飞行器制造工程专业的综合实验课教学是提高学生动手能力的有效途径。通过综合实验课，不仅可以让学生熟悉航空制造环节中的一些传统工艺的流程，而且可以了解当前最新的制造技术和工程方法，促进学生理论知识和实践能力的有机融合。

近年来，依托国防重点学科、特色专业、“211工程”、“985工程”等学科建设，高校飞行器制造工程专业加大了对本科生教学和实践设施的投入，购置了一大批高精的软硬件设备。但本科生的专业综合实验课却未充分利用上述有利条件，仍集中在 CAD造型[3]、板料拉伸等少数传统实验上，满足不了航空制造企业对本专业毕业生的期待。因此，承担培养本专业学生动手能力的综合实验课程急需充实、完善，以适应制造技术的最新发展。

1 本课程的设计

专业综合实验课程的内容设计应基本涵盖航空产品制造活动的主要过程。但因课程学时及实验设备等条件限制，只能采用以点带面的独立实验模式实施本课程教学。当前，采用 CAD、CAPP、CAM、PDM等软件支持航空产品的制造过程已十分普及，且其技术仍在发展并持续深刻改善着航空产品的制造过程；飞机钣金精密塑性热成形是航空产品普遍采用的制造工艺；装配在飞机制造过程中占有极其重要的位置，其工作量约占全机工作量的一半；飞机产品中已广泛使用复合材料，其制造工艺十分重要。因此，专业综合实验课程设计至少要覆盖以上4个方面内容。为此，本课程设置4大实验系列：飞机数字化设计制造一体化技术、飞机钣金精密塑性热成形工艺、飞机数字化装配、飞机复合材料构件设计制造。针对每个实验系列，设计若干个独立的实验来覆盖该系列的知识点。下面详述4个实验系列的独立实验设计。

（1） 飞机数字化设计制造一体化技术实验

本系列实验的目的是让学生了解数字化测量、几何重构的工具和技术，掌握CAD造型的基本技能，熟悉数控加工的方法和步骤，了解CAD软件的二次开发技术，因此，本系列设计5个独立实验。

实验 1 产品零件的数字化测量和逆向重构。使用三坐标激光测量机测量待测零件，获得零件的外形点云数据。然后将点云数据导入到CAD软件中，对其进行拟合并建立零件的CAD模型。通过实验，学生应掌握逆向工程设计的基本方法和工具。

实验2 产品零件的曲线、曲面、实体、参数化特征造型。采用市面上流行的CAD软件进行某个零件的造型，如ARJ21-800型飞机的8号框。通过建立曲线、曲面和参数化特征实体，掌握基本曲线和NURBS曲线的概念，学会基本曲面（直纹面、旋转面、扫描面等）和高级曲面（过渡面、放样面、导动面、补洞面等）的造型方法，理解参数化实体造型的概念，学会用特征造型方法完成零件的造型。掌握用曲面和实体混合建模的方法。

实验3 产品零件的加工工艺编制、刀具轨迹生成与后置处理。在完成产品零件建模的基础上，根据指定数控机床的性能数据对零件模型安排从粗加工、半精加工、精加工到补加工的加工工艺路线，并利用CAM软件计算生成数控加工的走刀轨迹。通过模拟仿真和机床后置处理，自动生成数控加工的G、M、F代码。

实验 4 自己操作数控机床进行产品的数控加工。将生成好的加工代码利用DNC软件在线传输或使用媒体介质（如U盘、软盘等）传输给数控机床进行数控加工。学会开机、对刀、机床坐标系和编程坐标系的匹配、冷却液设置、手动控制机床等操作，理解数控加工精度、产品表面质量与机床加工用量的关系。

实验 5 CAD软件环境下的二次开发。利用AutoCAD或CAXA电子图板提供的二次开发工具编制插件程序，实现对软件系统的功能扩展、计算、交互等操作，以此了解CAD软件二次开发的技术和方法。

（2） 飞机钣金精密塑性热成形工艺实验

本系列实验的目的是让学生掌握钣金成形的原理和方法。了解金属薄板弯曲试验方法，推导弯曲角度与凸模位移的关系公式；认识钣料拉弯的成型过程与规律；利用CAE完成复杂钣金零件的设计的工程分析，优化成型工艺过程；了解飞机钣金件数控拉弯成型。学会钣金材料在简单应力状态下和复杂应力状态下的成型性能参数测试、分析和评估方法。本系列设计4个独立实验：

实验1 金属薄板弯曲。采用一系列具有不同底部弧面半径的凸模，将式样按照规定的弯曲角成型后，检查其变形区外侧表面不产生裂纹或显著凹陷时的最小相对弯曲半径作为金属薄板的弯曲性能指标。

实验 2 板材拉弯回弹及各因素影响效应分析。针对板材（宽板与窄板）拉弯回弹问题，采用拉弯成形数值分析应用程序，研究回弹因素的影响效应，分析拉弯工艺及应力分布对回弹的影响。分析影响拉弯回弹的主要因素。包括材料性能，几何尺寸，拉伸量等。

实验3 数控蒙皮多点拉形。采用蒙皮拉形设计系统设计模面、生成钉高、设计毛料尺寸、生成拉形轨迹；利用钉高数据输入多点模控制软件，实现模具的调形，并在模具上放置垫层。剪板机下料之后，在毛料上刻上等距线，然后将毛料夹入夹钳，将拉形轨迹输入机床控制软件，实现数控拉形。拉形完后，卸载零件，测量零件上等距线距离，得到零件应变分布。将零件放置在柔性夹具上，采用非接触光学测量平台测量其外形。采用有限元软件模拟上述拉形过程，比较模拟结果与测量结果（应变和回弹）。

实验4 板材冲压实验。设计毛料形状、压边力或间隙、模具行程。采用剪板机或线切割下料，并在毛料上印刷网格。放置毛料、将设计的压边力、模具行程输入压力机控制软件，进行冲压。采用网格自动测量软件测量零件应变分布。最后采用有限元软件模拟上述冲压过程，比较模拟结果与测量结果。

（3） 飞机数字化柔性装配实验

本系列实验的目的是让学生了解数字化装配的共性技术：基于约束的计算机虚拟装配原理、装配的干涉和间隙分析；了解铆接实验方法；了解基于激光跟踪仪的装配测量技术。本系列共设计3个实验：

实验1 铆接实验。通过介绍和参观实际铆接装配件、多种铆钉和铆枪，并实际操作体会铆接装配过程，使学生了解和掌握现代飞机制造中铆接装配过程、铆接装配工艺和各种铆接方式之间的差异。

实验 2 基于多台激光跟踪仪的数字化装配的全域测量实验。通过多台数字化测量仪器激光跟踪仪完成装配型架的安装，使学生掌握现代飞机制造中数字化测量方式进行飞机装配型架的安装等先进技术，了解飞机装配型架的数字化装配过程。

实验3 数字化装配仿真实验。在数字化环境中，从可视的角度检测产品的可装配性，生动直观地进行产品虚拟装配，提供装配顺序规划及评价，装配序列检查，动态仿真零、部件的实际装配过程，发现装配过程零部件间的干涉问题。

（4） 飞机复合材料构件设计制造一体化技术实验

本系列实验的目的是让学生了解胶接技术的特点，熟悉胶接实验过程，测试铝合金板材单搭试件强度，分析单搭试件厚度对胶接强度的影响并比较不同表面处理方法对胶接强度的影响。本系列共设计2个实验：

实验1 单搭试件的数值模拟实验。分别使用不同的表面处理方法进行试验，对实验数据进行处理，得到接头强度。比较不同的表面处理方法对胶接接头强度的影响。比较胶接接头强度与试件铝板机体强度的大小。

实验2 单搭试件的物理实验。对单搭接头建立有限元计算模型并对对单搭接头进行应力应变分析；建立试件厚度与胶层最大应力关系曲线；分析试件厚度对接头强度影响。

2 教学方法

本课程的教学一般安排在大学四年级上学期进行，共 80个学时，以学生实验操作为主，教师课堂讲授为辅的方式授课。可将学生分成若干个小组，每组约4～5人，采取单个实验并行、小组整体轮换方法进行实验操作。每个小组分配到单个系列实验的时间为 20个学时。课堂讲授与实验操作的时间比为1：5，即留出大量时间让学生充分完成实验。

课程考核工作通常由学生讲述、实验演示和问题答辩3个部分组成。学生在答辩之前完成实验报告编写以及答辩讲义的准备工作。

（1） 个人讲述 每位学生完整描述实验过程和成果，总结课程收获点以及实验操作中出现的问题。

（2） 实验演示 有涉及软件编程的实验部分，在教师提供的演示机上演示软件功能并展示各功能对应的程序代码。数控加工、板料拉弯等实验可展示加工好的零件实物。

（3） 问题答辩 针对每位学生个人表述的不同，教师提出一些有关设计、实验、代码以及功能等相关问题，以确定学生对实验知识点的掌握程度。

3 结 论

本文针对高校飞行器制造工程专业的综合实验课程的教改设想，已在北航飞行器制造工程系2010级大四学生中尝试运行。将全班26位学生分为4组，每组仅做两个系列实验。从学生的实验时间安排以及运行效果看，我们认为，完全可以实现学生自己动手做3组实验、观摩1组实验的教学设想。

综上所述，本文设计的飞行器制造工程专业的综合实验课程教学设想，包括4大实验系列共14个独立实验，既涵盖传统的制造工艺，又涉及较新的制造信息化方法。课程设置的目的是让学生尽可能多的掌握航空航天制造过程的相关工艺和方法，为毕业后从事航空航天产品的制造打下基础。

[1] 丁娜仁花. 浅谈飞机先进制造技术的应用和发展[J].中国高新技术企业, 2009, (9): 25-26.

[2] 席 平, 王晚霞, 程 伟, 等. 三维 CAD实验课程体系建设[J]. 工程图学学报, 2009, 30(2): 133-138.

[3] 徐 岩. 关于飞行器制造工程专业“模具CAD/CAM”教学的思路[J]. 南昌高专学报, 2007, (1): 65-66.

Education reform of comprehensive experiment course for aircraft manufacturing engineering specialty in universities

Yan Guangrong, Cheng Wei, Ning Tao
( School of Mechanical Engineering & Automation, Beihang University, Beijing 100191, China )

An education reform program of comprehensive experiment course for aircraft manufacturing engineering specialty is presented in this paper. This program includes 14 independent experiments which belong to four technologies series. The four technologies series include the aircraft digital design and manufacturing method, metal sheet hot forming way, digital flexible assembly technique and composite material component design and manufacturing method. These experiments involve not only traditional aircraft manufacturing process, but also latest information technology in the aircraft development. It can promote the undergraduate’s ability of action and understanding of the specialty knowledge when they finish all the experiments.

aircraft manufacturing engineering; comprehensive experiment; course; education reform

G 642.0

A

2095-302X (2012)04-0147-04

2011-12-26

闫光荣（1969-），男，重庆忠县人，副教授，博士，主要研究方向为CAD/CAM/PLM。