飞机部件数字化装配虚拟仿真实验教学平台建设与实践

孙士平 胡 政 朱永国

（南昌航空大学航空制造工程学院 江西·南昌 330063）

为适应航空制造产业发展的需求，南昌航空大学飞行器制造工程专业以培养具有专业胜任能力和社会适应能力的创新应用型航空制造人才为目标，依托中央地方共建的航空先进制造实验中心，在“飞机装配工艺”课程中开设了“飞机数字化测量”“飞机柔性装配定位”“飞机数字化对接装配”“飞机装配接头孔精加工模拟”等装配实验，实现对学生飞机装配实践能力的培养。[1]但随着数字化、信息化技术在航空制造领域的深入应用，数字化实践能力培养日益重要，[2]现有实验条件在实现航空制造专业化数字化装配人才培养方面存在瓶颈：

第一，实验对象特殊。由于飞机部件数字化装配涉及大面积的装配场地、昂贵的数字化设备、大尺寸弱刚度复杂构型结构件和多人协作装配等因素，学生难以用真实的飞机部件做实验对象进行反复装配实践。[3]

第二，实验资源稀缺。正确规划飞机部件装配工艺并进行装配质量检测是实施飞机装配的关键环节，而现实中学生操作设备进行飞机部件装配、调整优化装配工艺过程、完成装配质量检测的资源设备稀少，且装配实验过程离散，缺乏系统化和完整性；同时，受专业广度、研究水平和技术条件的限制，飞机装配实验资源稀缺且共享程度低。[4]

第三，实验环境匮乏。学生专业化数字化装配能力的获得需要在真实或准真实的环境中进行大量实践，而航空企业飞机装配车间的生产管理机制与学校飞机装配实验的资源条件，在数量和质量上无法满足学生批量实验训练需求。[5]

为解决上述瓶颈问题，实现为国防航空和江西经济培养急需的航空数字化装配专业人才的目标，非常有必要整合飞机装配的理论教学与实验内容，坚持“学生中心、问题导向、实践探索”的实验教学理念，按照“虚实结合、以虚补实”原则，结合3D建模、动画、人机交互等信息数字技术构建飞机部件数字化装配虚拟仿真实验教学平台，并基于该平台开展实验教学，促进学生有效掌握飞机装配原理与工艺，培养学生获取数字化装配知识的学习能力和开展飞机数字化装配的实践能力。

1 虚拟仿真实验平台的构建与实施

1.1 实验建设内容

1.1.1 机翼壁板自动钻铆实验

机翼壁板自动钻铆实验，首先通过确定蒙皮材料和厚度，根据功能要求选择桁条截面及布局形式；其次，依次设定铆接孔的排距、孔径，并选择制孔刀具直径，铆钉型号，确定压铆力；最后规划机器人钻铆路径轨迹，完成蒙皮与桁条的钻孔和铆接。不同的工艺参数设计得到不同的装配铆接质量，不合适的装配工艺导致不合格的铆接质量，实验将铆接质量分为高可行、可行和不可行三种类别，分别对应三种装配工艺方案。学生通过计算工艺参数、分析铆接质量，熟悉工艺参数对装配质量的影响规律，进一步改进工艺以获得高可行的铆接质量，实现装配工艺知识的巩固、工艺设计与分析能力的提高。

1.1.2 机翼机身对接装配实验

机翼机身对接装配实验，首先考虑采用AGV小车将机翼部件、机身部件运送到装配场地，并将机翼、机身部件吊放在安装平台的调姿机构上，操作激光跟踪仪对机身部件、机翼部件进行测量，依据测量值解算出机翼、机身的当前位姿，并进行姿态调整；其次，根据对接装配工艺路径规划，移动机翼部件接近机身部件，运用激光跟踪仪检测对合部位间隙的大小、均匀性以及同轴度参数，并根据测量结果进行动态调整装配路径，完成机翼机身的对接；最后，对装配对合质量进行检测与评价，完成对接机构的连接固定。

1.2 实验教学目的

实验教学利用数字化装配的虚拟场景，引导学生熟悉飞机部件装配过程、正确制定装配工艺，在知识和能力方面达成以下目标：（1）理解数字化装配含义、原理与系统组成。（2）掌握飞机部件数字化装配的工艺方法。（3）能根据装配对象选择合适的装配工艺参数。（4）掌握飞机数字化装配过程中的数据传递及装配质量检验方法。（5）能够在教师指导下对装配质量异常现象进行分析，具有改进优化装配工艺方案的能力。

借助所构建虚拟仿真实验平台，通过数字化装配实验教学，达成以下实验教学目的：

激发学生学习兴趣。在虚拟仿真场景中，学生能直接察看装配场景的设备与零部件，通过交互操作，了解零部件的空间位置关系、钻铆装配设备的加工过程、机翼机身对接的空间位置变化。这种直观、实时和互动的特点不仅能激发学生实施数字化装配的兴趣，也有助于促进学生深入学习飞机装配工艺。

提升学生专业化能力。在虚拟仿真场景中，学生可以对机翼壁板或机翼机身对接的不同装配工艺进行反复操作，既能深化对已有理论的理解，又能获得飞机装配工艺规划的能力；学生可自由开展机翼壁板自动钻铆、机翼机身对接装配或两者结合的综合实验，这既能激发学生养成主动学习和反思改进的习惯，又能引导学生深化理论对实践的指导。借助虚拟实验训练，学生的专业化能力不断得到提升。

提高学生学习效率。平台为学生提供了泛在化的网络虚拟实验室和全天在线的“空中课堂”，学生可不受时空限制、随时随地进行实验，简化了实验准备、缩短了实验周期；平台考核评价功能让学生能及时得到实验结果反馈，促进快速发现并解决问题，从而提高学生学习效率。

1.3 实验教学方法

1.3.1 模型法

平台采用构建模型法来模拟飞机部件数字化装配场景，训练并评价学生在虚拟场景下进行的工艺设计与操作的可行性与规范性，以便学生在面对真实飞机部件装配时能够正确制定装配工艺和操控装配设备，培养学生专业化装配能力。

平台中的飞机机翼壁板、机翼机身装配模型来自飞机装配流程中的典型装配阶段，搭建的虚拟场景是以飞机部件装配车间、机翼机身对接装配车间为蓝本进行的全景建模；工装、测量设备和装配零部件也是以真实对象为参照建模。在第一视角下，学生不仅能够自由观察模型，而且能自主完成装配过程，进行交互式学习，不断提高工艺规划能力，夯实装配工艺理论。

1.3.2 案例法

平台为学生提供了规划装配工艺、实施装配并查验结果的实践检验理论机会。学生不仅可根据工装和零件组合形式进行装配工艺设计，还可以将装配工艺付诸实操，进行装配操控和装配质量检验，并接受实验考评，系统允许学生“试错”；系统记录实操过程，统计装配质量，并结合装配质量分析报告评价学生对装配工艺知识的理解与掌握程度；通过案例式实验，学生不仅能熟悉装配工艺过程，熟记工艺设计规范，还能分析异常的装配质量并进行工艺改进。

1.4 实验实施过程

沉浸式认知。学生进入虚拟数字化装配车间，直观形象、立体生动地体验、感知与领略飞机数字化装配物理环境的空间、布局、设备与部件；了解物理环境设备的配备规范、操作模式。学生通过虚拟场景巡游，理解数字化装配系统的组成与设备配置要求，掌握部件装配工艺与工装的匹配性准则。

交互式学习。进入实验项目，学生可根据实验内容查询浏览装配词典模块，学习实验设备、工装相关知识和零部件工艺规范；可针对实验内容要求、装配工艺规划、工艺参数计算等与线上教师进行互动；通过人机交互方式，实现边学习、边提高，不清楚不明白之处及时得到澄清。

体验式操作。进入实验项目，学生选择单项或综合性实验项目进行装配实验。两类实验均采用“自主设计”模式，学生根据所选择装配对象进行各类工艺参数设置，完成装配实验，系统自动记录实验过程，并根据工艺参数设置生成装配质量检测报告，学生可及时掌握所设计工艺的可行性。通过这种自主的体验式装配操作，训练学生装配工艺设计能力。

探索式改进。实验操作结束后，通过查看装配质量检测报告，学生可以分析装配质量数据，总结工艺参数的选择，提出工艺改进方案，完成实验结果分析填写，系统给出包括全部操作步骤和参数选择的完整实验报告。学生可根据实验报告评价结果，尝试改进工艺方案反复进行实验，探索创新装配工艺设计，不断深化理论的实践应用能力，激发创新能力。此外，在线下，学生可在实验中心的部件装配实验室采用模拟件进行机翼机身对接装配操作，教师对学生的实际操作进行点评，实现师生互动。

2 实验实施效果

2.1 提高人才培养质量

平台的开发突破了时间和空间限制，学生可以随时随地进行实验。同时，平台设有工艺知识词典供学生预习和实时查询。平台中对装配对象的反复试验，强化了学生的装配工艺设计能力。平台的应用提升了学生数字化设备使用和装配工艺规划能力的专业化。自2017年基于平台开展虚拟仿真实验教学以来，已有730余名学生完成了该实验项目。

2.2 提升教学效率

平台实现了高达百人的同时访问，既破除了航空厂面临的无法安排多批次、大批量学生进行实训的困境；也解决了学生不能用真飞机部件进行反复装配操作及实验耗时长的问题。借助平台，学生与装配虚拟场景、数字化设备和零部件实现互动，不仅能将装配理论应用于装配实验，而且能激发学生对飞机装配的兴趣，有效提升了教学效率。

2.3 降低教学成本

平台实现了学生在校园内参观和体验飞机部件数字化装配场景、装配过程，减少了往返航空企业进行实习实训成本，缩减了线下实验的预约和准备时间，节省了实验教学的器材购置与运营费用。

2.4 共享教学资源

平台通过互联网接入江西高校虚拟仿真实验教学共享服务平台，作为共享资源向社会开放。目前，该平台不仅支持本专业学生实验，也面向我校其他专业学生开展大范围的开放性实验。

3 结束语

根据飞机装配工艺专业实验教学特点，利用现代信息技术搭建了飞机部件数字化装配虚拟仿真实验教学平台。设计了飞机壁板自动铆接、飞机机翼机身对接实验模块构成的综合实验。通过改革实验教学方法从设备认知、基本操作和综合分析等方面对学生进行多方位考核，让学生更好地掌握飞机数字化装配工艺知识，增加了学生的学习兴趣，提升了学生解决复杂装配工艺规划问题的能力和工程创新能力。