航空维修线上实训课程的设计与实践＊

薛爱军

（山东交通学院航空学院，山东 济南 250300）

目前，国内许多院校已经开展了航空虚拟仿真的教学实践和研究。张青等[4]针对航空发动机机型和发动机装配与修理课程实验教学，探讨了仿真实验实践教学模式，构建了基于Cortona3D航空发动机虚拟装配培训实验平台；张艳星等[5]采用C#搭建了飞机机电设备维修实训平台，采用MATLAB、LabView和SQL Server数据库建立技术资料库，采用多媒体动画展示系统工作原理；陈聪等[6]采用Matlab/Simulink软件建立B737和A320飞机常用系统模型，Authorware或Flash等搭建用户界面建立实践教学平台；陈炯[7]、许贝[8]也提出了基于虚拟现实技术的教学改革思路。在航空机务维修工作中，许多研究人员也对虚拟仿真进行了探索。何超[9]以Cortona3D为基础开发了一套上位锁虚拟维护系统，通过MAYA和Rapid Learning模块创建交互式Web程序；王杰坤等[10]使用CATIA软件构建CFM56-7B发动机高压压气机的三维虚拟模型，应用Cortona3D中的Rapid Learning以及VRML、Java、HTML、JavaScript等多种技术，建立高压压气机三维模型，实现对发动机的虚拟维护和考核；谭凌等[11]参考AMM手册等与维修相关的材料，采用UG建立发动机模型并导入到Cortona软件中，对此模型进行相应的拆装仿真以及二次开发等操作。

经过认真的调研分析，发现目前针对高等学校航空类专业的航空维修线上教学的研究还很少。为了提高航空维修实训的教学效果，设计了飞机维修基本技能线上实训课程，规划了虚拟维修的流程，按照飞机维修手册中的步骤逐步引导学生，建立电子工卡，在三维虚拟环境下进行设计维修操作，完成相关飞机零部件的虚拟维修过程。经过在学生实训中的实际应用，发现将虚拟维修技术科学合理地融入实训中，对于推动整个航空维修类实训教学改革具有重要的实践意义。

1 飞机维修手册和工卡管理系统及虚拟开发实训平台

目前，一般飞机维修基本技能实训教学包括2个主要部分：①相关维修手册的使用和工卡的编制，使用的手册主要包括飞机维护手册（AMM）、图解零件手册（IPC）；②基本实训项目，主要包括零部件拆装、紧固件保险、管路施工等。实训中，学生按照实训项目内容，首先查询手册，熟悉飞机的基本结构和零部件详细信息，学习飞机相关维护的基本步骤；然后根据手册的内容，编制实训工卡；最后进行飞机零部件的拆装、紧固件保险及管路施工练习等项目的实操。

线上实训课程的设计应既能保证学生掌握飞机手册的使用，又能够掌握实训项目的操作，因此，飞机维修手册和工卡管理系统及虚拟开发实训平台的设计和选用至关重要。

1.1 飞机维修手册和工卡管理系统

飞机维修基本技能培训主要使用的手册是飞机维护手册（AMM）和飞机图解零件手册（IPC）。飞机维护手册（AMM）是飞机维修、维护工作的重要参考依据[12]。实训中的所有项目的操作均需按照手册中的规定步骤进行。图解零件手册（IPC）给出了零部件装配图及详细零件清单，标注出了各个零部件的件号、备件信息、生产厂商、技术规范、使用数量、位置、有效性等[12]。实训中的维修零部件的三维建模的重要参考就是IPC手册。

工卡是指导飞机维修、维护工作的重要的工艺技术文件，它以表格的形式进行表达，维修人员在工作时必须随身携带，并严格按照工卡中规定的顺序、内容、要求，逐项进行施工和签署[13]。因此，对工卡的制作和使用是飞机维修基本技能培训的重要内容。

当前航空类院校的飞机维修手册大部分为电子版的PDF文件，由于手册的编制遵循ATA100规范，所以每种手册均包含几十个文件，学生查阅手册时工作量较大；另外，大部分院校学生在工卡的编制过程仍采用单个文件的手工输入生成，不利于统一管理。因此，编写了B/S结构的飞机维修手册和工卡管理系统供学生使用，以便加快学生查阅手册获取信息的速度，快速进行工卡的编制、查询和管理。

开展不动产登记“一窗受理”平台整合对接工作的思考（黄炎等） .............................................................11-38

1.2 Cortona3D虚拟开发实训平台

Cortona3D系列产品是基于3D模型的交互式技术文档创建系统，可以快速创建3D交互式的技术文档，并支持航空标准ATA100规范和最新的S1000D国际规范，已经被包括波音和空客在内的很多大型航空制造业公司所采用[14]。Rapid Manual和Rapid Catalog是Cortona3D系列产品中的2个重要软件。Rapid Manual可以快速创建数字化交互产品维护和操作手册，用三维动画的形式展示装配和拆装过程，使用此软件，即可以动画的形式实施实训中维修项目；Rapid Catalog可以快速创建数字化的交互零部件管理库，用爆炸图的方式展示各零部件之间的连接关系，可以在交互环境中随意查看、展示任何组件。

2 线上课程的设计及开发

2.1 飞机维修基本技能线上实训项目的选定

飞机维修基本技能实训与生产维修实际存在密切的联系，其中零部件的拆装是实际维修过程中最经常发生的，因此实训选择飞机典型零部件结构的拆装作为主要项目；另外，为增强学生的积极性和创造性，部分案例由学生自主根据企业案例自行设计，提高了学生的学习主动性，使学生在解决实际问题的过程中掌握了维修、维护的基本要求和重点内容，综合运用知识的能力得到了极大的提高。

2.2 飞机维修手册和工卡管理系统的使用

2.2.1 查阅AMM手册确定维修维护步骤

根据维修维护项目，结合ATA100规范，确定此项目所在的章节目，在飞机维修手册和工卡管理系统AMM手册中，根据主题内容与页码块的分类查找所需要的资料，其中零部件的拆除/安装或解除/恢复位于页码段401～499，严格记录手册中的具体步骤，此步骤将作为后续的虚拟仿真环节中实操的执行步骤，并将填入电子工卡内。

2.2.2 查阅IPC手册确定零部件信息

根据AMM中确定的章节目，在飞机维修手册和工卡管理系统IPC手册中，根据示意图查找维修维护步骤中出现的主要零部件，然后在零件清单中记录主要零部件的信息，为后续的电子IPC的制作提供原始资料。

2.2.3 电子工卡的开具

根据实训的要求，进入飞机维修手册和工卡管理系统的工卡页面，填写相关工卡信息，主要是将在AMM手册中查询到的操作步骤等关键信息进行输入。工卡输入完成后，可以生成PDF格式的电子版工卡，在模拟维修维护中可以使用工卡签署功能，进行逐项施工和签署。

2.3 相关零部件结构的三维建模

学生在确定了维修、维护项目后，参照IPC手册中的装配图和零件图及其他的资料，确定零部件的结构尺寸，然后，使用三维建模软件Pro/E进行零部件结构的三维建模，为下一步的虚拟仿真提供基础模型。

2.4 使用Cortona3D软件进行虚拟维修设计

利用虚拟现实软件Cortona3D中的Rapid Manual和Rapid Catalog模块进行飞机维修维护实训项目的三维模拟。Rapid Manual模块对应飞机维修手册AMM，Rapid Catalog模块对应飞机图解零件手册IPC；通过Rapid Manual模块，根据维修项目，参照AMM手册，生成三维维修的动画演示，同时配以文字步骤说明，以生动形象的形式演示零部件结构的维修过程，加深学生对维修理论和实践的理解；通过Rapid Catalog模块，根据所维修的飞机结构，参照飞机IPC手册，生成电子IPC手册，学生可以更加直观地了解飞机的零部件结构及详细信息[15]。

2.5 虚拟维修结果的发布

三维维修程序和三维电子零件图解手册制作完成后，收录到交互式电子技术手册中，可以发布成html格式和PDF两种格式的文件；用户既可以通过网页的形式浏览html格式的动画程序，又可在PDF阅读器上以3D交互式的方式阅读文字和动画结合的PDF文件。飞机维修基本技能线上实训的设计流程如图1所示。

图1 线上实训课程的设计流程

3 实训课程的应用实例及效果

在飞行器制造工程专业学生的飞机维修基本技能实训中，结合飞机维修手册和工卡管理系统以及Rapid Manual和Rapid Catalog软件，将线下的部分维修实训项目改为线上进行，学生以小组的形式，分别完成不同的三维维修项目的设计。

某小组的训练项目为某波音737-800飞机航空发动机吊舱支柱上部连接件的拆装及其电子图解零件手册的设计，下面以此为例来进行介绍。根据ATA100规范，此项目所涉及到的手册的章节目位于54-51-03。

3.1 IPC相关章节的查阅参考

进入飞机维修手册和工卡管理系统，查找IPC手册的54-51-03，可以得到零件图和零件详细信息。从图中，可以详细了解零件的相对安装位置、零件的件号及零件的详细说明。以此为参考，并根据实际的零件进行零件的三维建模。

3.2 AMM相关章节的查阅参考

进入飞机维修手册和工卡管理系统，查找AMM手册的54-51-03支柱上部连接件的详细拆装步骤和示意图。这些拆装步骤将作为动作的描述添加到后续的虚拟维修制作过程中。

3.3 制作电子工卡

进入飞机维修手册和工卡管理系统，进入工卡管理界面，如图2所示，填写相关信息和操作步骤，生成如图3所示的电子工卡。在系统中可对工卡进行添加、删除、修改、打印、签署等操作。

图2 工卡管理界面

图3 电子工卡

3.4 维修零部件的Pro/E三维建模

根据维修零部件的IPC信息，并查找相关飞机的资料，获得发动机支柱上部连接件的真实尺寸，并参考IPC中的零件装配图，在Pro/E软件中绘制零件的三维模型，如图4所示。

图4 上连接件三维模型图

3.5 Cortona Rapid3D Manual中生成电子维修手册

首先，将Pro/E中生成的三维模型导入到Rapid3D Manual中，按照工卡中的操作步骤，在程序编辑器中为零件添加动作；然后，在3D视窗中对3D仿真进行检测，并将动作对应的AMM的拆装步骤作为程序注释添加到3D仿真文件中；最后，将生成的三维电子手册进行发布，生成html文件，可以通过浏览器在远程进行浏览。同时，还可以发布成为3D PDF文件，在PDF阅读器中可以阅读配合有三维动画的文字信息。图5为在浏览器上的三维维修手册的示意图，浏览器界面的左边为维修操作的步骤，右边为步骤的动画演示。

图5 浏览器上的三维维修拆装动画图

3.6 Cortona Rapid3D Catalog中生成电子零件图解手册

首先，将Pro/E中生成的三维模型导入到Rapid3D Catalog中，参照IPC中的零件的详细信息，填写DPL（Detail Part List细节零件表单）表单，这是一个所见即所得的编辑器；创建完成DPL表后，然后选择需要爆炸的零件，建立爆炸图；最后，将生成的电子零件图解手册进行发布，生成html文件，可以通过浏览器在远程进行浏览，如图6所示。同时，还可以发布成为3D PDF文件，在PDF阅读器中阅读配合有三维动画的文字信息。

图6 浏览器中的电子零件图解手册

制作电子工卡，完成三维电子维修手册和电子零件图解手册的制作，学生即完成了飞机维修基本技能的线上训练。在此过程中，学生通过在飞机维修手册和工卡管理系统软件中查阅飞机维护手册（AMM）和图解零件手册（IPC），生成电子工卡，掌握了维护部件结构的详细信息和拆装的基本步骤，通过Pro/E软件对维护部件的三维建模，更加加深了对所维护部件的认识，最后通过从Cortona3D软件中对维护部件的虚拟仿真拆装，完全掌握了此飞机部件的维护项目的内容，达到了线下实训的目的。

4 结束语

通过自主开发的B/S结构的飞机维修手册和工卡管理系统软件、Pro/E三维建模软件以及Cortona3D虚拟仿真软件，实现了飞机维修基本技能的线上实训；学生通过在软件系统中查阅AMM和IPC手册生成电子工卡，掌握了飞机维护维修的步骤和相关零部件的详细装配信息，并使用Pro/E进行相关零部件的三维建模；然后，将其导入Cortona 3D系列的Rapid Manual中，进行零部件拆装维修维护的虚拟仿真，导出html文件或3D PDF文件进行发布；最后，将模型导入Rapid Catalog中，进行零部件的电子IPC的制作，导出html文件和3D PDF文件；最终的html文件都可以发布到网上，供用户学习、浏览使用。此线上实训作为线下实训项目强有力的补充资源，完全可以满足部分线下实训项目的需求。