三維CAD技術(shù)在921-3模裝中的應(yīng)用

陳月根

中國的載人航天工程經(jīng)歷了30年的發(fā)展，跨越了載人飛船-空間實(shí)驗(yàn)室-空間站三個(gè)臺(tái)階，走出了一條中國特色的載人航天之路，同時(shí)培育了特別能吃苦、特別能戰(zhàn)斗、特別能攻關(guān)、特別能奉獻(xiàn)的載人航天精神。本文回顧了921-3工程初期，五〇一部四室、六室和十室協(xié)同攻關(guān)，完成飛船CAD模裝的情況。

CAD模裝國際上稱為DMU，這是1990年后才出現(xiàn)的新詞。1994年5月，神舟飛船研制進(jìn)入模裝階段，上級(jí)就要求實(shí)物模裝和三維CAD模裝同步進(jìn)行。計(jì)劃用半年時(shí)間完成神舟飛船三艙一段(返回艙、軌道艙、推進(jìn)艙和過渡段)和整船的數(shù)字化模裝(含管路、電纜布局)。標(biāo)志是：完成飛船各艙段及整船的布局圖輸出；完成管路、電纜長(zhǎng)度計(jì)算及神舟飛船質(zhì)量特性分析輸出；制作過程錄像一部。面對(duì)任務(wù)要求，大家既信心滿滿，又忐忑不安，畢竟是五院歷史上的第一次。

1 欲善其事，先利其器

數(shù)字化模裝涉及五〇一部四室(飛船總體)、六室(結(jié)構(gòu))和十室(CAD)3個(gè)研究室20多人協(xié)同工作。開展工作的前提是建立一個(gè)能滿足多人協(xié)同工作的環(huán)境，保證不同工位的設(shè)計(jì)師能共享信息和協(xié)調(diào)彼此的關(guān)系。如何建設(shè)這樣的環(huán)境？無經(jīng)驗(yàn)可借鑒。

環(huán)境建設(shè)涉及場(chǎng)地、軟件、硬件和網(wǎng)絡(luò)4個(gè)要素，其中，最迫切解決的是硬件數(shù)量不足和軟件功能缺失的困難。

當(dāng)時(shí)的五〇一部只有6臺(tái)可供使用三維CAD工作站，顯然這與20多人協(xié)同工作有距離，即使分兩班工作，也還差一半多。五〇一部不得不向五院計(jì)算機(jī)處發(fā)出了求助。

軟件功能缺失有3點(diǎn)：一是缺少管路、電纜布局的功能模塊；二是缺乏復(fù)雜裝配體干涉檢查的軟件；三是不支持異質(zhì)零件裝配體的質(zhì)量特性分析(當(dāng)時(shí)的CAD軟件都如此)。辦法是：①暫用空間直線-曲線加掃描(Sweep)功能來替代；②臨時(shí)向軟件公司借用一套名為Magvision的軟件來解決；③自行攻關(guān)，交由十室負(fù)責(zé)軟件開發(fā)。

院計(jì)算機(jī)處得知五〇一部工作站不足的困難，很快從兄弟廠所借調(diào)了5臺(tái)工作站，不到一周時(shí)間，11臺(tái)工作站在北京海淀知春路設(shè)計(jì)部大樓六層機(jī)房?jī)?nèi)集中。十室的年輕人火速用簡(jiǎn)單的HUB和自制網(wǎng)線完成了工作站、打印機(jī)、繪圖儀的硬件聯(lián)網(wǎng)，并根據(jù)工作分工配置了總體、結(jié)構(gòu)等6個(gè)數(shù)據(jù)庫的邏輯名和物理地址，為每一個(gè)用戶設(shè)置了注冊(cè)賬號(hào)和訪問權(quán)限。至此，協(xié)同工作環(huán)境條件基本建成。

2 “交通”規(guī)則

網(wǎng)絡(luò)為信息流動(dòng)提供了一個(gè)物理通道，真要讓信息在不同工作站間有序、有效地流動(dòng)，需要規(guī)則，否則就會(huì)打亂仗。就是說，信息流動(dòng)需要“交通規(guī)則”，要解決數(shù)字模型的互認(rèn)、互信和統(tǒng)一理解問題。

習(xí)慣于AutoCAD繪圖的人都知道圖號(hào)與計(jì)算機(jī)文件名往往不一致，其結(jié)果是無法根據(jù)圖號(hào)找到相應(yīng)的圖紙。這種二元性給信息共享帶來了極大的困難。因此，在協(xié)同環(huán)境下，必須先制訂一個(gè)統(tǒng)一的命名規(guī)則，確保名稱與模型一一對(duì)應(yīng)，便于彼此“認(rèn)識(shí)”。

協(xié)同環(huán)境中，各個(gè)工位都在不斷地產(chǎn)生新模型、編輯原模型，同時(shí)，這些模型又在各工位間流動(dòng)。傳統(tǒng)的拷貝-共享方法破壞了模型的唯一性，必將引起技術(shù)狀態(tài)混亂。必須有一個(gè)中心數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)模型，并輔以嚴(yán)格的版本控制，甚至必要的狀態(tài)凍結(jié)，確保模型的唯一性、有效性。唯此，才能保證裝配與零件，模型與屬性，管、纜布局與裝配體的統(tǒng)一，便于彼此“信任”。

在三維CAD系統(tǒng)中，任何幾何對(duì)象都存在于三維空間之中。同一零件在不同的坐標(biāo)系中，其坐標(biāo)位置、方位、質(zhì)心和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的數(shù)值都不同。要保證團(tuán)隊(duì)內(nèi)對(duì)位置、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的統(tǒng)一理解，需要對(duì)坐標(biāo)系有一個(gè)約定：統(tǒng)一采用右手系，規(guī)定XOY平面為零部件的安裝平面，O點(diǎn)處于安裝面的中心，便于彼此間有統(tǒng)一的“理解”。

3 設(shè)計(jì)師也要有技能

一談到技能，人們往往與工匠聯(lián)系起來。其實(shí)，設(shè)計(jì)師也要有技能，一個(gè)現(xiàn)代設(shè)計(jì)師不掌握專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用是不可想象的。

長(zhǎng)久以來，設(shè)計(jì)師都習(xí)慣于在圖板上繪制投影圖來表達(dá)設(shè)計(jì)意圖。上世紀(jì)80年代，掀起了甩棄繪圖板運(yùn)動(dòng)，五〇一部用了5年的持續(xù)努力，1992年才普及了計(jì)算機(jī)輔助繪圖(Drafting)的使用。現(xiàn)在要用半個(gè)月時(shí)間，實(shí)現(xiàn)二維到三維的轉(zhuǎn)變，跨度確實(shí)有點(diǎn)大。它不僅要求學(xué)員快速適應(yīng)新的軟、硬件平臺(tái)，更要在思維方式上，實(shí)現(xiàn)從平面幾何到立體幾何的升華。與二維制圖不同，三維建模更類似于工廠中通過切削(或增材)加工，把毛坯逐步變成產(chǎn)品過程，兩者的思維模式是不同的。

為期兩周的培訓(xùn)工作開始了！十室負(fù)責(zé)授課和上機(jī)輔導(dǎo)，四、六室學(xué)員半天聽課，半天上機(jī)。打開工作站，人們遇到的是一個(gè)完全陌生又不友好的Solaris的操作系統(tǒng)，沒有菜單，全靠鍵盤輸入命令。進(jìn)入CAD系統(tǒng)后，復(fù)雜精細(xì)的功能分塊、層層下翻的菜單結(jié)構(gòu)、苦澀難記的專業(yè)單詞和抽象無形的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，給每個(gè)新學(xué)員一個(gè)下馬威！尤其是曲面造型和控制更為抽象難以掌握。急用先學(xué)，培訓(xùn)重點(diǎn)集中于在人機(jī)交互方式下，掌握實(shí)體造型和管路、電纜造型的技能。學(xué)員們表現(xiàn)了良好的專業(yè)素質(zhì)和職業(yè)堅(jiān)守，經(jīng)短期培訓(xùn)，這批年輕人勇敢地走進(jìn)了機(jī)房，飛船的數(shù)字模裝工作由此展開！

4 節(jié)省每一兆內(nèi)存

航天人常說為節(jié)省每一克重量(質(zhì)量)而奮斗。在CAD模裝中，卻遇到另一個(gè)問題。當(dāng)時(shí)的工作站只有16 MB的內(nèi)存，與此相應(yīng)，軟件規(guī)定每個(gè)幾何對(duì)象(Entity)，不論多么復(fù)雜，其總點(diǎn)數(shù)不得超過16 000。毫無疑問，這給不熟悉軟件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的新手們套上了一把無形的枷鎖，因?yàn)槔碚撋险f，一條直線就包含無窮多個(gè)點(diǎn)，都可能把計(jì)算機(jī)內(nèi)存占滿。

問題來了，一個(gè)看起來并不復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)支架模型，占用了11 MB內(nèi)存。在今天，11 MB算什么？在當(dāng)時(shí)卻是影響模裝工作開展的攔路虎。照此下去，復(fù)雜零件建模會(huì)無法完成。要解決此問題，需優(yōu)化建模過程，力求歷程扁平化，如用鏡象、陣列減少重復(fù)的拓?fù)洳僮鳎粡V泛使用Bezier曲線替代習(xí)慣的多點(diǎn)描曲線；實(shí)在不行，就利用分割和拼接技術(shù)，犧牲效率保成功。經(jīng)過程優(yōu)化，重新完成了前述支架的造型，一檢查其只占用了13 KB的內(nèi)存！

5 給飛船作CT

通過3個(gè)多月的奮戰(zhàn)，設(shè)計(jì)師們已完成了飛船三艙一段的主結(jié)構(gòu)、發(fā)動(dòng)機(jī)組件及各儀器設(shè)備的三維建模工作，真正的布局設(shè)計(jì)開始了！

布局和裝配工作是分艙段展開的。說實(shí)在，在圖形顯卡功能很弱的年代，在一塊19英寸屏幕上，要完成4000多個(gè)零件的逐級(jí)裝配，并在此基礎(chǔ)上開展管路、電纜的布局是相當(dāng)困難的。設(shè)計(jì)師不得不不斷改變模型的視角，不斷打開局部放大窗口，還要忍受隨著裝配體越來越復(fù)雜，系統(tǒng)反應(yīng)越來越慢的煎熬。

與實(shí)物模裝不同，數(shù)字化模裝的結(jié)果必須經(jīng)過干涉檢查，以保證布局和裝配的準(zhǔn)確。檢查分靜態(tài)干涉和動(dòng)態(tài)干涉兩個(gè)方面進(jìn)行，飛船及各艙段模型均經(jīng)歷了這種檢查。由于涉及專用軟件和特殊模塊的使用，這部分工作完全由十室負(fù)責(zé)完成。

靜態(tài)干涉檢查的目的是弄清楚飛船內(nèi)部是否存在干涉?其方法類似于CT掃描。人們先定義一個(gè)剖切平面，讓平面沿指定方向步進(jìn)掃描飛船模型，系統(tǒng)會(huì)在屏幕右上角上動(dòng)態(tài)顯示剖切飛船的截面圖。一旦截面中發(fā)現(xiàn)有線段相交，則表示此處存在裝配干涉，測(cè)量交叉線長(zhǎng)度，可知道干涉深度。人們可在另一臺(tái)工作站上及時(shí)修改相對(duì)位置，糾正原有的錯(cuò)誤。顯然，執(zhí)行靜態(tài)干涉檢查，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求極高，為提高裝配效率，不得不臨時(shí)借調(diào)了一臺(tái)當(dāng)時(shí)圖形功能最強(qiáng)的Indigo-2工作站，在此工作站上完成了整船的檢查。

動(dòng)態(tài)干涉檢查的目的是檢查運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)過程中是否與周圍零部件存在干涉?動(dòng)態(tài)干涉檢查要用到一個(gè)名為Mechanism的模塊，讓運(yùn)動(dòng)部件正常動(dòng)起來，檢查運(yùn)動(dòng)過程中其與周圍零部件干涉情況。在返回艙檢查過程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)了艙蓋開啟過程中與降落傘艙壁存在干涉隱患。

6 給數(shù)字飛船稱體重

質(zhì)量特性是航天器的重要屬性。物體的體積、質(zhì)量、質(zhì)心、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算是一個(gè)經(jīng)典的力學(xué)問題，計(jì)算方法很成熟。但實(shí)際工作中，由于涉及大量繁雜的計(jì)算，尤其是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量坐標(biāo)的旋轉(zhuǎn)變換更為令人頭疼，極易出錯(cuò)。

商業(yè)軟件為均質(zhì)幾何體的質(zhì)量特性分析提供了解決辦法，但實(shí)際上裝配體中各零、部件不可能用同一材料制成，所以軟件只解決了單個(gè)零件的質(zhì)量特性計(jì)算問題，對(duì)儀器設(shè)備等組部件還得根據(jù)體積和質(zhì)量折算成平均密度來進(jìn)行計(jì)算。如何完整地計(jì)算出各級(jí)裝配體的質(zhì)量特性，成為飛船數(shù)字模裝中的一個(gè)難題。突破此難題的關(guān)鍵是自動(dòng)解析飛船的各級(jí)裝配模型，并從中獲取零部件名稱、數(shù)量以及它們?cè)谘b配體中的空間位置和方位角。有了上述信息，余下的工作就是逐一執(zhí)行坐標(biāo)變換好結(jié)果累加的工作，這是計(jì)算機(jī)最擅長(zhǎng)的事！

要逐級(jí)解析復(fù)雜裝配體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，采用人-機(jī)交互的方式是難以想象的，只能依靠二次開發(fā)語言來完成。翻閱滿柜的編程手冊(cè)，從中找出解析裝配體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的指令是困難的，經(jīng)過多次試錯(cuò)，最終成功地提取了裝配體中零件的名稱、數(shù)量、地址和空間位置(坐標(biāo)和轉(zhuǎn)換矩陣)。就在人們以為勝利在望的時(shí)候，新問題出現(xiàn)了。實(shí)際上，當(dāng)某個(gè)零件存在多個(gè)拷貝或鏡象時(shí)，它們會(huì)有自己特定的空間位置和方位，可眼前得到的數(shù)據(jù)卻完全相同，顯然出錯(cuò)了！鏡象與原零件本質(zhì)上是兩個(gè)不同的零件，解決此問題的方法簡(jiǎn)單，不準(zhǔn)在裝配狀態(tài)下進(jìn)行零件的鏡象拷貝就行了。而如何從眾多拷貝體中識(shí)別出每一個(gè)單體？卻難住了軟件開發(fā)者。苦思冥想好幾天仍無思路，甚至CAD軟件開發(fā)商也一時(shí)無法回答這樣細(xì)節(jié)的問題。功夫不負(fù)有心人，經(jīng)仔細(xì)分析，終于找出了它們的細(xì)微的差別。原來，每執(zhí)行一次拷貝，系統(tǒng)自動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的句柄，各拷貝體雖名稱相同，但句柄并不一致。通過名稱和句柄的結(jié)合，這道技術(shù)壁壘終于突破！軟件經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，就投入了使用。除了氣、液、多層隔熱材料需作一些處理外，飛船及各艙段的質(zhì)量特性分析迅速完成。

7 模裝成果及后續(xù)應(yīng)用

成果：經(jīng)過團(tuán)隊(duì)的同心奮斗，經(jīng)歷了零件造型、艙段裝配、管路電纜布局、整船裝配和定量分析4個(gè)階段。11月26日視頻編輯完成，它標(biāo)志著歷時(shí)半年多飛船CAD模裝工作順利結(jié)束。共構(gòu)建了6個(gè)模型庫總計(jì)4354個(gè)零部件的三維造型，實(shí)現(xiàn)了預(yù)定圖形和文檔的輸出，一段9分鐘的錄像記錄了模裝的過程。更可喜的是通過此工作，培養(yǎng)了一批熟悉運(yùn)用三維CAD技術(shù)進(jìn)行型號(hào)設(shè)計(jì)的骨干人才。圖1所示是921-3模裝輸出的整船裝配圖。

圖1 921-3模裝輸出的整船裝配圖

優(yōu)點(diǎn)：與傳統(tǒng)的實(shí)物模裝相比較，CAD模裝不僅速度快、質(zhì)量好、成本低，而且具有尺寸位置準(zhǔn)確、便于多狀態(tài)保存的特點(diǎn)。從此類數(shù)字模裝模型中，人們可直接提取管、線長(zhǎng)度和整船的質(zhì)量特性，并根據(jù)用戶的意愿隨意輸出所需的二維投影圖。這些優(yōu)點(diǎn)給人們以深刻的印象，顯示了強(qiáng)大的生命力。當(dāng)劉華清軍委副主席和總公司領(lǐng)導(dǎo)來五〇一部視察時(shí)，本成果是展示匯報(bào)的內(nèi)容之一。

后續(xù)應(yīng)用：1996年，飛船研制進(jìn)入初樣設(shè)計(jì)階段，為保證返回艙有必要的穩(wěn)定裕度，迫切需要弄清楚結(jié)構(gòu)的質(zhì)心位置。為此，五○一部組織CAD室和結(jié)構(gòu)室的有關(guān)同志完成了1200多張結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖的三維造型、裝配，并在此基礎(chǔ)上完成了質(zhì)心計(jì)算工作。經(jīng)過兩個(gè)室共同努力，終于弄清楚了返回艙質(zhì)心的實(shí)際情況，為總體室最后用綜合方法解決質(zhì)心、配重和軌道問題提供了依據(jù)。更可喜的是其中17個(gè)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，直接提供給529廠，成為CAD/CAM一體化生產(chǎn)加工的成功案例，返回艙裝配模型成為整艙組合加工的數(shù)控編程依據(jù)。

時(shí)代在進(jìn)步，技術(shù)在發(fā)展，30年前遇到的困難，現(xiàn)在已可輕而易舉解決。但歷史就是這樣走過來的，真羨慕五院現(xiàn)在的年輕人，你們真幸福！