ＣＡＤ：虛擬世界的創造者

士兵般排列整齊的繪圖板上，一支支鉛筆在比窗簾還要長的圖紙上描繪著；高大寬敞的廠房里，工人們圍著一架飛機忙碌，零件不停地被裝上去，然后又被換下來。這是以往在飛機研究所和制造廠經常見到的一幕，他們圍著忙碌的這個大家伙有個專有的名稱：全尺寸木制樣機。

全尺寸木制樣機，顧名思義，就是和真飛機一樣大小的木頭制造的飛機，它曾是飛機設計過程中的必經階段。飛機是一個非常復雜的系統，稍有差錯，設計出來的零部件之間就可能存在不協調，沒法實現預定的功能，怎樣消除這些差錯呢？聰明的工程師們自有解決之道，他們在腦海中構思出每一個零件的樣子，繪制在圖紙上，再用木頭把它生產出來，最后裝配在一起就成為了全尺寸木制樣機。在樣機上，設計上的不合理之處很容易被發現，零件之間不協調的地方也得以暴露，于是工程師們開始重新構思，修改圖紙，再把零件用木頭做出來裝上樣機，反復協調幾次之后，金屬的真家伙就可以生產然后試飛了。

上面提到的場景已經成為往事了，這一切都歸功于計算機的出現和信息技術的進步。上世紀六十年代以來，信息技術飛速發展，直接促進了制造業的信息化。而制造業信息化的先鋒，就是計算機輔助設計技術（CAD，Computer Aided Design）。

從繪圖桌前解放出來

學過機械制圖的人都知道，手工繪圖是非常枯燥繁瑣的勞動，長時間在繪圖板前做沒有創造性的繪圖工作會讓人心情煩躁。以前設計一架飛機，圖紙數量動輒幾十噸，早期的計算機輔助設計起到的就是代替手工繪圖的功能，用電子圖板把人從繪圖桌前解放出來。電子圖板是早期的CAD軟件，工程師能夠通過鼠標鍵盤在屏幕上方便地繪制和修改圖紙，并用繪圖儀打印出來。二十世紀六十年代，通用汽車和大名鼎鼎的洛克希德飛機公司都推出了自己的電子圖板軟件，CAD這一專有名詞也是這個時期出現的。

七八十年代以來，CAD技術開始超越電子圖板的階段，CAD軟件工程師們開始嘗試在虛擬的三維空間中表示真實存在的物體。他們最早用幾何體的棱邊來表示一個物體，比如12條邊就可以表示一個立方體。后來曲面造型理論的發展使人們可以用外表面來表示一個物體，比如6個正方形圍在一起就是一個立方體。再后來，工程師們已經能夠在虛擬的三維空間中隨心所欲地表示一個物體，還可以讓它具有除了外形之外的一些屬性，比如密度。

無紙化設計的到來

今天，計算機輔助設計技術已經遠遠不止用于在虛擬空間定義一個零件，它貫穿了產品從概念設計到生產裝配的全過程，由此產生了無紙化設計和虛擬樣機的概念。借助于先進的CAD軟件，在產品開發過程中，技術人員在虛擬空間中設計好每一個零件，把它們裝配在一起構成虛擬樣機，對虛擬樣機進行分析發現設計中存在的問題，然后對零件進行修改。在計算機中修改設計是非常快的，往往只需要點擊幾下鼠標修改幾個數字。

例如，在飛機設計中虛擬樣機完全代替了全尺寸木制樣機，每一個零件在虛擬空間中都有數字模型——除了鉚釘；虛擬樣機出來之后，飛機的一些重要數據就可以立即得到，比如重量和重心；在虛擬樣機中還可以觀察飛機的工作情況，比如起落架的收放是否正常、駕駛員的視野是不是像預想的那樣良好。虛擬樣機滿足要求之后，把整架飛機的數字模型發給制造廠，零件的數字模型可以直接用于數控機床加工，既保證質量又提高效率。產品開發過程采用無紙化設計之后，開發周期縮短了很多，由于全過程都在計算機里的虛擬空間進行，不浪費一張紙，因此非常合乎環保潮流。

波音777飛機成為有史以來第一架采用無紙化設計的飛機，這是一項革命性的技術成就。據估計，如果采用傳統的圖紙，光紙張就要消耗數十噸，算上中途修改消耗的，要上百噸紙張，相當于地球上又少了幾十棵大樹。到了21世紀，幾乎每一種新飛機的研制都采用了無紙化設計技術，題圖是歐洲新一代軍用運輸機A400M主要結構的虛擬樣機。據報道，我國自主研發的新一代支線客機ARJ21也采用了無紙化設計技術。

技術or藝術？

CAD技術最早由飛機制造業催生，現在已經廣泛應用于航空航天、汽車、機械等一切制造業領域，用于縮短產品開發周期，提高產品品質。然而，它并不只是技術，還是一門藝術。

看一看時下最新款轎車的外表，優美、流暢的線條，水滴般的外形，無不給人以美的享受，這種外形不是由技術要求決定的，而是由美學上的要求決定的。創造出這一優美外形的，正是CAD藝術。在二十年前，這是不可想象的，因為那時的汽車造型手段太簡單了，只能用一些簡單的曲面來構造汽車外形。

今天，借助于CAD軟件強大的曲面造型功能，工程師可以輕易地造出高質量的優美外形，把數字模型傳遞給數控機床加工成模具，轎車外殼就可以用模具沖壓出來了。CAD造型已經成了汽車設計中不可或缺的手段，即便是最著名的意大利汽車設計師，也需要造型師將他的天才創意變為電腦中的數字模型。不僅是汽車，在一切工業設計領域，只要對產品的外形有美學上的特殊要求，都離不開CAD藝術，例如手機、家電，甚至是潔具。

CAD技術并不滿足于在工業領域獲得成功，在廣告、動漫影視這些新興行業，CAD也扮演了越來越重要的角色。新產品出來之前，一張成功的效果圖比實物更能吸引消費者的眼球，刺激人的購買欲望。在動漫影視行業，CAD成為了影視特技的一部分，徹底顛覆了以前的特技制作方式，創造著一幕幕視覺盛筵。

終極目的

同計算機技術本身一樣，經過幾十年的發展，計算機輔助設計技術已經非常成熟了，它的未來還會是今天的這個樣子嗎？答案當然是否定的。

一方面，它將與計算機輔助分析（CAE）、計算機輔助制造（CAM）等技術更加緊密地融合在一起，構成制造業信息化的核心。

另一方面，它將超越制造業進入更廣闊的空間，同多媒體技術、人機交互技術等一道成為虛擬現實技術的一部分。虛擬現實技術是一種高度逼真地模擬人在虛擬環境中的視覺、聽覺、觸覺、運動等感覺的技術，它可以讓人對虛擬世界產生身臨其境的感覺。采用虛擬現實技術，使用者不再是信息被動的接受者，而是成為虛擬世界的一部分，通過自己的行動與虛擬環境產生互動。虛擬現實技術可以用在各種模擬器上以提高工作效率和節省成本，也可以用于娛樂讓我們的生活更加精彩。有一天，在虛擬世界中，我們可以回到過去，在六千萬年前的侏羅紀公園與恐龍一起賽跑；也可以奔向遙遠的宇宙，體驗一下星際航行的感覺。

所有技術的終極目的都是一樣的，那就是讓我們生活得更好。

【責任編輯】唐宇