ＣＡＤ：虚拟世界的创造者

士兵般排列整齐的绘图板上，一支支铅笔在比窗帘还要长的图纸上描绘着；高大宽敞的厂房里，工人们围着一架飞机忙碌，零件不停地被装上去，然后又被换下来。这是以往在飞机研究所和制造厂经常见到的一幕，他们围着忙碌的这个大家伙有个专有的名称：全尺寸木制样机。

　　全尺寸木制样机，顾名思义，就是和真飞机一样大小的木头制造的飞机，它曾是飞机设计过程中的必经阶段。飞机是一个非常复杂的系统，稍有差错，设计出来的零部件之间就可能存在不协调，没法实现预定的功能，怎样消除这些差错呢？聪明的工程师们自有解决之道，他们在脑海中构思出每一个零件的样子，绘制在图纸上，再用木头把它生产出来，最后装配在一起就成为了全尺寸木制样机。在样机上，设计上的不合理之处很容易被发现，零件之间不协调的地方也得以暴露，于是工程师们开始重新构思，修改图纸，再把零件用木头做出来装上样机，反复协调几次之后，金属的真家伙就可以生产然后试飞了。

　　上面提到的场景已经成为往事了，这一切都归功于计算机的出现和信息技术的进步。上世纪六十年代以来，信息技术飞速发展，直接促进了制造业的信息化。而制造业信息化的先锋，就是计算机辅助设计技术（CAD，Computer Aided Design）。

　　

　　从绘图桌前解放出来

　　

　　学过机械制图的人都知道，手工绘图是非常枯燥繁琐的劳动，长时间在绘图板前做没有创造性的绘图工作会让人心情烦躁。以前设计一架飞机，图纸数量动辄几十吨，早期的计算机辅助设计起到的就是代替手工绘图的功能，用电子图板把人从绘图桌前解放出来。电子图板是早期的CAD软件，工程师能够通过鼠标键盘在屏幕上方便地绘制和修改图纸，并用绘图仪打印出来。二十世纪六十年代，通用汽车和大名鼎鼎的洛克希德飞机公司都推出了自己的电子图板软件，CAD这一专有名词也是这个时期出现的。

　　七八十年代以来，CAD技术开始超越电子图板的阶段，CAD软件工程师们开始尝试在虚拟的三维空间中表示真实存在的物体。他们最早用几何体的棱边来表示一个物体，比如12条边就可以表示一个立方体。后来曲面造型理论的发展使人们可以用外表面来表示一个物体，比如6个正方形围在一起就是一个立方体。再后来，工程师们已经能够在虚拟的三维空间中随心所欲地表示一个物体，还可以让它具有除了外形之外的一些属性，比如密度。

　　

　　无纸化设计的到来

　　

　　今天，计算机辅助设计技术已经远远不止用于在虚拟空间定义一个零件，它贯穿了产品从概念设计到生产装配的全过程，由此产生了无纸化设计和虚拟样机的概念。借助于先进的CAD软件，在产品开发过程中，技术人员在虚拟空间中设计好每一个零件，把它们装配在一起构成虚拟样机，对虚拟样机进行分析发现设计中存在的问题，然后对零件进行修改。在计算机中修改设计是非常快的，往往只需要点击几下鼠标修改几个数字。

　　例如，在飞机设计中虚拟样机完全代替了全尺寸木制样机，每一个零件在虚拟空间中都有数字模型——除了铆钉；虚拟样机出来之后，飞机的一些重要数据就可以立即得到，比如重量和重心；在虚拟样机中还可以观察飞机的工作情况，比如起落架的收放是否正常、驾驶员的视野是不是像预想的那样良好。虚拟样机满足要求之后，把整架飞机的数字模型发给制造厂，零件的数字模型可以直接用于数控机床加工，既保证质量又提高效率。产品开发过程采用无纸化设计之后，开发周期缩短了很多，由于全过程都在计算机里的虚拟空间进行，不浪费一张纸，因此非常合乎环保潮流。

　　波音777飞机成为有史以来第一架采用无纸化设计的飞机，这是一项革命性的技术成就。据估计，如果采用传统的图纸，光纸张就要消耗数十吨，算上中途修改消耗的，要上百吨纸张，相当于地球上又少了几十棵大树。到了21世纪，几乎每一种新飞机的研制都采用了无纸化设计技术，题图是欧洲新一代军用运输机A400M主要结构的虚拟样机。据报道，我国自主研发的新一代支线客机ARJ21也采用了无纸化设计技术。

　　

　　技术or艺术？

　　

　　CAD技术最早由飞机制造业催生，现在已经广泛应用于航空航天、汽车、机械等一切制造业领域，用于缩短产品开发周期，提高产品品质。然而，它并不只是技术，还是一门艺术。

　　看一看时下最新款轿车的外表，优美、流畅的线条，水滴般的外形，无不给人以美的享受，这种外形不是由技术要求决定的，而是由美学上的要求决定的。创造出这一优美外形的，正是CAD艺术。在二十年前，这是不可想象的，因为那时的汽车造型手段太简单了，只能用一些简单的曲面来构造汽车外形。

　　今天，借助于CAD软件强大的曲面造型功能，工程师可以轻易地造出高质量的优美外形，把数字模型传递给数控机床加工成模具，轿车外壳就可以用模具冲压出来了。CAD造型已经成了汽车设计中不可或缺的手段，即便是最著名的意大利汽车设计师，也需要造型师将他的天才创意变为电脑中的数字模型。不仅是汽车，在一切工业设计领域，只要对产品的外形有美学上的特殊要求，都离不开CAD艺术，例如手机、家电，甚至是洁具。

　　CAD技术并不满足于在工业领域获得成功，在广告、动漫影视这些新兴行业，CAD也扮演了越来越重要的角色。新产品出来之前，一张成功的效果图比实物更能吸引消费者的眼球，刺激人的购买欲望。在动漫影视行业，CAD成为了影视特技的一部分，彻底颠覆了以前的特技制作方式，创造着一幕幕视觉盛筵。

　　

　　终极目的

　　

　　同计算机技术本身一样，经过几十年的发展，计算机辅助设计技术已经非常成熟了，它的未来还会是今天的这个样子吗？答案当然是否定的。

　　一方面，它将与计算机辅助分析（CAE）、计算机辅助制造（CAM）等技术更加紧密地融合在一起，构成制造业信息化的核心。

　　另一方面，它将超越制造业进入更广阔的空间，同多媒体技术、人机交互技术等一道成为虚拟现实技术的一部分。虚拟现实技术是一种高度逼真地模拟人在虚拟环境中的视觉、听觉、触觉、运动等感觉的技术，它可以让人对虚拟世界产生身临其境的感觉。采用虚拟现实技术，使用者不再是信息被动的接受者，而是成为虚拟世界的一部分，通过自己的行动与虚拟环境产生互动。虚拟现实技术可以用在各种模拟器上以提高工作效率和节省成本，也可以用于娱乐让我们的生活更加精彩。有一天，在虚拟世界中，我们可以回到过去，在六千万年前的侏罗纪公园与恐龙一起赛跑；也可以奔向遥远的宇宙，体验一下星际航行的感觉。

　　所有技术的终极目的都是一样的，那就是让我们生活得更好。

　　【责任编辑】唐宇