技术与设计1
- 走进技术世界
一、技术的含义
1、技术的起源：源于原始人类寻找、生产食物；制作衣服；与野兽搏斗等生存的基本需要。此时的技术并不是以科学知识为基础的。
技术是指从人类需求出发，秉持一定的价值理念，运用各种物质及装置、工艺方法、知识技能与经验等，实现一定使用价值的创造性时间活动。技术不仅包含物质手段、工具或方法，还是从技术方案设计转化为生产技术和工程技术的过程。这是一个不断发展创新的过程。
技术是人类文明的重要组成部分，是社会生产力水平的重要标志之一。
技术是伴随着人类的思维、学习和劳动等活动而产生的。
技术的分类：交通运输技术、信息通信技术、生产制造技术、能源技术、建筑技术、生物技术等
它具有保护人、解放人和发展人的作用
［保护人］（例：原始人随身拾磨制好的石器，现代人对疟疾、天花、肺结核等疾病不再恐慌）
［解放人］（例：体力解放：自行车、内燃动力、电力，手机——信息传递）
［发展人］（例：爱迪生、袁隆平；改变着主客观世界，促进人的精神发展）
二、技术的性质
2、技术的性质：实用性、创新性、时效性、综合性、两面性、目的性、实践性
实用性：能解决人类面临的问题，满足人类的需求。
创新性：技术创新是技术发展的灵魂，两种表现形式：技术发明，技术革新。
时效性：是一个相对的概念，在一定时间内起到的作用。
综合性：综合运用多种知识。一般来说，每一项技术都需要综合运用多个学科、多方面的知识。小到板凳的制作技术，大到航空航天技术，都是多种知识共同作用的结果。
两面性：任何事物在客观上都具有两面性，技术也不例外。再给人咧带来经济效益和社会效益的同时，也可能造成负面影响，甚至给人咧带来危害。（信息技术、网络、汽车尾气、大气污染、电池等等）
三、技术与科学的关系
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科学是自然界存在的客观规律，研究的是事物本身的发生和发展规律 |
技术是利用科学知识来解决实际问题，表现为劳动者的技能 |
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科学是通过各种方法和实验，从而发现规律、理论，并予以验证和公式化的知识体系。如：牛顿发现万有引力、达尔文发现进化论、居里夫人发现镭等。 |
技术则是人类为了满足自身的需要和愿望对大自然进行的改造。如：瓦特发明蒸汽机、贝尔发明电话、恩格尔巴特发明鼠标、爱迪生发明电灯泡等 |
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科学的基本任务是认识世界，有所发现，以增加人类的知识财富； 科学回答“是什么”怎么样“为什么” |
技术的基本任务是合理利用自然，有所发明，一创造人类的物质财富；物质和精神文化生活 技术则回答“做什么”“怎样做”的问题 |
科学促进了技术的发展，技术推动了科学的进步。
第二节 技术的价值
技术与人：技术是人类满足自身的需求、愿望，更好的适应大自然而采区的方法和手段。
技术是人类解决问题的途径和手段；技术是人提升能力的工具；技术是人类认识世界的帮手，技术为人类人世界提供了有利的工具。
技术对生活、生产、文化等方面的影响：技术促进社会的发展。技术丰富社会文化内容。技术改变社会生活方式。是推动社会发展和文明进步的主要动力之一。
技术对自然的价值：
（1）依靠技术，人类得以利用自然和改造，并与自然保持和谐共处的友好关系。（例：都江堰、南水北调、西气东输）
（2）人类利用技术开发、改造自然时，应把握合理的尺度，要注意对自然的保护，不能忽视技术或产品对环境可能造成的负面影响。
（3）技术的发展给自然环境带来了问题，但也给解决这些问题提供了可能（例：物料的再循环工艺）
第三节 知识产权及其保护
3、知识产权：是指国家富裕相关权利人对其所创作的智力劳动成果依法享受的财产权。我国的知识产权主要包括专利权（发明专利、实行新型专利和外观设计专利）、商标权、版权与有关权利、集成电路布图设计、地理标记、生物新品种、商业秘密等内容。狭义的知识产权包括著作权、专利权、商标权三部分。
专利在产权保护制度下对技术活动的重要性知识产权制度允许专利所有权人对专利技术具有一定的性，使其专利技术和产品在一定时间内独占市场，从而得到丰厚的回报，保持发明创造的积极性，使技术创新活动趋向良性循环。
专利的特性:独占性（独自拥有其各种权利）、时间性（在一定的时间内）、地域性（专利有地域区分，主要是国家与国家与国际）
专利种类：
发明专利：指对产品、方法或者改进所提出的新的技术方案。保护期限：20年，自申请日算起。
实用新型专利：是指对产品的形状、构造或者其结合所提出的适于实用的新的技术方案。（保护期限：10年，自申请日算）
外观设计专利：是指对产品的形状、图案、色彩等所作出的富有美感并适用于工业上应用的新设计。（保护期10年，自申请日算）
专利申请步骤：提交申请→受理→初审→公布→实质审查→授权
二、技术发明与技术革新
1、发明与革新是技术的源泉
[1]发明：创造发明出自然界原来没有的事物。（电弧灯）
[2]革新：对原来的旧的技术加以改造和提高。（白炽灯）
[3]发明和革新的结果：就是以新的技术取代旧的和落后的技术。正是由于技术不断发明和革新推动了技术及其产品的不断进步与完善。
三、设计是技术的关键
1、技术创新的重要途径是设计:技术的目的是解决实际问题。设计的目的是研究解决问题的方法.
2、技术创新的来源:[1]是来源于有计划有步骤的设计，如航天技术；[2]是来源于偶然的发现，如青霉素的发现；
第二章 开启设计之旅
一、什么是设计
1．设计的内涵：
设计时围绕目标人群的具体需求，竞购一定的规划、分析和决策，最终通过具体形式表现的创造性活动。是创新驱动的策略性解决问题的过程。
设计是基于一定设想的、有目的的规划及创造活动。（例：书写工具的发展、电动剃须刀的发展。）
2．设计与技术的关系：
（1）技术是设计创新的基础
（2）设计为技术实现价值
技术的根本目的是解决问题，而设计能够让技术实现其价值，并成为技术创新的动力。
①设计是技术成果转化的桥梁和纽带。（例：白色污染和可降解餐具）
②设计促进技术的革新。
③技术是设计的平台，没有技术作基础，设计将难以表现和实现。（例：早在16世纪达芬奇就设计了飞行器，但当时技术水平不够，导致飞行器难以实现）
④技术更新为设计提供更广阔的发展空间。（例：电灯发明之后，人们设计出了各种各样的灯泡）
⑤技术进步还促进人们设计思维和手段的发展。发展的技术不断丰富着人们的设计手段和方法。（例：计算机、打印机的发展改变了设计的手段）
技术设计侧重于功能、结构、材料、工艺等，艺术设计侧重于色彩、造型、审美等
二、 设计的原则（藕饼嘉设计的基本标准）
科学性原则、功能性原则、美观性性原则、经济性原则、人性化原则、可持续发展原则
科学性原则：（1）必然要遵循自然界的科学规律，违背科学原理的设计，设计会失败；
（2）技术规范，以“技术标准”法规文件发布，设计时必须遵照执行。
标准件：按统一的形状、大小、公差、技术要求等生产的零件和部件。如国家标准的螺钉、螺母、垫圈、齿轮等。选用标准件的作用：简化制作过程、实现通用通换。
功能性原则：产品的使用价值是通过功能来实现的。实用功能主要体现在产品作为人们为大到某一目的而设计的“工具”。可以分为合理性和可靠性。精神功能主要是指产品通过造型、色彩、材料、肌理的外在表现给人带来心情的愉悦和情感的满足。
美观性原则：美是一个综合、流动、相对的概念，恰当的比例、优美的造型、适宜色彩
经济性原则：一般用“性能价格比”来进行衡量：
- 用较低的成本获得较好的设计产品
- 同构优秀的设计来丰富产品的功能，提高产品的性能，增加产品的附加值。
人性化原则：满足人的需求，为人服务，必须遵循自然与客观的法则。
尊重生命安全；以人体尺度为依据；满足人的心理和情感需求；体现人文关怀。
1．人机关系的含义：
当我们使用物品时，物品就与人产生了一种相互关系。这种相互的关系就称为人机关系。当人们身处某一环境的时候，这时的人机关系就体现为人与环境的相互关系。
“机”是指计算机、机器、工具、仪器、仪表、设备、设施、家具、交通车辆以及劳动保护用具等等。在人机关系中，往往存在复杂的多方面关系。不一定要有接触。（例：开门、乘电梯）
2．人机关系在设计中要实现的目标：
① 高效 人机协调，提供人的工作效率。例：“科学管理之父”泰勒“铁锹作业试验”。
② 健康 长期使用，产品对人的健康不造成不良影响。例：高跟靴、设计不合理的椅子
③ 舒适 产品使用中，人体能处于自然状体，感觉舒适。例：培土小工具手把处理
④ 安全 产品对人的身体不构成生理上的伤害。如：安全帽、安全带、课桌角等
3．在设计中如何合理运用人机关系：a
如何实现合理的人机关系，首先应明确设计涉及哪些人机关系，其次要考虑这些人机关系涉及哪些因素和技术指标，此外还就注意处理以下方面的关系：
①普通人群和特殊人群（例：要考虑到残疾人的需求、考虑不同人种的身体差异）
②静态的人与动态的人（例：宾馆床位之间距离的设计）
③人的心理需求和人的生理需求（例：咖啡屋设计以暖色调为主，办公空间一般应以冷色调为主）
④信息的交互（例：电话机的无液晶屏显示、有液晶屏显示、可以视屏通话。案例：汽车的颜色）
可持续发展原则：节能设计；环保性设计；长效设计。
三、设计的一般过程
发现与明确问题→创意构思→制定设计方案→制作模型或原型→测试、评价及优化→编写技术作品说明书
1、发现与明确问题：
（1）对现有产品的改良设计，主要是通过观察、访谈和技术试验，找出产品使用过程中存在的问题，进行有针对性的改进。
（2）通过发现需要解决和值得解决的问题，在此基础上提出设计课题，明确设计要求，进行全新开发的创新设计。
2、创意构思：围绕问题展开创意，提出各种新的可能性。
3、制定设计方案：
（1）方案构思：大胆想象提出解决问题的多个设想。
（2）草图绘制：
创意草图：用简单的笔触记录创意。
功能草图：表现设计方案的使用方式。
结构草图：对设计的连接方式等进行研究。
细节草图：表现方案的具体细节。
概念草图：强化设计概念，重点表现关键部分。
（3）确定方案：
设计原则实用性：是否达到快速吹干衣物的目的
便携性：是否能达到商旅群体的携带要求。
易用性：是否能让用户明确而又舒适的使用产品。
美观性：造型是否美观。
经济性：是否满足一定的开发成本要求。
市场性：是否具有一定的市场潜力和经济效益。
4、模型和原型制作
原型可以分为功能原型、人机关系原型，分别用于测试设计的技术可行性和可用性。
模型制作两个阶段：绘制图样和只做模型或原型
5、测试、评价和优化
测试：检验产品在操作使用过程中，在结构和技术性能等方面能否达到预定的设计要求。
评价：设计评价的基本准则就是设计的基本原则。
优化：既要分析测试和评估的具体记录，也要重视对公众意见的调查，以便于做出更符合用户和市场需求的产品，一般说理啊，可以对三种典型人群（用户、专家（生产商、销售者）和潜在用户）进行调查，征集优化方案的具体意见。
6、编写技术作品说明书 技术作品说明是是设计者与使用者之间沟通的纽带。
第三章 发现与明确问题
第一节 发现问题与确定课题
- 发现问题
发现问题是创新的起点。问题可以是无意识发现的，也可以是主动寻找的，可以是自己遇到的问题，也可以是他人遇到的问题。
问题的来源：观察法、问卷法（开放式问卷、封闭式问卷、混合式问卷）、访谈法（访谈需要注意的事项P43）、网络调查法（优点方便快捷，缺点信息量太大需要筛选）、物联网、智能家居和大数据技术
- 确定设计课题
- 可选课题：从推荐的诸多可课题中选择并开始设计
- 选题要求：产品的形态、结构设计、机构设计、智能硬件技术等，要选择客观存在的、迫切需要解决的问题，同时还要考虑时间、能力、模型或原型制作条件的限制。
- 小组构成：分工合作，密切配合，充分发挥每位同学的特长
第二节 设计要求和定位
一、明确问题
明确问题阶段的重点是“需求”，本阶段是收集需求信息，而不是思考如何解决问题。
完整的问题表述：对象 需求 原因。对象是问题提出方，即产品的使用者。
二、分析和研究
常用柱状图、饼状图、折线图、表格等统计和分析获得的信息。
- 限制条件
设计往往是在特定的情况下针对特定的对象来进行的，需要考虑设计对象的特点；考虑设计人员自身的限制条件，以及成本、制造工艺、环境等其他限制条件。
- 设计定位
设计定位是对预期的产品、服务或系统营造一个明确的环境。产品的设计定位包括使用场景、使用人群，产品的功能、性能、外观风格和价格等基本信息。
第三节 制定设计工作计划
一、设计的分工与合作
设计活动的完成需要由调研人员、分析人员、设计人员、制作人员等组成的设计团队，各小组成员分工合作，分别负责技术原理、造型设计、明星设计等工作，也可一人承担多项任务。
二、时间进度表
为了保证设计工作的顺利进行，需要制定时间进度表，以科学合理的分配时间，保证设计工作有序、高效的进行。
三、任务列表
任务列表是时间进度表的一个补充和细化，包括每一项任务的起止日期、负责这项工作的团队成员和完成度。时间进度表和任务列表需要定期调整。
第四章 放飞设计创意
第一节 产品概念设计
- 功能设计：功能是产品能满足消费者新需求的基本属性
设计的目的是要解决问题或满足需求，所以从产品的功能出发，打破使用常规技术实现产品功能的思维惯性，可以为我们带来更多更好的创意。
拓展：常用的功能创新设计方法
- 功能化设计法：是指乙产品的功能为中心，使用思维创意方法进行的创造活动。
- 功能矩阵法：是把产品所有的功能都列出来，然后针对每种功能法算出不同的解决办法，再把这些办法重新排列组合，得出新的整体解决方案。
- 选择技术原理
设计是从问题和需求出发的，在产概念设计阶段，确定了功能目标后，要实现某种功能，有多种技术原理可以选择，需要对各种技术原理的可行性、技术难度、成本等方面，选出较优的一种。
- 结构与机构设计
结构的本质是为了承受力和抵抗变形，常见的结构类型有实心结构、框架、壳体结构等，例如水库大坝属于实心结构，摩托车头盔属于壳体结构。
机构是由两个及以上构件通过活动连接组成的的构件系统，是传递、转换或实现某种特定运动的机械装置。
第二节 怎样实现创新设计
- 创新思维的特征：
- 开放性：敢于突破思维定时，乐于接纳新信息，善于输出新信息，设计过程推陈出新。多向性：主要表现为发散思维、收敛思维、正向思维、逆向思维等，善于从不同角度思考问题，能提出多种设想，灵活地变换影响事物的因素。独创性：敢于提出雨中不同、前所未有的见解，不受传统习惯和先例的束缚，创造出独特的解决方案
- 创新设计的类型：
- 原理创新：运用一种新技术原理于产品设计中。结构创新：针对产品的内部结构和机械部分的设计，包括产品的强度与稳定性设计、构件间的连接方式合计等，结构设计是设计工作从抽象到具体的主要环节，内容涉及面广。外观创新：是在进行了用户研究和人机分析的基础上，将实用的功能与优美的外观相结合，是具有创造性的活动。外观设计包括形态和比例设计、色彩搭配、材质选择、表面处理等。人机交互方式创新：原来由于技术原因只能由人来完成的某些功能，现在可以交给机器来完成，这样就实现了产品的不断创新；采用新的显示和控制技术改善人机界面，可以使操作更加方便快捷
四种类型的创新设计有时是独立的，有时是结合在一起的。
第三节 收集创意的方法
一、联想法：自由联想法（不连续的自由联想和连续的自由联想）和强制联想法
二、头脑风暴法：集体讨论的方法，是一种激发思维的方法，一般是从问题的准确阐明开始的
基本原则：自由畅谈、以量求质、延迟评判、综合改善
三、思维导图法：发现性思维进行创意挖掘和选择的科学思维方法，是一种简单易学的图像式思维工具，是一种创造性强、便捷有效的发散性思维训练方法。通俗的讲：就是围绕一个中心主题思想，对于中心主题思想产生关联的词或想法进行发散，并用图像和词的形式加以展示。
第四节 创意的表达
- 绘制设计草图
设计草图分为构思性设计草图和表现性设计效果图
[1]构思性设计草图：用于分析、构思和推敲，有快速记录创意的作用
[2]表现性设计效果图：用于最终设计方案的呈现，西药将构思好的形态、色彩、材质准确的绘制出来，用于设计交流。
1、直线绘制；2、曲线、圆和椭圆绘制；3、立体轴测图绘制
立体图分为轴测图和透视图。轴测图绘制简单，在一个投影面上同事反映出物体三个坐标面的形状；透视图反映人们在真实世界看到的景象，分为一点透视、两点透视、三点透视
二、设计效果图
透视图：灭点所在的水平线为视平线，这种大小相等的物体看起来近大远小的现象就是透视现象，应用透视原理能够绘制出具有真实感的立体图。
透视图的类型：一点透视、两点透视、三点透视三种类型
第五章 制定设计方案
第一节 产品初步设计
- 人机界面设计
大多数情况下，产品的功能是通过人和产品互相配合来实现的，所以人和产品之间就需要有信息交流的通道，我们称之为人机界面，人机界面设计的主要工作之一就是确定人和产品各自实现的功能。人要完成所分担的功能，需要一定的信息支持。按照人因工程学的设计要求选择或设计控制、显示元器件，并在一个平面或空间进行合理布局，对于内部嵌有计算机的产品，还要进行软件界面的设计（交互设计），这就完成了人机界面设计。
人机功能关系：信息接受、信息储存、信息处理和执行。
二、产品功能结构设计：任何产品功能的实现都需要经过一定的技术过程：把处理对象从一种状态转化为另一种状态；分析人的使用过程，并用流程图表示出来；然后画出产品的各项子功能及相互关系，也就是功能结构图。
三、产品内部布局设计
确定了实现各功能的零部件以后，需要把这些零部件在空间进行布局，这是一个多方案优化的过程。
第二节 产品深化设计
一、产品造型设计过程：综合美学、人的因素、技术和经济条件等要求，进行总体和零部件的结构及造型设计。在这个阶段要处理好各种要求之间的关系，特别是功能与形式之间的关系，结构与外形设计应同步进行，零部件与总体设计应同步进行。
详细设计阶段包括完全确定产品中所有非标准件的几何尺寸、材料和公差，并确定所有从供应商处购买的标准件，还要为将在生产系统中制造的内一个零件建立工艺规划并设计制造工艺装备。该阶段的输出是该产品的每个零件的几何形状及其制造工装的图纸或计算机文件、外购件的技术要去以及产品制造和装配的工艺过程。
二、造型设计方法
（一）几何体造型法：点线面是立体形态的基本组成元素，常见几何体：立方体、球体、柱体、管体等。
（二）仿生设计法：指模仿大自然中的物体进行产品形态、功能、颜色、结构等方面的设计。形态放生有模仿甲壳虫外形的汽车，功能仿生有模仿蝙蝠发出超声波而研发的超声波雷达，颜色仿生有军队野战服，结构仿生有仿照鸟巢结构而设计的建筑。
（三）移植法：将某一领域中的科学技术原理应用到另一个领域中的创意设计方法。是把多门学科的技术原理引进移植，使不同学科的技术原理有机结合，打破学科内的思维定式，形成跨界的设计。通常有外形移植、情境移植、体验移植和结构移植等
三、外观件的CMF设计
现代产品设计会统一考虑外观件的色彩、材料和表面处理工艺。
第三节 材料与制造工艺
一、材料的分类
天然材料：不改变其在自然界中保持的状态，或只是家低度加工的材料，如木材、竹材、棉、毛、皮革、石材等。优点是安全、无害。缺点是生长周期长，破坏环境和生态平衡。
加工材料：自然界存在的、不能直接使用的，或者自然界不存在的，需要经过人为加工或者合成后才能使用的材料。如金属、玻璃、尼龙、塑料、橡胶等
复合材料：运用先进的材料制备技术，将两种或两种以上不同性质的材料组分优化组合而成的具有综合性能的新材料，复合材料主要可分为结构复合材料和功能复合材料。
智能材料：一中能感知外部刺激，能判断并适当处理本身可执行的新型功能材料。
二、材料的性能 物理性能、化学性能和加工性能 物理性能主要包括与外力有关的性能、与温度有关的性能和与电有关的性能，其中与外力有关的性能通常又称为外料的机械性能或力学性能。材料的化学性能是指材料对外界接触物的耐受性，也就是化学稳定性。最基本的机械性能如下：
强度：材料承受外力而不被破坏的能力；抗拉、抗压、抗弯、抗剪、抗扭
弹性：材料受外力作用改变形状后，当外力消失时恢复原来形状的能力。
韧性：材料抗冲击震动的性能。玻璃韧性较差，受到撞击易碎，橡胶韧性好，常用来制造减震零件。
硬度：材料抵抗刮削、切割或磨损的能力。钢材具有较高的硬度，木材、橡胶的硬度要低一些。
延展性：材料接受折、锻、压等外力，被改变形状、被延伸时没有断裂或者破裂的性能
材料的加工性能是指材料被加工时所体现出来的特性，又称为工艺性能。
- 常用材料及加工工艺
- 木材及其加工工艺
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质地 |
名称 |
介绍 |
用途 |
缺点 |
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较软 |
杉木 |
木质轻而软，木纹顺直、较疏，容易加工且不易开裂，变形小 |
广泛应用于建筑和家具制作，如做房屋的门窗、桌椅的面板等 |
强度相对较差，不宜用来做经常受摩擦和强度要求较高的构件(如家具的腿) |
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松木 |
品种繁多，其中有的性能较好、易加工、变形小，如红松、白松等 |
被广泛用于建筑、家具、乐器制造等行业 |
木质软，易开裂变形，还易析出油脂 | |
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软硬适中 |
樟木 |
木质比杉木硬，强度比杉木高。木纹变化多样，美观 |
纹理结构较细密，韧性好。容易加工;有一股樟脑香气，能防蛀 |
易变形 |
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梓木 |
木纹顺直，纹理均匀 |
变形极小，是上等的中硬度木材，在要求较精致的木制品中常被采用 |
加工成本高 |
2、人造板材：胶合板、刨花板、纤维板、饰面板等，具有可供使用的面积大、不易弯曲开裂、厚薄均匀、表面光洁平整、加工和使用都很方便、价格便宜、美观实用等优点。
3、木材加工工艺
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加工工艺 |
介绍 |
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锯割 |
几乎每一件木工活都是从锯割开始的。如圆锯可以用来“纵切”“横切”，还可以“挖槽”;带锯主要用来“纵切”和“横切” |
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刨削 |
刨削通常是跟随在锯割后面的加工工艺。刨削使木材达到精确的尺寸，并使木材平整、光滑 |
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轴铣 |
在已刨削过的木材上，对一个面或一条边进行加工的工艺 |
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打磨 |
大多数产品需要通过打磨得到一个很光滑的表面。盘式打磨机、辊筒打磨机和带式打磨机都是常用的打磨工具 |
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表面处理 |
打磨后，可以用表面涂层对产品进行表面处理。可以采用油、清漆、油漆和蜡抛光等多种方法进行表面处理 |
- 塑料及其加工工艺 塑料分为热塑性塑料盒热固性塑料两大类
热塑性塑料物态变化是可循环的。加热时，固态塑料会软化、熔解而变为液态;冷却时，又会形成固态并恢复到原来的硬度。常见的热朔性朔料有聚乙烯、聚氯乙烯和聚苯乙烯等，此类塑料不宜制作承受高温的物品，仅可做一般日用品和建筑用品，如瓶类包装材料、水管等。
热固性塑料物态变化不可循环，原料加热后变为液体，可倒入模具成型，冷却后凝固成一定的形状，不能恢复到原来的状态。常见的热固性塑料有酚醛塑料(电木)和尿素甲醛等，此类塑料可用于制作机械零件、座椅、工具手柄、电器壳体等。
塑料加工一般包括塑料的配料、成型、接合、装配、机械加工和表面处理等，后四个工序是在塑料已成型为成品或半成品后进行的，又称为塑料二次加工。
塑料的具体加工工艺如下:
(1)塑材配料:塑料加工所用的原料，除聚合物外，还要加入各种塑料助剂(如稳定剂、增塑剂、着色剂、润滑剂、增强剂和填料等)，以改善制品的使用性能并降低制品成本。
(2)塑料成型:将各种形态的塑料(粉、粒溶液或分散体)制成所需形状的制品或坏件。加工热塑性塑料常用的方法有挤出或注射成型、吹塑和热成型等。加工热固性塑料一般采用模压、注射成型等。上述塑料加工的方法，均可用于橡胶加工。
(3)塑件接合及装配:把塑料件接合起来的方法有焊接和粘接等。用黏合、焊接以及机械连接等方法将制成的塑料件组装成完整制品。
(4)机械加工:用于制造尺寸精确或数量不多的塑料制品，也作为成型的塑料加工辅助工序。对朔料进行机械加工时，所用刀具及其切削速度等都要适应朔料热导性差、热膨胀系数低的特点。常用机械加工方法有锯、剪、冲、刨、钻、磨、抛光、螺纹加工等。
(5)表面处理:由于大部分塑料的表面附着能力低，装饰、印刷、喷涂等处理方法都不能直接使用，进行表面处理的常用技术有溶剂清洗(脱脂)、电晕处理、短波紫外光辐射处理、砂纸处理、喷砂处理、等离子蚀刻、化学蚀刻、加热处理等。
（三）金属及其加工工艺
金属材料一般可分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属主要是指铁及其合金;有色金属为不含铁金属，包括轻金属(铝、镁、锂等)、重金属(铜、锌、镍等)、贵金属(金银铂等)和稀有金属(钨、钼、钽、钛等)等。
金属加工工艺主要包括金属的成型加工和金属的表面处理。金属的主要成型方法有铸造、塑性加工、焊接和切削加工等。
(1)铸造:是指将熔融态金属浇人铸型后，冷却凝固成为具有一定形状铸件的工艺方法，相对其他成型方法有适应性强和成本低廉的特点。
(2)朔性加工:是指在外力作用下，使金属坏料产生预期的朔性变形，从而获得具
有一定形状、尺寸和机械性能的毛坏或零件的加工方法，能够使产品的功能性与美观性达
到协调统一，以其生产效率高、质量好及成本低等优点在产品生产中占有重要地位。金属的塑性加工方法主要有轧制、挤压、拉拔、自由锻造、模型锻造、板料冲压等。
(3)焊接:将分离的金属用局部加热或加压等手段，借助于金属内部原子的结合与扩散作用牢固地连接起来，形成永久性接头的过程称为焊接。金属焊接按其过程特点可分为熔焊、压焊和钎焊三大类。
(4)切削加工:是利用切削刀具在切削机床上(或用手工)将金属工件的多余加工量切去，从而获得符合要求的几何形状、尺寸精度和表面粗糙度的加工方法。金属切削加工可分为钳工和机械加工两部分。钳工的基本加工方法有划线、錾切、锯割、锉削、钻孔、攻丝、套扣和刮研等。机械加工包括车削、铣削、创削、磨削、钻削、镗削等。
四、设计时如何选择材料
在设计时，如何正确、合理地选用材料是一个实际而又重要的问题。它是设计的起点，并影响到设计产品内在和外观的质量。选择材料不仅要考虑材料自身的特性应与设计产品相适应，还要考虑材料与人、环境的有机联系。选择材料时，考虑的要点如下:
(1)材料的固有特性应满足设计产品的使用功能、使用寿命等要求。产品的使用功能和寿命是最基本的，也是主要的设计要求。所以，首先必须考虑材料的固有特性能否实现产品的功能，材料的耐久性能否保证产品的使用寿命。在此前提下考虑其他问题才有意义。
(2)材料的工艺性应方便设计产品实现制造结构，有利于优化生产加工工艺过程。产品的制造结构对应着制造工艺，如模铸、冲压、弯折或切削等。要考虑材料的工艺性是否适应制造要求，并在可能的前提下优先选择工艺难度小和生产成本低的材料。
(3)材料的质感应与设计产品的造型特点、民族和地域特征、文化艺术品位等设计风格相协调，以实现较好的外观效果。
(4)有安全性等特殊要求的产品或零部件的选材要按照有关标准选用。例如，医院的某些电疗设备与病人接触的部位，其表面应选择绝缘目抗静电的材料。
(5)在满足设计要求的基础上，优先选择资源丰富、价格低廉、有利于环保的材料。
(6)注意市场调研，了解消费者对选材的期望，并在合理的前提下尽量满足消费者的需求;同时，注意发挥新材料的优势为设计服务。
(7)注重人类社会可持续发展原则，设计选材时应研究产品的整个生命周期对自然环境的影响，要尽最减少对环境的污染和破坏，减少对资源的浪费，充分考虑材料的回收、再生和重复利用，以利于节约资源和保护环境。
五、产品的装配
装配是将材料和零部件“组合”成结构或产品的过程，有三种不同类型的连接方法，分别是永久连接、暂时连接和活动连接。
（一）永久连接
木材的永久连接包括斜接、齿接、半叠接、插接、对接、搭接、榫接(图5-37)，以及黏合剂胶合等:金属的永久连接包括钎焊、熔接、铆接、胶合等;朔料的永久连接主要为胶合。
（二）暂时连接：在某些时候不得不分离或“不完整”的连接。
（三）活动连接 线性活动连接和转动活动（旋转）连接
第四节 设计的工程表达
一般的工程表达方法有工程制图(尺寸图)、3D建模图、渲染图和模型的制作等。
常见的技术语言有图样、图表、模型、符号等。用于进行设计交流的图有透视图和三视图等。这里介绍制图标准、绘图工具及三视图和装配图。
- 制图标准
（1）图纸幅面：有5种
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幅面代号 |
A0 |
A1 |
A2 |
A3 |
A4 |
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尺寸BxL |
841mmx1189mm |
594mmx841mm |
420mm x594mm |
297mm x420mm |
210mmx297mm |
(2)字体：对图样中字体的要求是字体工整、笔画清楚、间隔均匀、排列整齐。按国家标准规定，汉字应写成长仿宋体，并采用国家正式公布推行的简化字，字母和数字可写成斜体和直体。斜体字字头向右倾斜，与水平基准线成75°。
(3)比例:指图样中的图形与其实物相应要素的线性尺寸之比。标准规定了优先采用的比例。无论采用何种比例，图形中标注的尺寸数值均应是物体的真实大小，与绘图的比例无关.
(4)图线:所有线型的图线宽度(d)按图样的类型和尺寸大小， 1:1 在013~2mm数系中选择。
（5）尺寸标注：
尺寸的三要素:尺寸由尺寸界线、尺寸线(包括箭头)、尺寸数字(包括必要的符号字母) 三要素组成
①尺寸界线用细实线绘制，并由图形的轮廓线、轴线或对称中心线处引出;也可以借用图形的轮廓线、轴线或对称中心线作尺寸界线。
②尺寸线用细实线绘制，且不能用其他图线代替；尺寸线终端一般用箭头表示尺寸的起止。
③尺寸数字表示机件的真实大小(单位为毫米时，在图中不标单位)，一般标注在尺寸线的上方，也可标注在尺寸线的中断处。水平尺寸的尺寸数字字头朝上，垂直尺寸字头朝左，倾斜尺寸字头有朝上的趋势。
①标注角度时，尺寸界线沿径向引出，尺寸线是以角度顶点为圆心的圆弧。
②标注直径或半径尺寸时，应在尺寸数字前分别加注符号“ф”或“R”。
③在标注球面的直径或半径尺寸时，应在符号“ф”或“R”前再加注符号“S”
（三）三视图及绘制
三视图：三视图是指用三个相互垂直的投影面中的视图来表示物体的形状和大小，叫三视图。
三视图投影规律：主视图反映物体的长和高，俯视图反映物体的长和宽，左视图反映物体的高和宽。长对正，高平齐，宽相等。
主要绘制步骤：选主视图。选定主视图时，应考虑如下因素:物体摆放应使尽可能多的表面平行或垂直于投影面;选择能反映物体主要形状特征的方向为主视图投影方向;同时考虑尽量使俯视图和左视图简单易画，虚线少。
(四)装配图及识读
装配图是表达产品、部件及其工作原理与装配关系的图样，主要用于产品及其部件的装配、调试、安装、维修等工作，是设计、制造和生产过程中所需要的重要技术文件。
一张完整的装配图包括:①产品或部件的完整视图；②尺寸标注，以反映产品或部件的必要参数；③标题栏和明细栏：按照国家标准绘制标题栏和明细栏，并按要求将零部件进行编号和填写，备注该产品或部件在装配、检验和使用等过程中的要求。
三、计算机辅助设计
计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)是有着手工制图不可比拟的优越性，现已广泛应用于机械、建筑、电子、航空、汽车、化工、艺术等诸多领域。
优点：提高工作效率，降低劳动强度；精度提高、方便保存；效果逼真。
基本功能：绘制二维图；进行三维设计；进行参数化设计；进行工程分析。
二、技术试验
1、技术试验是从技术角度对材料、元器件及整机产品进行测试和试验。
- 技术试验的方法：实物实验、对比实验、模拟实验、计算机仿真实验。
- 发现与明确问题：
- 设计问题的来源：人类生存活动中必然会遇到的问题。由别人给出问题，设计者必须针对问题寻求解决方案。基于一定的目的有设计者自己主动发现问题。
- 明确设计要解决的技术问题：判断问题是否能够解决（科学性）；判断问题是否当前可以解决（当前的技术，自身的能力，时间，经费等是否有）；判断问题是否值得解决。
- 信息的收集：全面、真实准确。
第六章 制作模型或原型
第一节 认识模型和原型
一、模型与原型概念
[1]、模型：根据实物、设计图样或构思，选用合适的材料、工艺进行加工，使之形成具有三维立体形态的实物。在产品设计过程中，模型可以表达产品造型、结构关系、人机关系，供设计人员推敲、完善设计方案，是设计人员自身检验和与其他人员相互交流的一种方式。
产品模型分为草模、功能模型、展示模型等。
草模是在设计初期，设计人员在构思草图的基础上，自己制作的能表达设计产品形态及基本体面关系的模型，多用于研究、推敲产品的基本形态、尺度、比例和体面关系。
功能模型是验证产品功能设计合理性的模型，主要用干研究产品的一些物理性能、力学性能及人机关系，进而找出设计存在的问题以便继续修正。
展示模型通常是在设计方案确定后，按所确定的形态、尺寸、材质及表面效果等要求精细制作而成，其外观与产品有相似的视觉效果，但通常不反映产品的内部结构，具有展示、宣传、设计交流与评价等作用
[2]、原型：采用实际生产材料并严格按设计要求对产品的外观形态和内部结构进行真实、准确制作的实物。原型在选用材料、结构方式、工艺方法、表面装饰等方面都应以批量生产要求为依据，几乎接近实际产品。通过对其进行生产前的综合实验分析，可避免不必要的设计浪费，还能缩短设计研发与生产试验周期，最终确定是否可以进行批量生产，是实现产品研发到正式生产前的关键环节。
二、模型制作流程
一般来说，模型制作主要包括以下几个步骤：
1.选择合适的材料：用于制作模型的材料品种较多，我们要根据模型的种类及制作的要求来选择适当的材料。模型材料的选择，不仅影响产品模型的外观、质量，还制约了制作的方法。
2.选择适当的工具和设备：应结合材料特性和工艺要求，选择安全性和加工效率较高的工具或设备。用于模型制作的工具和设备有木工、金工、电子电工等的常见工具及三维打印机、激光雕刻切害机等数字化加工设备。
3.加工零件运用加工工具对选用的模型材料进行成型加工。模型的零件主要运用堆、切、锯、雕、刻等方法进行加工。
4.组装在组装之前，一定要认真思考各零件之间的连接方式，是永久性连接还是暂时连接，是线性活动连接还是转动活动连接，等等。对于某些结构简单的模型，可能只有一个零件，这样就无须组装。
5.表面处理模型的表面处理主要是对其进行色彩涂饰，以及文字、商标和识别符号的粘贴等。并不是所有模型都需要进行表面处理，如制作完成度要求不高的草模就可以不用对其进行表面涂饰
三、常用模型材料及其制作工艺
可用于模型制作的材料有很多，金属、塑料、木材、石膏、纸材、黏土、油泥等都可作为制作模型的材料。油泥材料由黏土、凡士林、油料、蜡、树脂、填料等配制而成，是一种软硬可调、质地细腻均匀、附着力强、不易干裂变形的有色造型材料。油泥主要用于汽车等工业产品的模型制作以完成形态设计评价、修改，以及工艺品、五金、塑胶开模等。油泥的可塑性极强，可循环使用。
第二 常用模型制作工具
- 量具和常用手动工具
- 量具：钢尺、卷尺、游标卡尺、直角尺等
- 划线和画线工具：金属材料划线工具有划针、划规、样冲等，木工是墨斗、铅笔
- 切割工具：美工刀、勾刀、曲线锯、框锯、板锯、钢锯等
锯割要领：框锯锯割时，站位和握锯姿势要正确，开始下锯起势要短，用力要轻，运锯时，用力要均匀，不能推拉过猛。锯架要握稳，不要左右摇摆，提锯要轻，送锯要重，动作要有节奏。
- 打磨工具：砂纸和锉刀。砂纸分为干砂纸、水砂纸、砂布等；锉刀有钳工锉、木工锉。
安全提示：
木工锉不能用来锉金属材料，不能作橇棒或敲击工件;放置木工锉时，不要使其露出工作台面，以防锉刀跌落伤脚;也不能把锉刀与锉刀叠放或锉刀与量具叠放。
[锉削]操作要领：1.锉削时要注意身体和手臂动作的协调2.在推锉过程中，左手的施压要由大变小，右手的施压要由小变大，使锉刀平衡而不上下摆动。
- 装卡工具：台钳、平口钳、C型钳、手钳等
- 钻孔工具：手摇钻和弓摇钻
- 冲击工具：斧、木工锤、手锤、橡皮锤、羊角锤等。
- 錾凿工具：錾子、木工凿、木工刻刀
- 攻丝套丝工具：加工内螺纹叫攻丝，工具是手用丝锥和攻丝绞手；加工外螺纹叫套丝，工具有板牙和板牙架
- 电子电工工具：验电笔、焊接工具（电烙铁、偏口钳、尖嘴钳、剥线钳、镊子等辅助工具）、万用表、示波器等。
安全提示：在焊接过程中，禁止触碰烙铁头，以免烫伤。当不用电烙铁时，请将它放回烙铁架上，并切断电源。
二、电动工具
（一）切割类电动工具：电动曲线锯、电热丝切割机等
安全提示：
(1)严禁在通电状态下装卸锯条。
(2)加工时，双手应远离锯条的移动路径前方，以免发生危险。
(3)使用电热丝切割机时，不得用手直接触摸电热丝，以免烫伤。
（二）打磨类电工工具：砂带机、砂轮机等
安全提示：在使用电动打磨工具时，由于电机转速很快，一定要做好安全防护措施，严格遵守操作规程，注意安全!
(1)操作时，务必佩戴防尘面罩。
(2)启动打磨机后，先空转，待运转正常后再使用。
(3)严禁戴手套操作，不允许两人同时使用一台打磨机，严禁围堆操作。
(4)打磨工件时，不能用力过猛，不准撞击砂轮，以免砂轮破裂伤人。
（三）钻孔类电动工具：手电钻和钻床
安全提示：
(1)在使用电动钻孔工具时，应佩戴护目镜和工作帽，严禁戴手套。
(2)使用前先空转一下，检查电钻运转是否正常。
(3)严禁手持工件，应用夹具把工件牢牢地固定在工作台上。
三、数字化加工设备
（一）激光雕刻切割机：掌握使用的一般步骤和方法
(1)利用二维矢量绘图软件绘制需要加工的图形。
(2)将需要加工的工件图形导人激光雕刻切割机控制软件中。根据不同材料或同一材料的不同厚度，设置合适的功率和速度，以免造成材料切割不透或熔边现象的发生。
(3)对激光头进行定位，开始切割。加工过程中需要打开通风设备，以排出材料灼烧时产生的气体。
(4)切割完成，关闭设备。
安全提示：
(1)使用激光雕刻切割机之前需要接受专业培训，以免因操作不当造成人身伤害或机器损坏。
(2)设备运行时，操作人员不可远离，谨防火灾。
(3)操作时不可直视激光束。为避免激光对眼睛造成伤害，应佩戴防护眼镜。
(4)严禁在激光束附近堆放纸张、布料、油脂等易燃物品，避免发生火灾。
(5)在加工过程中发现异常时，应立即停机。及时向老师报告。
(6)加工完毕，切断电源。及时清理附着在台面上的碳化物；及时清理废料仓内易燃材料。
（二）三维打印机
三维打印(3Dprinting)是一种以数字模型文件为基础，运用粉末金属或塑料等可黏合材料，通过逐层打印的方式来构造物体的技术。三维打印机可以将一个复杂的设计通过组合不同的原材料，以过去不可能的方式制造出实物。目前，三维打印机的应用领域非常广泛，在航空航天、建筑、医疗、食品、珠宝、汽车、服装、教育等领域都有应用。
三维打印的基本过程是将计算机辅助设计的产品三维模型，经电脑分层处理后，把原来的三维数据变成二维平面数据，按特定的成型方法，逐点逐面地将成型材料一层层加工，并堆积成型。
三维打印机主要分为大型工业三维打印机和桌面型三维打印机
（三）数控机床
数控机床是计算机数字控制机床的简称，是一种由程序控制的自动化机床。其控制系统能够逻辑地外理具有控制编码或者其他符号指今规定的程序，通过计算机将其译码，从而使机床执行规定好的动作，通过刀具将毛坯料加工成半成品、成品零件。
数控机床主要应用于汽车、航空航天、军事工业等领域。由于它是通过控制编码的方式控制加工，因此自动化程度较高，适用于大规模批量加工。对于模型制作来说，一般用于制作精确的外观模型或原型。
第七章 设计的评价与交流
第一节 技术试验
- 什么是技术试验
在技术活动中，为了检验产品是否达到了预期设计目标而进行的探索性实践活动称为技术试验。一项新产品设计制造出来后，它的设计是否科学合理，性能和质量是否合格，都需要通过技术试验来进行验证。
二、技术试验的特点与类型
技术试验有试探性和实践性等特点。
常见的技术试验有优选试验、模拟试验、强化试验、破坏试验、整体运行试验和虚拟试验等。
优选试验：用于设计参数或设计方案的对比和筛选，如不同水稻品种的对比试验。模拟试验:通过人为设计试验场景来模拟真实发生情况的试验。如汽车环境风洞试验。在专用场所就可制造出变化多端的天气情况，用来测试汽车在极端环境下的性能。
强化试验：产品在出厂前，为了提前获取产品的使用寿命数据，人为地强化试验条件，如椅子椅背和椅面的疲劳耐久性试验。
破坏试验：检验产品的最大承载力或在某种特殊状态下的安全性试验，如汽车的碰撞试验。
整体运行试验：在产品正式投入使用前进行的整体运行试验，如飞机的试飞、地铁线路的试运行等。
虚拟试验：借助计算机软件进行的虚拟仿真试验，如结构件的静态应力分析、散热效果仿真分析、风洞软件模拟测试等。
三、简单的技术试验
四、技术试验报告
在技术试验完成后，需撰写技术试验报告，作为试验结果的书面依据。报告的内容通常包括试验题目、试验目的、试验准备、试验方法和步骤、试验数据记录、试验结果分析和试验结论等。
第二节 评价、优化设计
设计的评价是指依据设计的原则或要求，使用某些评价方法，对设计的过程和结果进行价值认定的活动。
一、评价设计
(一)过程性评价
过程性评价是对设计过程中各环节进行的评价，包括过程是否完整、分工是否合理、节点性任务是否保质保量完成等。需要明确活动中各环节或阶段的主要任务和目标是什么，然后有针对性地制订过程性评价指标。由于设计过程中各阶段的目标和内容不同，评价标准也就不同，可以有所侧重。总之，应该从目标出发，着手制订具有客观、明确、容易操作等特点的评价标准。
(二)终结性评价
终结性评价是指对最终作品(产品)本身的总结性评价，是从技术的功能性、可靠性、创新性、文化性及专利保护等角度进行的全面而整体的评价。设计评价的标准同设计的基本原则存在着有机联系。设计要求是设计的目标和方向，所以对作品(产品)的评价，可结合设计的基本原则和事先确定的设计要求进行。
一般说来，可将科学性、功能性、美观性、创新性、经济性、人机适用性、文化性、可持续发展和专利保护等作为评价设计的基本内容。
二、优化设计
评价设计的目的是让我们更科学而全面地了解设计的情况，便于互相交流、获得反馈意见，为优化设计提供依据。设计的过程有设计、评价、优化三个环节循环往复的特点。产品只有通过不断地优化和改善，技术才会越来越成熟，设计才会越来越合理。教师办公室用生态垃圾桶是一个实用型的简单产品，评价的首要原则可选定为功能性，其次为美观性，然后考虑人机适用性等其他因素。
(一)功能性的优化
垃圾桶的设计首先要实现自身空载时具有良好的稳定性，然后实现投掷和满载时有较好的稳定性。
(二)美观性的优化
外观设计应考虑与其使用环境相协调，造型优美，外形、鱼彩、质感与其功能相协调，整体效果朴实、简约。形式美方面要看是否符合一条或几条设计美学规律。
(三)人机适用性的优化
从人因工程学的角度考虑，要看使用者在使用这款垃圾桶时是否方便、好用，心情是否愉悦，是否容易发生误操作，误操作后会不会发生危险等。
评价报告的内容包括:标题、评价对象、评价目的、评价细则、评价结论和改进建议等。优化设计方案可绘制设计草图和工程图，进而修改模型。
三、产品的交流
1、直接交流
直接交流是指产品设计者或宣传推广者与产品消费者之间面对面地直接接触，通过产品设计者或宣传推广者的语言、动作等方式实现设计的交流。这种交流方式最直接有效。但有较多的局限性，如人力、时间等方面的限制。
2、间接交流
间接交流是指产品设计者或宣传推广者借助一定的载体，以一种特殊的方式间接地实现设计产品与消费者之间的交流。间接交流的方式有文本、图表、模型、广告媒体、网络等。
广告媒体一般有展示册、海报、动画、影片等。它是通过艺术的方式把要表达的问题巧妙、灵活、生动地传达给消费者的一种交流方式。
网络是当今普遍使用的交流媒体，通过网络电视、移动互联软件等方式可实现快速高效的传播，不受时间和空间的制约。
第三节 产品的使用与维护保养
- 撰写产品使用说明书
(1)设计说明:主要介绍该产品的设计特点、规格型号、产品原理、产品结构和技术参数。
(2)使用方法:主要介绍该产品使用前的安装方法和注意事项，使用时具体的、正确的操作方法。
(3)注意事项:主要介绍使用该产品时要着重注意的地方，或者是有可能产生的负面作用，以消除在使用时或使用后有可能带来的安全隐患;还应该包括出现意外情况时的应急解决方法和出现故障时的维修处理办法。
(4)联系方式:主要写清制造商或销售商的名称、地址、邮编、售后服务电话、传真、网址等。
二、产品的维护和保养常识
产品的维护和保养指的是定期检查产品的工作状态，并使用一定的方法维持其良好的工作状态。学习维护常识，一方面注意看产品说明书和有关维护方面的书籍，上网浏览产品维护常识方面的信息等；另一方面应勒动手，学会较熟练地使用扳手、螺丝刀、钳子、电烙铁、小刀、锤子等常用工具和万用表等仪器对技术产品进行日常维护，试着解决一些小故障，提高自己的操作技能和实践经验。但应注意不要在无把握情况下乱拆乱动较复杂的技术产品。
技术与设计2
第一章 结构及其设计
第一节 初识结构
一、结构实例感受
二、结构的含义、功能和分类
(一)结构的含义与功能
结构是指组成某体系的各部分单元之间的搭配和排列(布局安排)确定的搭配和排列决定了该体系的性质和形态。结构的各组成部分，通常称为构件。
结构是可承受一定力或力矩的架构形态，抵抗变形或产生需要的变形是结构的本质。
(二)常见结构的类型
1、实心结构
水库的大坝、房屋的墙体、城墙等都属于实心结构。它的特点是能承受较大的压力。特征是几何外形简单，通常有杆(柱)板、体等之分。
2、框架结构
房屋的门、窗常用木框架。现在有了铁框架、塑钢框架和断桥铝框架。塑料大棚的棚体，可以是钢铁框架。也可以是竹木框架。自行车车体是钢管桁架式框架。输电铁塔是铁质桁架式框架，等等，都是框架结构。框架结构的几何外形多种多样，自身质量较小，能承受各种荷载，依据功能和使用条件的不同，可以设置成不同框架的组合。框架结构通常由杆件组成。
3、壳体结构
壳体结构是指由曲面形板与边缘构件(梁、拱或桁架)组成的空间结构。日常使用的各式各样的水杯、水壶、文具盒、存钱罐，用钢板制成的坦克，用于太空飞行的舱体，液化石油气储罐，运油的圆柱形车载大油罐，航道标志用的浮标，等等，从架构与形态上看，都属于壳体结构
结构是可以承受一定 应力 的物体形态，结构可以抵抗引起形状和大小改变的力。
（作用在结构和构件上的五种力的形式：拉力、压力、剪切力、弯曲力、扭转力）
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拉力 |
压力 |
弯曲力 |
剪切力 |
扭曲力 |
变形：在外力作用下，结构会发生几何形状的改变，构件的形状和大小也会有改变，这些改变在工程上称为变形。
第二节 典型结构分析
- 单杠结构分析
二、棚室屋架结构分析
(一)棚室荷载与立柱受力
棚室屋面下边的梁、立柱和墙，共同承受着屋顶部的荷载。这里的荷载有静载与动载之分。
对于立柱和墙来说，静载包括屋面梁(有时还有檩)的重量，属于不随时间变化的永久性荷载；动载包括雪载、风载等，属于随天气情况变化的可变性荷载。
(二)梁的受力
(三)拱结构的应用
棚室一般多采用拱结构。拱结构，即中间高四周低，是弧形曲面的一种结构。拱结构对承受荷载有利。荷载压力作用于拱上，拱把力传到其四周的支撑上。
三、钢箱梁桥结构分析
生活中存在各种梁的应用实例，特别是在桥梁工程和建筑工程中，普遍采用梁理论进行结构分析和设计。钢箱梁又叫钢板箱形梁是桥梁工程中梁的一种，内部为空心状，由顶板底板、腹板和加劲肋等构件组成外形像一个箱子，是大跨径桥梁常用的结构型式，具有质量小节省钢材、抗弯和抗扭刚度大、安装迅速、外形简洁美观等特点。
第三节 结构的强度与稳定性
- 结构技术试验及其过程评价
- 问题的提出：怎样理解“结实”和“稳”
- 尝试结构技术试验
- 技术试验过程的评价
技术试验评价的任务是对试验数据和资料进行整理和分析，根据不同的要求和标准对被试验的对象进行综合评价。试验评价的方法很多，其中最重要的就是试验数据处理分析方法和综合评价方法。
试验数据处理和分析方法，是对大量的观测数据进行整理，从而获得试验因素、条件与性能指标间的规律性认识。常用的方法有极差分析法、图解法、回归分析法、方差分析法等，应用这些数学方法对试验数据进行分析和计算，得到试验结果。
综合评价方法是在试验数据整理分析的基础上。综合社会、经济和人的因素来分析考查的方法。最基本的是检查表法，即将试验所获得的数据与以往试验所获得的相应数据和该次试验设计的技术数据列表对应检查，做出优劣评价。
二、应力与强度
构件在外力作用下发生变形的同时，构件内部分子之间随之产生一种抵抗变形的抵抗力，称为内力。内力，是用来抵抗外力与变形，并力图使变形部分复原的力。
作用在单位面积上的内力，称为应力。
F为内力；S为构件截面积。应力的计量单位为N/m，工程中称为Pa。
通常物体结构抵抗破坏的能力用强度来表述；而用应力来衡量强度，既科学又确切。
三、影响结构强度的因素
(1)形状。构成的形状略有改变，强度就会改变。
(2)材料。不同的材料有承受不同应力极限的能力。形状相同，材料不同，强度就不同。
(3)材料的连接方式。不同的连接方式，受力传递方式和效果不一样。
四、影响结构稳定性的主要因素：
结构的稳定性与结构的几何形状、支撑面积和重心位置密切相关。也就是必须做到：结构的几何形状科学合理、结构的支撑面积越大越好、结构的重心越低越好。
第四节 结构设计与制作
怎样才能将原型制作好？需要满足两方面的必要条件：
一是保证达到设计标准，如设计方案中描述的杆件和小横桩的数量、材料、尺寸等。
二是保证拥有良好的特性，如承载的强度与稳定性等。
第五节 典型结构欣赏和结构设计评价
从技术与 文化两个角度进行：
技术角度：使用功能、稳固耐用、造型设计的创意和表现力、材料合理性、工艺精湛程度等。
文化角度：文化寓意与传达，美学原则，反映时代、民族、习俗方面特征，个性特征等。
第二章 流程及其设计
第一节 了解流程
1、流程的含义：
(1)过程中包含了若干个小过程。也就是说，活动或事件在其发展的过程中，依据某种特征或方式，可将该过程分解为若干个小过程，这些小过程称为环节。比如，切种环节、布种环节、掩种环节;购票、安检、候车、检票、上车、下车、出站环节。
(2)过程的经历中，各环节按照一定的时间顺序先后出现、完成。这种时间顺序关系，称为时序。如切种→布种→掩种:购票→安检→候车→检票→上车→下车→出站。
具有以上两大特征(关键点)的过程即若干环节随着时间的变化、依序完成的进程。称为流程。
第二节 流程分析
流程图有文字表达、表格表达、图示表达、模型表达、动画演示等。会画流程图
第三节 流程环节和时序的获取
第一种，流程的环节是显性的，即流程的进行、发展规律比较容易看出来，比较容易描述。
例如，在医院看病的流程，它的环节、时序是显见的。虽可有多样组合，但都是比较容易设计的。
第二种，流程的环节不是或不全是显性的，即需要经过大量试验和较长时间的探究后，才能得到它的内在属性和规律，从而得出流程应包含的基本环节与必经时序，设计出较为成熟的、合理的流程。
第四节 流程优化
（一）流程优化的目的：
对流程的优化，不论是对流程整体的优化，还是对其中部分的改进，如减少环节、改变时序，其目的都是为了提高工作效率、提高产品质量、降低生产成本、节约能耗、保护环境，或者是为了进一步提高学习和工作的自觉性，提高办事效率等。
一般来说，改进后的流程在环节上大都趋向简化，但也不尽然。有时，增加环节也是优化。
（二）流程优化的内容：
工期优化：例 制作台灯的工期优化
工艺优化：例 法兰加工工艺优化
成本优化：例 配送路线安排的成本优化
技术优化：例 银行自动取款机的发明
质量优化：例 洗衣流程的优化
注：工期优化目的是为了缩短加工时间。主要手段是在不改变工艺的条件下，将某些环节的串行改为并行。
第五节 流程设计评价
(一)流程设计评价内容 主要包括以下三个方面:
(1)流程设计的方案及其论证的可行性。(2)流程设计的环节时序的科学性。(3)流程设计优化方向的合理性。
(二)评价方式与做法
采取自评、互评与师评相结合的评价方式。
第三章 系统及其设计
一、系统的含义与分类：
1、系统：系统是由相互依存的若干个部分组成的、具有特定功能的有机整体。或者说，系统是由相互依存、相互作用的若干个元素构成的，并完成特定功能的统一体。
构成系统必须具备的三个条件：
（1）至少要有两个或两个以上的要素（部分）；
（2）要素（部分）之间互相联系、互相作用，按照一定方式形成一个整体；
（3）整体具有的功能是各个要素（部分）的功能中所没有的。（系统最主要的功能）
系统和子系统：系统有大有小，有简单有复杂。任何系统都是由子系统组成。子系统各具功能，它们之间相互依赖和相互作用，共同完成系统的整体功能。如人体系统是由呼吸系统、神经系统、消化系统、分泌系统、骨骼系统等子系统组成。
2、系统的分类：
自然系统和人工系统、实体系统和抽象系统、动态系统和静态系统、封闭系统和开放系统
二、系统的基本特性
(一)整体性
系统的整体性也称为集合性，是系统的基本属性。系统不是一些元素的简单集合，也不是一些组成部分的简单数量上的相加，而是一个有机整体。系统的结构、工作方式决定于系统的目标、效益的需求。系统要求它的局部服从整体。强调整体性。如案例中的洗衣机、龙舟虽分属不同的系统，但它们都具有整体性。
(二)相关性
系统的相关性也称为关联性。构成系统的各部分之间是相互依存、相互作用、相互支撑、相互影响的，是彼此相关的。如赛龙舟系统中各子系统的设计，比赛时各子系统协调配合是取得比赛胜利的保证。
(三)功能性 每个系统都具有特殊的功能，这是区别不同系统的主要标志。如洗衣机用于洗涤，而龙舟用于比赛。
(四)环境适应性
系统都存在于一定的环境之中，并不断地与外界环境进行物质的、能量的和信息的交换。系统必须适应外部环境的变化。如洗衣机、龙舟工作于不同的环境，它们应具有不同的环境适应性。
三、系统分析的基本方法
(一)系统的基本思想
作为系统，它们都具有整体性、相关性、功能性和环境适应性。系统的这些基本特性构成了系统的基本思想。
(二)系统分析的基本方法
运用系统的思想和定性、定量相结合的方法对系统进行分析，就是系统分析的基本方法。三阶段：阐明问题:分析的对象(系统)系统的整体功能和系统的组成。
分析研究:系统内部机理，如洗衣机采用波轮旋转激起水流;系统内部各子系统的关联、配合;系统与其外部环境的关系:基本的定量分析。
评价比较:系统性能、品质评价、系统运行效果评价:同类系统间比较，找出优劣。
四、系统优化
系统需要改善，改善就是优化。所谓优化，就是要在给定的约束条件下确定优化目标，找到某种方案去求解问题，并得到最优效果。这种问题，称为优化问题;这种方案，称为优化方案。
优化，可以是最小化的优化，也可以是最大化的优化。两者的本质是相同的，即优化。
（一）系统优化的意义：获取系统的最佳效益或最佳功能
(二)影响系统优化的因素与最优方法
1、影响系统优化的因素
首先，优化追求的目标要适度。目标选得低，达不到优化。目标定得太高，脱离实际。实现不了，等于没优化。如修筑致富路，路的级别不能定得太高。
其次，实施系统优化，总要有付出，或称投入。希望取得的效果(如经济效益)达到最大，而投入(如经费)最小。两者之比，称为效耗比(即效益/耗费)。显然，效耗比越大，就越接近或达到最优化。再次，系统优化是离不开条件的。最后，还应注意的是，某些不确定性的或不可预见的因素也会影响系统优化。因此，在优化实施过程中，要及时调整计划与方法，回到优化之路。
2、最优化方法
为了使系统达到最优化的目标所提出的各种解决方法，称为最优化方法。最优化方法是系统学中的一个重要方法。它通常是指在一定人力、物力和财力资源的条件下，使取得的效果(如生产产值、利润、效益等)达到最大，而投入(如能源、资金、人力、时间等)降到最小的一种方法。
3、最优化的一般步骤
(1)提出需要最优化的问题，收集有关资料和数据。
(2)确定变量，建立定量计算方程(有关数学模型)和有关约束条件。(3)选择合适的最优化方法。(4)解方程，校验解的最优性。(5)实施。
五、系统设计的基本原则
1、以实现系统基本功能为首要原则。
2、利用子系统间的关联关系，合理解决子系统的冲突，综合处理的原则。
3、追求效益的最大化及优化是系统设计追求的永恒目标的原则。
4、可实现动态调整的原则。
5、人性化设计的原则。
6、具备战略性的思考，即设计应有相对的稳定性和适应可持续发展的原则。
第四章 控制及其设计
一、控制的含义
人们根据自己的目的，通过一定的手段，使事物沿着某一确定的方向发展，就形成了控制。
这里所说的手段就是控制技术。现代控制技术通常是指自动控制技术。自动控制是科学和技术的一个重要分支。自动控制系统能在无人直接参与的情形下运行，并承担人的某些职能。
控制分类：人工控制、自动控制
二、控制系统的基本组成和工作过程
(一)控制系统的基本组成
简单的控制系统由两部分组成，即被控对象和控制装置。其中的控制装置，包括传感器、控制器、执行器等环节。对于闭环控制系统来说，还包括反馈环节和比较环节。
(二)开环控制系统与闭环控制系统的比较
开环控制系统的结构和原理比较简单，信息从输入端经控制器、执行器传到输出端。仅有一条开放路径。它的最大缺点是控制精度(精确度)不高。
闭环控制系统的结构较为复杂，信息流经的路径为闭合的环路，信息流自输入端传至输出端，输出端信息又反传回输人端的比较环节，构成一个封闭的闭合回路。它可以有较高的控制精度和较强的抗干扰性能。
2、开环控制与闭环控制
将控制的结果（即比较量）与反馈回来的希望值（即基准量）进行比较，并根据它们的误差及时调整控制作用的系统，称为闭环控制系统。（如玩游戏、空调）而不将控制的结果反馈回来影响控制作用的系统，称为开环控制系统。（如抛出的纸飞机、投篮球，电风扇的控制）
三、控制系统框图
1、简单开环控制系统的基本组成和工作过程：
概念：控制系统的输出量不对系统的控制产生任何影响的控制系统。
例：红绿灯定时控制系统、防盗报警控制系统、火灾自动报警系统、公园的音乐喷泉自动控制系统、红外线自动门控制系统、普通电风扇风速控制系统、可调光台灯控制系统等。
特征：系统的输出量仅受输入量控制，输入量到输出量之间的信号是单向传递。
方框图：
输入量：控制系统的给定量。
控制器：对输入信号进行处理并发出控制命令的装置或元件。
执行器：直接对被控对象进行控制的装置或元件
控制量：执行器的输出信号。
被控对象：控制系统中所要控制的装置或生产过程
输出量：控制系统所要控制的量。
2、闭环控制系统的基本组成：
概念：系统的输出量返回到输入端并对控制过程产生影响的控制系统。例：供水水箱的水位自动控制系统、加热炉的温度自动控制系统、花房温度控制系统、投篮、家用电饭锅保温控制系统、家用电冰箱温度控制系统等。
基本组成：与开环控制系统相比，闭环控制系统多了检测装置、比较器。
系统中将控制结果反馈回来的部分称为反馈环节。闭环控制系统都有反馈环节，反馈环节是闭环控制系统的重要特征。
3、闭环控制系统的方框图：
四、干扰因素
1、干扰因素
在人体体温控制系统分析中，我们知道了环境温度变化是人体体温控制系统的一种主要干扰因素；在飞机俯仰姿态(角)控制系统分析中，知道了阵风是机体姿态的干扰因素。
2、抗干扰性
什么是干扰呢？顾名思义，它是对控制系统的干涉或扰动。准确地说，干扰就是控制系统的外部环境或条件对系统的工作准确性产生的影响。这种影响越小越好。如果一个控制系统能够很好地避开或抑制干扰，使干扰对系统产生的影响很小，我们就说这个系统抗干扰性强。
3、克服干扰的基本方法
消除干扰因素，减弱干扰因素，提高控制系统性能（采用闭环控制系统）
就干扰的性质来说，有些干扰是可以避免的，对这类干扰，我们只能在提高控制系统的性能上我下工夫。而对于有些干扰，我们可以采取减弱的办法。克服干扰的基本方法是要分析干扰的性质，然后对症下药。
