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通用技术 必修 技术与设计1
第五章 制定设计方案
中国力度
设计的一般过程
发现与明确问题
创意构思
制定设计方案
模型和原型制作
测试、评价和优化
编写技术作品说明书
在第四章我们选择了实现产品基本功能的技术原理、产品的详细功能及性能要求,并在此基础上收集了很多创意。从本章开始进入实质性设计阶段。在这一阶段,需要明确产品的整体技术原理,选择或设计零部件及其布局，将设计思想与设计产品按照一定的设计原则和设计规范,用文字、图表等形式呈现出来。
第一节 产品初步设计
在产品设计的实质阶段，首先需要确定实现产品基本功能的详细技术原理，选择或设计零部件及其粗略布局，然后才能进人详细设计阶段。
一、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（Human Computer Interface，简称HCI）。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。
比如:洗衣机的加水量是由人来控制，还是由洗衣机根据衣服的多少自动控制;垃圾桶的盖子是由人手动或脚动打开，还是垃圾桶的传感器感应到人的走近而自动打开;等等。
人要完成所分担的功能,需要一定的信息支持。比如，人控制汽车的方向需要了解汽车在车道上的相对位置,控制车速需要了解汽车的当前速度。所以，人和产品之间需要有信息的交流，人控制产品是向产品输入信息,人通过仪表了解产品的状况是产品向人输出信息。按钮、旋钮等控制元件和显示屏、指示灯等构成的控制面板就是人和产品交流的人机界面，图5-1为饮水机的控制面板。
手机人机界面
手机软件人机界面
售票机界面
图形化人机界面
图形化人机界面
图形化人机界面
图形+文字人机界面
简单明了人机界面
舒适型人机界面
儿童用品人机界面
实用型人机界面
饮水机界面
网页人机界面
图标人机界面
游戏人机界面
移动人机界面
工业人机界面
Android界面宣传视频
知道了人需要完成的控制活动，就知道了要完成控制活动所需要的信息，一系列控制和信息的对应关系构成了人机界面需求。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（如图5-1的控制面板）或空间（如汽车驾驶室）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（也叫交互设计），这样就完成了人机界面设计。
人机界面设计要求：显示和操作界面布局合理，符合人的操作习惯，易于操作，不发生误操作。
电饭锅的控制面板是人和产品交流的人机界面。
垃圾桶的人机界面需求表
调查研究
人机界面设计是产品设计的重要内容，人机界面设计不当，会造成产品使用者不易学会操作、容易误操作等。同学们可以使用、分析身边的一些产品,看能不能找到某产品人机界面设计方面存在的问题。
这两个人机界面设计好与不好在哪里？
技术实践
完成教师办公室用生态垃圾桶(或其他产品）的人机界面需求设计。
二、产品功能结构设计
拆开一个产品，会发现其内部有很多零部件，这些零部件各有其功能，它们相互配合，一起完成产品的整体功能。
产品整体功能
零部件及其功能
相互配合
那么，产品需要哪些相互配合的功能(子功能)才能实现产品的整休功能 这些功能之间的关系是什么样的 这些都是产品的功能结构设计过程中需要重点考虑的问题。
垃圾桶的基本功能结构设计：
1、垃圾桶的技术过程；
2、垃圾桶的使用活动流程；
3、垃圾桶的基本功能结构；
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（如垃圾）从一种状态转化为另一种状态，如垃圾桶的技术过程（图52)；分析人的使用过程，并用流程图表示出来，如垃圾桶的使用活动流程（图5-3)﹔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，如垃圾桶的基本功能结构(图5-4)。
技术实践
完成教师办公室用生态垃坡桶(或其他产品）的功能结构图。
画产品功能结构图之前，你得先知道它是什么，不然很可能就会画错了。所谓产品功能结构图，就是按照产品功能的从属关系画成的图表，下图的每一个框都称为一个功能模块。注意：产品结构图中的主功能模块不一定就是产品Tab（标签）中的标签模块（如右图），许多时候产品是受限于各种限制（比如移动端屏幕空间），不得不把功能分为少数的几个Tab中。当然，如果产品功能不太复杂的话，用Tab标签名作为主功能模块的做法也没问题。
功能模块根据具体情况颗粒度会有所不同，颗粒度小的功能模块可以是一个程序中的每个处理过程（比如删除对话，标记已读/未读等），而颗粒度较大的功能模块则可能是完成某一个任务的一组程序。
了解产品功能结构图是什么后，我们接下来就可以开始绘制了。一般分两步走：
第一步：梳理功能流程
要绘制产品功能结构图，就得先了解具体有哪些功能。而了解功能更直观地方法，就是自己把整个功能流程跑一遍，画出相应的功能流程图。
第二步：拆解功能模块
有了功能流程图后，我们拆分功能模块起来就能事半功倍，其实就是把上述流程给抽象为具体的功能模块，模块颗粒度根据各自需求而定。
三、产品内部布局设计
有些产品是有外壳的，如汽车、洗衣机、微波炉等;有些产品没有外壳，结构就是它的外观，如自行车、工作灯、榔头、凳子、指甲刀等;还有一些产品局部有外壳，如一些工程机械等。有外壳的产品,其内部各部分的分布会影响其外观的设计。
电压力煲内部整机结构
汽车
驾驶室布局
厨房设计布局
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。图5一5为吸尘器的多个内部布局设计方案，可以根据不同的使用场景为吸尘器选择最合适的空间布局方案。这时，产品的形态设计没有完全确定。和人机界面相关的显示器和控制器等的布局要根据人因工程设计原则确定。
图5-6为不同内部布局的吸尘器造型设计。
技术实践
完成教师办公空用生态垃圾桶（或其他产品）的内部空阃粗略布局的设计。
整个产品发展的过程可以归纳为：用户、场景、产品、领域、产业五大过程，产品发展模型如下： 由下图可知，我们讨论产品布局的时候，首先要清晰，我们的产品在这个模型中处于哪个位置，其次我们需要明确做全局的对比还是同层次的对比，最后根据这5个维度进行自由组合，得出符合分析需求的产品布局图。 对此，我对产品布局的定义
是：针对用户和场景，对产品发展进行全面规划和安排，以满足用户需求、建立竞争壁垒、形成产业生态圈的过程。
产品结构设计，指的是实物产品，比如数码产品，家电等，经过了产品外观设计之后，再对其进行实现的设计过程。产品结构设计是衔接产品外观设计和生产之间的设计，比如一个电动打蛋器，产品外观设计好了用户能看到的那些内容，外形，颜色等。然后就需要进行产品结构设计，通过3D建模的方式，把电机、线路、开关之类内部器件装进去，然后产品外壳进行分件、抽壳，使之符合注塑开模的需求，然后再设计壳体零件与零件之间的固定和配合，壳体与内部器件的固定等等，考虑产品的生产工艺和组装要求，将用户看不到的产品内部设计出来。然后壳体通过注塑生产出来，再与内部器件进行组装，从而生产出电动打蛋器。
可以看到，产品结构设计是衔接外观设计与生产实现之间的设计，最大的特点就是，涉及的内容较广，对工艺、零件、组装、开模注塑、功能测试和项目管理等都需要了解。
第二节 产品深化设计
一、产品造型设计过程
(一)产品造型设计案例
以垃圾桶的造型设计为例:考虑到垃圾桶的使用环境，产品的造型应简洁、大方，图5-7为垃圾桶的造型设计方案草图。
考虑到垃圾桶的使用人群和场景（如个人使用或几位老师共用的情况），可设计两种开盖方式——手动和脚动(图5-8);如果实行垃圾分类，可多个垃圾桶并排安放,上盖印制分类标识。
(二)总体及零部件结构形式
综合关学、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（允许变动量），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每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、外购件的技术要求以及产品制造和装配的工艺过程(图5-9)。
二、造型设计方法
一件产品从无到有，设计人员从抽象的主观意象到具体的客观存在物，创造出了产品的形态，这个过程就是造型。那么，如何才能设计出创新的造型呢 只要运用一些造型方法，就能设计出理想的产品外观形态。以下为三种常用的造型方法。
(一)几何体造型法
点、线、面是立体形态的基本组成元素。点运动成线，线封闭成面，面结合成体。生活中常见的产品造型都是由规则的几何体(立方体、球体、柱体、锥体、管体等）(图5—10）通过变形和加减法有机结合而成的。
图5-11所示为互联网电视机顶盒的造型设计，可视为一个长方体经过圆角切割与边面圆润处理的结果。造型的线条数量少而精致，颜色搭配主要采用黑色系，视觉上实现了简洁协调的美感,符合少则多的现代主义设计理念。
图5—12所示为音箱的造型设计，主体可视为球体的一角，支架为三根柱体。音箱主体由铝材与羊毛混纺面罩组成，支架为木材，材质的搭配既具有现代的工业美感，也不失天然原材料的质朴。配色选取了简洁的灰白与原木色。背部贝壳状的散热窗格设计在视觉上形成了放射状的方向感，在统一与变化中取得了平衡。该音箱的设计在造型、材质选取、颜色搭配，以及细节设计方面均达到了极简的设计理念。
(一)几何体造型法
柱体
飞碟体
(二)仿生设计法
仿生设计是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。形态仿生有模仿甲壳虫外形的汽车(图5-13)，功能仿生有模仿蝙蝠发出的超声波而研发出的超声波雷达，颜色仿生有军队野战服模拟大自然的图案和颜色以达到隐蔽的效果，结构仿生有仿照鸟巢结构而设计的建筑结构(图5-14) 。
长长的流线型喙
新干线列车
子弹型车头
沙漠甲虫背部小而平整的隆起
集水材料 有效地从空气中收集水份
猜一猜：
军事伪装模仿的哪种动物？
魔术贴
刺果果实倒钩
(三)移植法
移植法是指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。在产品设计中，通常有外形移植、情境移植、体验移植和结构移植等。例如:图5-15所示跑车的设计灵感来源于战斗机外形;图5-16所示CD机的开关为拉绳，它的设计灵感来源于换气风扇的拉绳。
外形移植
体验移植
体验移植
削土豆时，会削出许多有趣的棱面，人们会情不自禁地想去抓握。设计师将此情景移植到了手机外壳设计上，具有了奇妙的手感体验（图5-17)。
图5-18是一款像手风琴—样可以展开收起的LED灯，是将手风琴开合的结构移植到了灯的结构设计上。
情境移植
结构移植
情境移植
发泡塑料
技术实践
以小组为单位，在前面“教师办公室用生态垃圾橘”（成其他产品）创意收集活动的基础上，选择三个创意点，分别运用以上三种形态创新的造型设计方法，给出三款造型设计方案。请及时使用纸和笔写出或画出自己的设计方案。
三、外观件的CMF设计
影响人对产品观感的因素除了造型外，还有外观件的色彩、材料和表面处理工艺。由于这三个要素的综合作用会影响人的视觉、触觉、嗅觉和味觉等主观感受，现代的产品设计会把这三个要素统一考虑，简称CMF( Color,Material，Finishing)设计。图5-19为产品CMF设计示例，图5-20为垃圾桶CMF设计示例。
技术实践
完成教师小公室用生态垃极桶(或其他产品）的零部件和外观设计。
今世缘文化创意产品设计大赛 —入围作品
第三节 材料与制造工艺
在完成产品深化设计之后，设计人员还需要了解材料的具体特性及其制造工艺，这是确定设计方案的一个重要环节。
技术探究
当你为你的设计选择材料时，首先会考虑什么材料适合做这个产品。例如，雨伞伞面的布料需要有良好的防水性、延展性和弹性;灯罩的面料需要有较好的光线穿透性，防触电并起到保护眼睛的作用。除此之外，还要考虑美学特征。
以下是我们生活中常用的物品(图5-21)，你能将制造它们所用的材料一一列出来吗
设计方案中的零部件需要由特定材料加工而成，每一种材料都有其功能及工艺特性，我们需要了解材料特性，并正确选择材料和加工工艺。材料和加工工艺将直接影响产品的性能、成本和外观等。
一、材料的分类
生活中，我们经常会接触到木材、金属、塑料等材料，你知道材料是怎样分类的吗
讨论交流
材料一般可分为天然材料、加工材料和复合材料。
不改变其在自然界中保持的状态，或只施加低度加工的材料。
自然界存在，不能直接用；自然界不存在，人为加工或合成后才能使用的材料。
运用先进的技术，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。
木材、竹材、棉、毛、皮革、石材
金属、玻璃、尼龙、塑料、橡胶
保温板、导电橡胶 、铝、铜、玻璃纤维、陶瓷
天然材料
加工材料
复合材料
(一)天然材料
天然材料是指不改变其在自然界中保持的状态，或只施加低度加工的材料，如木材、竹材、棉、毛、皮革、石材等（图5-22)。
木材
黏土
棉花
天然石材
天然竹材
(二)加工材料
加工材料是指自然界存在的、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合成后才能使用的材料。如金属、玻璃、尼龙、塑料、橡胶等(图5-23）。
塑料碗
玻璃酒杯
钢材
(三)复合材料
复合材料是揣运用先讲的材料制备技术，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（图5-24)。复合材料主要可分为结构复合材料(如玻璃纤维或碳纤维与树脂复合而成的材料)和功能复合材料（如导电橡胶等)。
保温板
亚麻混纺布料
智能材料
智能材料是一种能感知外部刺激，能够判断并适当处理且本身可执行的新型功能材料。属于智能材料的形状记忆合金已广泛应用于航空航天、机械电子、生物医疗、桥梁建筑、汽车工业及日常生活等多个领域（图5-25)。
开眼界
材料除了可以按其来源进行分类外，还可以按照材料的物质结构、形态进行分类。请查阅相关资料，对材料进行分类，并将分类的结果与同学进行交流。
技术探究
二、材料的性能
材料的性能可以分为物理性能、化学性能和加工性能等。材料的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材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。在一般的工程领域，材料的机械性能与设计工作的关系甚为密切，最基本的有以下几种。
跟设计有关的是物理性能。
与外力、温度、电有关的性能。与外力有关的性能又称为机械性能或力学性能。
物理性能
材料对外界接触物的耐受性，也就是化学稳定性。
化学性能
材料被加工时所体现出的特性，又称工艺性能。
加工性能
抗拉 抗压
抗弯 抗剪
抗扭
强度
受到外力变形，外力消失恢复原本形状
弹性
材料抗冲击震动的性能
韧性
抵抗刮削、切割或磨损的能力
硬度
受到外力被改变形状没有断裂或破裂的性能
延展性
物理性能（与外力有关）——机械性能
(一)强度
(1)抗拉强度——材料承受“拉伸”变形的能力(图5-26 )。
(2)抗压强度——材料承受“挤压”变形的能力(图5-27 )。
强度是指材料承受外力而不被破坏（不可恢复的变形也属被破坏）的能力。根据材料外部受力种类的不同，强度可分为以下几种:
（3）抗弯强度——材料对致弯外力的承受能力(图5—28)。
(4)抗剪强度——材料承受剪切变形的能力（图5-29)。
(5)抗扭强度——材料承受扭转变形的能力(图5-30)。
(二)弹性
弹性是指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。
(三)韧性
韧性是指材料抗冲击震动的性能。例如。玻璃的韧性较差,受到撞击易碎。橡胶的韧性好，常被用来制造减震零件。
玻璃的韧性较差，受到撞击易碎
橡胶的韧性好，常被用来制造减震零件
(四)硬度
硬度是指材料抵抗刮削、切割或磨损的能力。例如，制作切削工具用的钢材具有较高的硬度，而木材、橡胶的硬度要低一些。
1、用刀子削木棍和铁丝哪个容易被刮削？
2、粉笔在黑板上写出字来，这说明什么？
(四)硬度
(五)延展性
延展性是指材料接受折、锻、压等外力，被改变形状、被延伸时没有断裂或破裂的性能。例如，铝的延展性好,可以压制成盘、碗等,而木材则不能。
锻：将金属烧红后捶打成型。
金属的延展性良好，其中金、铂、铜、银、钨、铝都富于延展性。非金属材料延展性就不太好。当用小刀刻划具有延展性的矿物时，矿物表面被刻之处立即留下光亮的沟痕，而不出现粉末或碎粒，据此可区别于延展性良好与否。
材料的加工性能是指材料被加工时所体现出来的特性，又称工艺性能。例如，塑料和一些金属材料可以熔铸成型，有的金属适宜锻造成型，有的金属适宜弯折成型，而木材则更适宜切削加工。各种材料材质不一样，加工时的难易程度也不同。
对下表中所列材料的不同性能进行对比分析，用星级表示。
不同物品需要其制作材料具有不同的性能，请按要求将你知道的物品填入下表相应的栏内。
创客坊
技术实践
材料性能 物品名称
需要较高的抗压强度
需要较高的抗拉强度
需要较高的抗弯强度
需要较高的抗剪强度
需要较好的弹性
需要较好的韧性
需要较好的硬度
汽车底盘、房屋立柱、桥墩、铁轨、虎钳 、自行车轴承中的滚珠
自行车车条、梁、吊车钢丝绳、尼龙、钢材、木材
电线电缆、光纤光缆、安全带、皮革皮带
防盗锁
蹦蹦床、橡皮筋、篮球、皮球
头盔
切割工具
如何整合各种材料的强度，你能举例说明吗？
例：梁的制作是很典型的例子。木材和钢材，都能够抵抗压力和拉力，适合做梁。混凝土和石材都有较好的抗压强度，但其抗拉强度就较差。因此，要在混凝土梁上加上钢筋来改善其抗拉强度，以免产生裂变。
思 考
三、常用材料及其加工工艺
材料的种类繁多，接下来将介绍三种运用最为广泛的材料及其加工工艺。
(一)木材及其加工工艺
1.天然木材
木材由树木加工而成，是一种被广泛使用的天然材料。木材的种类繁多，性能差异较大。如木材的密度不同导致其强度不同，木材的含水率不同导致其加工工序、用途、耐久性不同。木材主要由木纤维构成，沿着纤维方向和垂直纤维方向的力学性能是不同的，“横木压百斤，立木顶千斤”说的就是木材沿着纤维方向的抗压能力强。表5-2列出的是几种常用的木材。
调查研究
调查校园或公园里种植了哪些种类的树木，其材质（如硬度等)各有什么特点。
天然木材
密度、含水量、纤维方向
杉（shā)木
杉 木
介绍：质地较软，木纹顺直、较疏，容易加工且不易开裂，变形小。
用途：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。
缺点：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)
松木
1.品种多，性能好，易加工，变形小。
2.建筑、家具、乐器方面。
3.木质软，易开裂变形，出油脂。
樟木
1.木质硬、强度较高，木纹变化多样，美观。
2.纹理细密，韧性好，易加工。有香气，能防蛀。
3.易变形。
梓木
1.木纹顺直，纹理均匀。
2.变形及小，上等的中硬度木材，在要求较精致的木制品中使用。
3.加工成本高。
2.人造板材
人造板材人造板材包括胶合板、刨花板、纤维板、饰面板等(图5-31)。
人造木材
胶合板、刨花板、纤维板、饰面板
胶合板
刨花板
纤维板
饰面板
人造板材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。因此，人造板材被广泛应用于家具制造、房屋装修、车船制造等各个行业。在现代的各种木制品中，凡需要用板材的地方，几乎都可以见到人造板材(图5-32 )。
3.木材加工工艺
如图5-33所示:第一步，将预先切割好并上过胶的单板，两两以木纹成90°的方式依次堆叠成所需厚度的合板;第二步，将
堆叠好、尚未压合的合板放置在公模和母模中间;第三步，经过压合、定形之后制咸座椅面;第四步，将座椅面边缘多余的板材切除。
在批量生产中，大多数的手工操作被专门的机器生产所替代。正常状态下的木材及其制品，都会含有一定量的水分。新鲜木材在加工前多会进行烘干处理并测量含水率，确保木材含水率处于当地平衡状态，避免木制品开裂和变形。木材的主要加工工艺见表5—3。
在铣床上用圆形多刃刀具切削工件的方法。
机器上能滚动的圆柱形机件的统称。
木材加工工艺
锯割：纵切、横切、挖槽
刨削；使木材达到精准尺寸、平整、光滑
轴洗：对一个面或一条边进行加工
打磨：
表面处理：油、清漆、油漆、蜡抛光
锯 割
圆锯：用来纵切、横切和挖槽。
带锯：用来纵切和横切。
1.（按用途分）横锯、竖锯、挖据
横锯
竖锯
挖锯
2.（锯齿大小）粗齿锯、中齿锯、细齿锯
粗齿锯
中齿锯
细齿锯
3.（按锯形分）框锯、板锯
框锯
板锯
作用：对木材表面进行刨削，使之平整、光滑
长刨
短刨
中刨
最常用的是平刨，它是刨平面用的，按刨生长短可分为长刨、中刨、短刨，越长的能将材料刨得越平直，通常用得最多的是中刨。另外还有些刨削各种异形的小刨子。
刨 削
作用：在已刨削过的木材上，对一个面或一条边进行加工的工艺。
打磨后，可以用油、清漆、油漆和蜡抛光等多种方法进行表面处理。
轴 铣
表面处理
作用：通过打磨使产品表面光滑。
分类：盘式打磨机、辊筒打磨机、带式打磨机
打 磨
(二)塑料及其加工工艺
1.塑料的种类
塑料是现代广泛使用的人造材料，是一种石油化工产品。塑料分为热塑性塑料和热固性塑料两大类。
热塑性塑料的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。常见的热塑性塑料有聚乙烯（PE）、聚氯乙烯(PVC)和聚苯乙烯(PS)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。
热塑性塑料
聚乙烯（PE）
（无毒，易燃）
聚氯乙烯(PVC)
（有毒、不易燃）
热固性塑料的物态变化不可循环，原料加热后变为液体，可倒人模具成型，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。
热固性塑料
两类塑料都可方便地制成各种形状的物品(图5-34)。
热固性塑料
2.塑料加工工艺
如图5—35所示:第一步，将预制管材置入模具之内;第二步，将高压空气注入预制管材内，使之和模具密合，以完成我们想要的形状;最后将成品脱模。
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。
PVC专用
增塑剂
（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坯(pī)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。
注射成型
吹塑成型
热成型
模压成型——热固性塑料
（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（nián）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。
塑料胶接
塑料溶剂粘接
塑料接合及装配（二次加工）
焊接、粘接、机械连接
粘接塑料
（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。对塑料进行机械加工时，所用刀具及其切削速度等都要适应塑料热导性差、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、印剧、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(yūn)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。
溶剂清洗
电晕处理机
将刻有文字、或图案的热模，在塑料物件压烫成图案，从而获得精密的图案
烫印
电晕处理
短波紫外光辐射处理
喷砂处理
(三)金属及其加工工艺
1.金属材料
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。
金属材料(图5-36）一般可分为黑色金属和有色金属两大类。
金属材料
黑色金属：铁及其合金
有色金属：不含铁元素
有色金属
轻金属：铝、镁、锂等
重金属：铜、锌、镍等
贵金属：金、银、铂等
稀有金属：钨、钼、钛等
黑色金属（钢铁）在金属材料中所占的比重最大，使用范围也最广。黑色金属种类繁多,人们采用不同的方法对其进行分类。例如:按用途将钢材分为结构钢、工具钢、特殊性能钢；按成分将钢材分为碳素钢（又细分为低碳钢、中碳钢、高碳钢）和合金钢（又细分为低合金钢、中合金钢、高合金钢)；按质量将钢材分为普通钢和优质钢；还有按冶炼方法来分类,按加工工艺特点来分类;等等。
黑色
金属
按用途：结构钢、工具钢、特殊性能钢
按成分：碳素钢、合金钢
按质量：普通钢、优质钢
2.金属加工工艺
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入铸型后，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）塑性加工:是指在外力作用下，使金属坯料产生预期的塑性变形，从而获得具有一定形状、尺寸和机械性能的毛坯或零件的加工方法，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、基切、锯割、锉削、钻孔、攻丝、套扣和刮研等。机械加工包括车削、铣削、刨削、磨削、钻削、镗削等。
查阅相关资料，了解金属表面处理技术的作用及其包括哪些主要加工工艺和加工方法。
调查研究
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。
功能
（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、民族和她域特征、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，其表面应选择绝缘且抗静电的材料。
工艺性
协调性
安全性
（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，要尽量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。
经济性
市场效果
环保效果
学习材料的相关知识之后，调查市场上销售的垃圾桶使用的材料并进行总结，结合功能与产品定位,分析选择该材料的原因。
调查研究
技术实践
请为教师办公室用生态垃圾桶（或其他产品）的设计方案选择合适的材料和加工工艺。
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;塑料的永久连接主要为胶合。
(二)暂时连接
(三)活动连接
暂时连接指在某些时候不得不分离或“不完整”的连接(图5-38 )。
许多设备依靠活动连接进行操作。活动连接又分为线性活动（沿一条直线）连接和转动活动（旋转）连接（图5-39)。
试着为你设计的教师办公室用生态垃圾桶（或其他产品）选择适合的装配方式并解释原因。
技术实践
第四节 设计的工程表达
我们已经学习了用草图表达构思，但如果要把纸上的设计制作成实物，就需要更为准确和丰富的设计信息。这时候就需要借助工程表达了。一般的工程表达方法有工程制图(尺寸图)、三维（3D）建模图、渲染图和模型的制作等。
一、工程制图
人们进行思想交流要依靠语言和文字。在进行某种产品加工制作的时候，不需要设计人员在场，就能按照图纸准确无误地加工出符合设计要求的产品。这张图纸运用的就是在技术活动中进行信息交流的特有语言形式——“技术语言”，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。透视图在前面已经介绍过了，这里只介绍制图标准、绘图工具及三视图和装配图。
工程制图是一个工程技术中的一个重要过程。在高等工科课程中，它是一门重要的基础必修课。该课程是研究工程图样的绘制和阅读的一门学科。它研究用投影法（可参见画法几何）解决空间几何问题，在平面上表达空间物体。
(一)制图标准
图纸既然是一种“技术语言”，就必然要有统一的“语言规范”。国家制定的制图标准，就是这种语言规范。制图标准一般分为图纸幅面、字体、比例、图线和尺寸标注。
（1）图纸幅面:GB/T 14689—2008《技术制图图纸幅面和格式》规定的图纸幅面有5种，具体的尺寸规定可参考表5-4。根据需要可以加长，增加的尺寸是短边的整数倍。
（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(图5-40)。
（4）图线:所有线型的图线宽度(d)按图样的类型和尺寸大小，在0.13~ 2 mm数系中选择。机械图样采用粗、细两种线宽,其比例为2：1。绘制机械图样时，常采用表5-5中所规定的图线。
（5）尺寸标注:
1）尺寸的三要素:尺寸由尺寸界线、尺寸线(包括箭头)、尺寸数字（包括必要的符号及字母)三要素组成（图5-41）。
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。
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。
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。
2）常用的尺寸标注法
（图5-42) :
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“φ”(直径)或“R”（半径）。
③在标注球面的直径或半径尺寸时，应在符号“φ”或“R”前再加注符号“S”。
技术探究
请查阅相关资料，读懂图5-43所示套筒零件图的技术指标。
技术实践
请运用所学知识，对图5-44进行尺寸标注，比例为1∶1，并与同学交流。
(二)绘图工具及用品
在绘制机械图样时，必须掌握绘图工具及用品的正确使用方法，这对提高图面质量、加快绘图速度是非常重要的。
（1）常用绘图工具及用法:常用的绘图工具有丁字尺、三角板、圆规、分规、比例尺、曲线板、墨线笔等。
自学技术
绘图时，用胶带纸将图纸固定在图板左下方的适当位置，不要使用图钉固定图纸，以免损坏板面。丁字尺由尺头和尺身纽成，画圈时应使尺头靠紧围板左侧的工作边，沿丁字尺的尺身工作边（有刻度）自左向右画出水平线（图5-45 )。
丁字尺及三角板的使用方法
三角板一般由两块组咸一对，它除了可以画直线以外，还常与丁字尺配合使用画垂直线和倾角为15°倍数的斜线(图5-46)。
（2）绘图用品:常用的绘图用品有绘图纸、绘图铅笔、胶带纸、擦图片、小刀、砂纸、绘图橡皮等。其中，绘图纸要求质地坚实，用橡皮擦不易起毛;绘图铅笔也应根据需要选择软硬适度的。
自学技术
(1）我们为什么要学习识图和绘图
(2）制图标准有何作用
理解技术图样是技术交流的语言，识图、绘图是与他人进行技术交流必备的能力。
理解制图标准是“技术语言规范”，规范的语言就是交流的媒介。
(三)三视图及绘制
立体图可以很直观地表现物体的整体形状,可是却难以表示清楚物体各个表面的形状。为了把物体完全表达清楚，人们采用了三视图。
1.三投影面体系
用三个互相垂直相交的平面,构成三投影面体系（图5-47 ）。其中，正立投影面(简称正面)用V表示，水平投影面（简称水平面）用H表示，侧立投影面（简称侧面）用W表示，OX、OY、OZ称为投影轴，O称为原点。
2.三视图的形成
将物体置于三投影面体系中，使物体主要表面平行或垂直于投影面(图5-48)。用正投影法分别向V、H、W 面投影，即得到物体的三个视图。
主视图——由前向后投影,在正面V上得到的视图。
俯视图——由上向下投影，在水平面H上得到的视图。
左视图——由左向右投影,在侧面W上得到的视图。
3.三视图的展开
其方法是:V 面不动，H 面绕OX轴向下旋转90°,W 面绕OZ轴向右旋转90°。由图5-49可知，主视图反映了上下、左右，俯视图反映了左右、前后，左视图反映了上下、前后。
为了使三个视图画在一个平面上，需要把三投影面展开。
4.三个视图之间的投影关系
把物体左右尺寸称为长，前后尺寸称为宽，上下尺寸称为高，则主、俯视图都反映了物体的长，主、左视图都反映了物体的高，左、俯视图都反映了物体的宽。三个视图之间存在一定的投影关系。
(1)主、俯视图中相应投影的长度相等,即主、俯视图长对正。
(2)主、左视图中相应投影的高度相等,即主、左视图高平齐。
(3)左、俯视图中相应投影的宽度相等，即左、俯视图宽相等。
5.三视图的绘制
图5-50所示的弯板是一个简单的机械零件，我们以它为例说明三视图绘制的一般步骤。
(1)形体分析。绘图前，先对绘制内容进行形体分析，做到心中有数。这样，有利于图形的布局与绘制。
(2)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。
(3）布置图面，画作图基准线,开始绘制(图5-51 )。
技术实践
(1）下面左边的立体图分别对应右边的哪个三视图（图5-52) 用连线标出。
(2）根据立体图和主、俯视圈，补画左视图（图5-53)。
自学技术
三视图的尺寸标注
尺寸是图样的重要内容，其种类、标注要求、标注方法如下:
(1)按尺寸的作用可将其分为以下三类:
1)定形尺寸:确定物依上某一结构要素的形状大小的尺寸。
2)定位尺寸:确定物体上两个形体或结构要意之间相对位置的尺寸。
3)总体尺寸:表示物体总长、总宽、总高的尺寸。
(2)标注尺寸的要求:
1)正确:尺寸标注的方法要符合国家标准的有关规定。
2)完整:标注尺寸要齐全，既不能遗漏，也不能重复。
3)清晰:尺寸布置要整齐，以便于阅读和查找。
4)合理:尺寸标注要符合设计和工艺要求。
(3）以轴承座三视图(图5-54）为例，标注尺寸的方法和步骤是:
1)形体分析:轴承座由底板、支承板和肋板三部分组成(图5—54a）。
2)选择尺寸基准:选择长、宽、高三个方向的尺寸基准（图5-546)。
3)逐个注出各部分的定形和定位尺寸(主视图中R24、o32、20等)。
4)标注各部分之间的定位尺寸(主视图中的尺寸60）。
5)标注所需的总体尺寸（标注总长的尺寸100、标注总宽的尺寸66）。
6)检查尺寸有无多余或遗漏，完成全部标注。
自学技术
(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。
在产品和部件的设计过程中，一般先进行设计，根据设计方案画出装配图，再由装配图分解画出零件图，并在装配过程中依照装配图进行装配。
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(图5-55)。
技术实践
调查研究
观察图5—55所示的装配围，分析一下，该产品由几个部件（零件）组合而成 分几步可以将部件(零件）组装成完整的产品
查阅一些机械图、建筑图、家具图等图样，你有哪些看不懂的地方
二、简单电路图的识读
一个完整的设计过程，不仅是对结构和造型的把握,还应该了解其内部机构。如设计一盏台灯，我们不仅要考虑其造型元素、尺寸高度、色彩搭配、光线角度等，还应该对其内部的电路构造有一定的了解。图5-56所示是一个最基本的实物电路简图，在实际生产、生活中广泛应用的电路比这个要复杂得多，用实物表述的方法就显得烦琐了。
为了简化表述，设计出了由电路元件符号和连接导线组成的电路图（图5-57)，它可以快捷、规范地把电路表述清楚。
电路图中的电子元件、电器和电气设备，以及表示导线的实线条等，都是有一定规范要求的。而识读电路图的关键是熟悉这些电气系统技术交流的基本语言。表5-6列出了一些符号及说明。
电器：泛指所有用电的器具。
电气：指电能的生产、传输、分配、使用和电工装备制造等学科或工程领域的统称。
由于电气系统涉及的元件、器件和设备品种繁多，所以各种符号也很多，以上只是一些常见的符号。电路图的各种符号和画法规定可以在相关国家标准中查阅到。
讨论交流
简单电路图的识读
练习识读下面几个简单的电路图，先自行思考，然后与老师、同学讨论，再查看下面的文字。
(1）图5—58中的电路由电池、灯泡和两个单刀双掷开关（又叫“一开双控”开关）组咸。不论从哪一端开或关都可以接通和断开电路。这样的开关适宜安装在长廊两头或是楼梯的底端和顶端。可在这失开灯，走到另一失关灯。
(2）图5-59电路安装了一个具有动合触点且能自动复位的按钮开关。按下灯亮,松手灯灭。电门龄就可利用这种电路。
讨论交流
简单电路图的识读
(3）图5-60电路是利用三极管控制灯泡的亮度。二极管的基极连接着电位器，集电极和发射极与灯泡回路相可变电阻，调整中心抽头，可以改变加在基极上的电压和电流，从而通过三极管的作用改变通过灯泡的电流大小，起到控制亮度的作用。
通过练习识读电路图可知，认识了符号就具备了识图的基础，再运用物理学科学习的电学知识进行分析,我们就能看懂电路图了。
创客坊
试着识读一些小家电电路圈。阅读时先弄清图中每个符号所代表的含义，然后逐步分析电路原理。可以适当结合实物分析。如有困难，请查阅资料或请教他人解决。
三、计算机辅助设计（CAD）
计算机辅助设计( Computer Aided Design）是从20世纪50年代开始，随着计算机及其外围设备的发展而形成的一门新技术，是现代设计方法和手段的综合体现。它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。
aided英[ e d d]aid的过去分词和过去式
1.计算机辅助设计的优点
（1）提高工作效率，降低劳动强度。在设计阶段，要对方案不断地进行修改和完善，如果用手工绘图，往往费时费力，图面修补的次数多了就会显得脏乱，而利用计算机辅助设计则可以完全避免这一问题。
（2）精度提高、方便保存。对于一些相对简单的设计，手工绘图可以达到十分精确的程度，但对于一些规模大、复杂的建筑设计，如果离开了计算机辅助设计，困难将成倍增长。计算机辅助设计在日影分析、灯光照度分析等方面的计算精度、速度是手工计算无法比拟的。另外，计算机辅助设计制作的图形、图像文件可以直接存储在硬盘或其他存储介质上，保存、调用都极为方便。
（3）效果逼真。计算机辅助设计的虚拟现实技术能真实再现物体的材质、光影关系等，使人有身临其境的感觉，可广泛应用于城市规划、室内设计、房产开发以及军事与航天工业等领域。例如，在建筑设计上，只要建筑的三维模型搭建完成，就可以任意指定透视角度、模型材质，快速生成多张效果图而无须从头做起，这是传统手绘效果图无法比拟的(图5-61、图5-62）。
2.计算机辅助设计系统的人基本功能
(1)绘制二维图。二维图能很方便地创建出各种二维图形对象，如直线、圆、椭圆、矩形等，可快速、准确地绘制出复杂的图形。
二维图可以简单分为两种:一种主要是绘制工程图;另一种主要是为了增强效果式草图的表现效果和弥补手绘草图的短板（图5-63）。此外,为了能集合手绘和计算机软件绘制的优点，还可以使用手绘板、手绘屏等辅助工具与二维绘图软件配合使用。
（2）进行三维设计。根据设计要求，采用线框、曲面或实体造型技术对产品零部件进行三维造型设计，并可进行装配、爆炸、动画仿真和三维建模（图5-64）。爆炸图更能反映出各零部件的位置和镶嵌关系，能更有目的、有着重点地表现相应零部件或产品的特性，最主要的还是直观反映了装配关系（图5—65）。动画仿真是一种三维造型设计的展现方法，它将产品的结构、功能、特点、工作原理通过动画形式立体呈现出来，使人们直观、翔实、全方位地了解产品的功能及特色，更便于表达设计人员的创新设计和想法。
此外，为提高设计人员的工作效率，市面上推出了能为整个造型定义流程（从概念草图到三维模型）提供一整套完备的可视化和分析工具的软件。这类软件可以根据草图直接生成三维模型,也可以用三维模型逆向生成草图。
(4)进行工程分析。现代计算机辅助设计系统提供了强大的工程分析工具，如优化分析、运动学和动力学分析、模拟仿真、人因工程及制浩工艺分析等，这些功能可帮助设计人员进行合理的设计。
(3）进行参数化设计，具有庞大的图形及符号库。对于那些具有相似结构的标准化或系列化零部件，通过对其尺寸和几何约束进行参数化定义，建立图形程序库，调出时通过赋值即可生成所需图形。计算机辅助设计系统都建有常用图形和符号库，以便设计时调用。
3.计算机辅助设计的应用实例
我们以翻盖垃圾桶的二维设计和三维设计为例，介绍利用计算机辅助设计绘图的一般步骤和方法。
（1）翻盖垃圾桶的二维设计。
1)选择合适的线型，画出一个视图的基准并画出三个视图。
2）标注图中零部件尺寸。
3）绘制标题栏,填写标题及文字说明等。
(2）翻盖垃圾桶的三维设计
自学一种图像、图形、工程或艺术设计软件，运用这个软件绘制出教师办公室用生态垃圾桶或自己所选课题的三视围。
技术实践
一、小结
制订设计方案是技术设计的关键环节。通过本章的学习，我们学会了如何进行产品的初步设计和深化设计，学会了为自己设计的产品选择正确的材料和加工工艺，掌握了设计的工程表达方法。请根据下列题目所提供的线索，对本章的学习内容和自己的实践过程进行小结。
(1)什么是技术语言 技术语言的种类有哪些
(2)如何为自己设计的产品选择材料和加工工艺
(3)你能识读简单的效采图、机械加工图、电路图等常见的技术图样吗
(4)你能绘制简单的三视图吗
二、评价
将自己的设计方案在小组内交流,重点说明自己的设计思想和创新亮点，并对该设计方案做出评价。评价提示:
(1)设计的创新亮点在哪里
(2)你的设计符合设计原则吗
(3)采用了哪几种表达交流方式 表达与交流能力提高了吗
(4)与同学合作得好吗 小组的团队精神体现得怎样
自我评价:_ 同学评价:_ 老师评价:_
小结
与
评价
技术，让生活更美好。

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