Transcript 产品设计工程技术原理
第八章 产品设计工程技术原理 一个设计师必须具有文化艺术修养，具备良好 的艺术鉴赏能力和审美意识，才能使产品除了具 有好的功能和好的外观品质（图8－1下载终端）， 还需要具有科学技术知识，具有相当的工程技术 知识。工业设计的本质特点,决定了工业设计教育 是工程技术和艺术设计有机结合的完整统一体 。 工程技术和艺术设计是同一天平上的两个砝码,只 有相辅相成才能保持平衡。任何“艺强工弱”或 “工强艺弱”的教学模式，都是不科学的，会造 成被教育者知识结构的残缺。 第八章 产品设计工程技术原理 目 录 8.1 产品设计的材料原理 8.1.1 产品设计的物质基础 8.1.2 材料的分类 8.1.3 材料的特性原理 8.1.4 材料的选择与开发原理 8.2 产品设计的成型原理 8.2.1 金属材料的成型 8.2.2 塑料的成型工艺 8.2.3 玻璃的成型 8.2.4 木材的成型 8.2.5 表面处理工艺 8.3 结构设计原理 8.4 模型制作原理 8.4.1 模型制作的作用 8.4.2 模型制作的步骤 第八章 产品设计工程技术原理 8.1 产品设计的材料原理 8.1.1 产品设计的物质基础 产品设计是工业产品技术功能设计与美学设 计的结合与统一，集现代科学技术与社会文化、 经济和艺术为一体。是人们在一定文化艺术指导 下，有意识、有目的地运用人类科学文化发展的 优秀成果，用现代工业化生产方式将各种材料转 变为具有一定使用价值或具有商品性的工业产品 的创造活动。（图8－2手机） 产品是由一定的材料经过一定的加工工艺而 构成的。一件完美的产品必须是功能、形态和材 料三要素的和谐统一，是在综合考虑材料、结构、 生产工艺等物质技术条件和满足使用功能的前提 下，将现代社会可能提供的新材料、新技术创造 性地加以运用，使之满足人类日 益增长的物质和精神需求。 第八章 产品设计工程技术原理 在产品造型设计中，材料是用以构成产品造 型，且不依赖于人的意识而客观存在的物质，无 论是传统材料还是现代材料、天然材料还是人工 材料、单一材料还是复合材料、均是工业造型设 计的物质基础。工艺是指材料的成型工艺、加工 工艺和表面处理工艺，是人们认识、利用和改造 材料并实现产品造型的技术手段。材料通过工艺 过程成为具有一定形态、结构、尺寸和表面特征 的产品，将设计方案转变成具有使用价值和审美 价值的实体。 材料与工艺是设计的物质技术条件，是产品 设计的前提，它与产品的功能、形态构成了产品 设计的三大要素，而产品的功能和造型的实现都 建立在材料和工艺上。（图8－3指纹终端） 在诸多的造型材料中，各种材料都有其自身 的材料特性，并因加工性能和装饰处理各异而体 现出不同的材质美，从而影响着产品造型设计。 任何一种产品造型设计只有与选用材料的性能特 点及其工艺特性相一致，才能实现设计的目标和 要求。 第八章 产品设计工程技术原理 8.1.2 材料的分类 在工业设计范畴内，材料是指用于工业设计 并且不依赖人的意识而客观存在的所有物质。因 此，设计材料所涉及的范围十分广泛，从气态、 液态到固态，从单质到化合物，无论是传统材料 还是现代材料，天然材料还是人工材料，单一材 料还是复合材料，均是设计的物质基础。（图8 －4 UPS）我们可以从以下几个角度对材料进行 分类。 第八章 产品设计工程技术原理 （1）按材料来源分类 第一代的天然材料——不改变在自然界中所保持 的状态，或只施加低度加工的材料，如木材、竹、棉、 毛、皮革、石材等。 第二代的加工材料——利用天然材料经不同程度 的加工而得到的材料，加工程度从低到高，有人造板、 纸、水泥、金属、陶瓷、玻璃等。 第三代的合成材料——利用化学合成方法将石油、 天然气和煤等原料制造而得到的高分子材料，如塑料、 橡胶、纤维等。 第四代的复合材料——用有机、无机金属乃至金 属等各种原材料复合而成的材料。 第五代的智能材料或应变材料——随环境条件的 变化具有应变能力，拥有潜在功能的高级形式的复合 材料。 第八章 产品设计工程技术原理 （2）按材料的物质结构分类 1）金属材料——黑色金属（铸铁、碳钢、合金 钢等）、有色金属（铜、铝及合金等） 2）无机材料——石材、陶瓷、玻璃、石膏等 3）有机材料——木材、皮革、塑料、橡胶等 4）复合材料——玻璃钢、碳纤维复合材料 （3）按材料的形态分类 1）线状材料 常用的有钢管、钢丝、铝管、金属棒、塑料管、 塑料棒、木条、竹条、藤条等。 2）板状材料 常用的有金属板、木板、塑料板、合成板、金属 网板、皮革、纺织布、玻璃板、纸板等。 3）块状材料 常用的有木材、石材、泡沫塑料、混凝土、铸钢、 铸铁、铸铝、油泥、石膏等。 第八章 产品设计工程技术原理 8.1.3 材料的特性原理 材料特性包括两方面：一是材料的固有特性，即 材料的物理特性和化学特性，如力学性能、热性能、 电磁性能、光学性能和防腐性能等；二是材料的派生 特性，它是由材料的固有特性派生而来的，即材料的 加工特性、材料的感觉特性和经济特性。这些特性的 综合效应从某种角度讲决定着产品的基本特点（图8 －5木材）。 材料感觉特性又称材料质感，是人的感觉系统因 生理刺激对材料作出的反映或由人的知觉系统从材料 表面特征得出的信息，是人对材料的心理和生理活动， 它建立在生理基础上，是人们通过感觉器官对材料作 出的综合印象。（图8－6陶瓷） 第八章 产品设计工程技术原理 材料 感觉特性 木材 自然、协调、亲切、古典、手工、温暖、粗糙、感性 金属 人造、坚硬、光滑、理性、拘谨、现代、科技、冷漠、凉 爽、笨重 玻璃 高雅、明亮、光滑、时髦、干净、整齐、协调、自由、精 致、活泼 塑料 人造、轻巧、细腻、艳丽、优雅、理性 皮革 柔软、感性、浪漫、手工、温暖 陶瓷 高雅、明亮、时髦、整齐、精致、凉爽 材料感觉特性包含两个基本属性： 生理心理属性：即材料表面作用于人的触 觉和视觉系统的刺激性信息，如粗犷与光滑、 温暖与寒冷、华丽与朴素、混重与单薄、沉重 与轻巧、坚硬与柔软、干涩与滑润、粗俗与典 雅、透明与不透明等基本感觉特征。 物理属性：即材料表面传达给人的知觉系 统的意义信息，也就是材料的类别、性能等。 主要体现为材料表面的几何特征和理化类别特 征，如肌理、色彩、光泽、质地等。 第八章 产品设计工程技术原理 8.1.4 材料的选择与开发 设计是一种复杂的行为，材料的选择是最基本的。 （图8－7钢管）设计师在选择材料的时候，除必须 考虑材料的固有特性外，还必须着眼于材料与人、环 境的有机联系。总的来说，设计材料的选择应遵循以 下原则： （1）材料的外观：考虑材料的感觉特性。（图 8－8钢板）根据产品的造型特点、民族风格、时代 特征及区域特征，选择不同质感、不同风格的材料。 图8－7 图8－8 （2）材料的固有特性：材料的固有特性满足产品功 能、使用环境、作业条件和环境保护的需要。（图8 －9材料特性分析图） （3）材料的工艺性：材料应具有良好的工艺性 能，符合造型设计中成型工艺、加工工艺和表面处理 的要求，应与加工设备及生产技术相适应。 （4）材料的生产成本及环境因素：在满足设计 要求的基础上，尽量降低成本，优先选用资源丰富、 价格低廉、有利于生态环境保护的材料。 （5）材料的创新：新材料的出现为产品设计提 供更广阔的前提，满足产品设计的要求。 第八章 产品设计工程技术原理 产品的用途与涂饰应考虑的条件 产品名称 涂饰应考虑的条件 机床等 耐油性、耐蚀性 汽车、自行车 防蚀性、耐候性、耐水性、附着性 其它车辆 防蚀性、耐候性、附着性、难燃性、涂 饰性 医疗器械 耐酒精性、耐油性、附着性 耐酒精性、耐油性、附 着性 透明度、耐湿性、退色性、音响效果 计算机 防蚀性、耐磨性 光学机械 防蚀性、耐磨性、耐冲击性 金属家具 防蚀性、耐热性、耐水性、附着性、耐 污染性 电风扇、缝纫机 色彩的照明度、硬度、附着性 洗衣机 防蚀性、耐碱性、耐水性、耐黄变性 电冰箱、冰藏柜、空调 防蚀性、耐寒性、耐水性、硬度、耐黄 变性 厨房用具 防蚀性、耐热性、耐水性、耐油性 1）材料选择的一般原则 ①供应来源广泛性 选用材料既要考虑有广泛的供应来源, 同时 又要考虑材料能够供应的批量, 因为材料供 应批量, 直接影响产品的生产成本。 ②生产加工的廉价性 选用材料要便于生产加工, 同时费用要低, 而 且最好是选用可二次再生利用的材料。 ③安全可靠性 材料要有足够的强度和坚硬度, 在所使用的 温度、湿度等范围内尺寸稳定, 在服役周期 内安全可靠。 ④良好的环保性 选用材料要求对环境不产生有害的影响, 同 时, 要有可降解性, 便于废弃处理。 第八章 产品设计工程技术原理 2）材料选择的技术经济准则 材料的选择在一般原则的指导下, 还必须从材 料的使用性能、工艺性能及使用材料的经济性来 考虑。 ①使用性能选材准则 产品设计过程中, 应根据其构件应有的功能、 预计的行为以及构性的工作环境, 明确规定对材 料性能的要求, 并把对材料的一些定性要求, 进一 步确定出具体的力学性能、物理性能和化学性能 指标, 使这些指标符合设计要求的技术参数, 保证 在服役周期内不出现意外现象。如产品的表面涂 饰，就要考虑环境的因素。 ②工艺性能选材准则 材料的工艺性能, 是材料被加工成成品构件 形状的能力的尺寸, 就金属材料来说, 根据特定的 制造加工方法, 其工艺性的要求主要包括: 可焊性、 可铸性、可压力加工性、可切削性和热处理性等。 从机械工业生产类型来看, 材料工艺性能的好坏, 在单件批量生产条件下, 并不显得十分突出, 而对 大批量生产条件下, 达到经济规模要求等成为材 料选择中起决定性作用的因素之一。 第八章 产品设计工程技术原理 ③经济性选材准则 材料的经济性, 不仅指优先考虑选用价格比 较便宜的材料, 而且要综合考虑——材料对 产品整个寿命周期成本的影响, 以使达到最 佳技术经济效益, 这对材料的最终选择有决 定性意义。 现代设计与材料的关系是互相刺激、 互相促进的。时代的变迁、意识的变化， 会带来人们对材料需求的变化，从而促进 设计材料的改进和开发。从现代设计的概 念变化与新材料开发的关系来看，当人们 物质生活还不丰富时，设计更多的追求功 能和机械性，而当人们物质生活达到一定 水平时，设计随之将其侧重点偏向于造型 感觉等方面。 满足人类文明的需求是材料研制和开 发的出发点和回归点，出发点和回归点的 重合是通过若干个中间环节实现的。材料 的开发经理从基础研究到应用再到实用的 过程。 第八章 产品设计工程技术原理 8.2 产品设计的成型原理 产品设计中，材料在通过加工后，必须能构 成并且长期“记忆”住设计所赋予它的应有形态， 从而才能最终成为产品。材料的成型加工性是衡 量产品造型材料优劣的重要标志。产品造型设计 材料必须具有良好的成型加工性能。材料通过成 型加工才能成为产品，并体现出设计者的设计思 想。如果没有先进、合理、可行的工艺手段，多 么先进的结构和美观的造型，也只是纸上谈兵而 实现不了。（图8－10扫描笔） 美观的造型设计，必须通过各种工艺 手段将其制作成为物质产品，此外，即使 是同一种款式的造型设计，采用相同的材 料，由于工艺方法与水平的差异，也会产 生相差十分悬殊的质量效果。因此，在造 型设计中实现造型的工艺手段是重要因素。 工业产品造型设计必须有一定的工艺技术 来保证。造型设计应该依据切实可行的工 艺条件、工艺方法来进行造型设计构思。 （图8－11视频会议终端） 第八章 产品设计工程技术原理 8.2.1 金属材料成型 在钢、铁和合金为代表的现代工业社会，金 属材料以其优良的力学特性、加工性能和独特的 表面特性，成为现代产品设计中的一大主流材质。 金属材料的工艺性能优良，能够按照设计者的构 思实现产品的多种造型，广泛应用于工业产品设 计中。（图8－12罐头） 金属的成型方法可区分为铸造、塑性加工、 切削加工、焊接与粉末冶金五类： （1）铸造 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。 （2）金属塑性加工 又称金属压力加工。在外力作用下，金属坯 料发生塑性形变，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。 第八章 产品设计工程技术原理 (3)切削加工 又成为冷加工。利用切削工具在切削机床上 （或用手工）将金属工件的多余加工量切去，以 达到规定的形状、尺寸、和表面质量的工艺过程。 (4)焊接加工 焊接加工是充分利用金属材料在高温作用下 易熔化的特性，使金属与金属发生相互连接的一 种工艺，是金属加工的一种辅助手段。 (5)粉末冶金 是以金属粉末或金属化合物粉末为原料，经 混合、成型和烧结，获得所需形状和性能的材料 或制品的工艺方法。（图8－13材料成型流程） 第八章 产品设计工程技术原理 8.2.2 塑料成型工艺 塑料的原料广，性能优良（质轻、具有电绝 缘性、绝热性等），加工成型方便，具有装饰性 和现代质感，而且塑料的品种繁多，价格比较低 廉，是一种具有多种特性的应用广泛的使用材料。 塑料的工艺特性是指将塑料原料转变为塑料 制品的工艺特性，即塑料的成型加工性。主要包 括：注射成型、挤出成型、压制成型、吹塑成型、 压延成型、滚塑成型、铸塑成型、搪塑成型、醮 涂成型、流延成型、传递塑模成型、反应注塑成 型、手糊成型、缠绕成型、喷射成型。（图8－ 14游戏手柄） 这里特别需要指出的是快速原型工艺。近年 来由于数控加工技、特殊的功能塑料以及激光等 其他相关技术的进步,快速原形制造技术（ Rapid Prototyping 简写作RP）日趋成熟, 它可以将计 算机所设计的三维图形快速、精确地制造出三维 实体模型。 第八章 产品设计工程技术原理 8.2.3 玻璃的成型 玻璃具有一系列的优良特性，如坚硬、透明、 气密性、不透性、装饰性、化学耐蚀性、耐热性 及电学、光学等性能，而且能用吹、拉、压、铸、 槽沉等多种成型和加工方法制成各种形状和大小 的制品。玻璃作为现代设计中一大媒介材料，已 经成为人们现代生活、生产和科学实验活动中不 可缺少的重要材料。此外，从环境保护的角度看， 玻璃作为“绿色”材料，将是21世纪普遍看好的 材料。（图8－15电灯） 玻璃的成型是将熔融的玻璃液加工成具有一 定形状和尺寸的玻璃制品的工艺过程。其成型方 法有：(1)压制成型(2)吹制成型(3)拉制成型(4)压 延成型 第八章 产品设计工程技术原理 8.2.4 木材成型 木材成型的基本加工方法包括锯切、铣削、 刨削、钻削、磨削等。加工木材的手工小型工 具有斧、锯、刨、凿、钻、螺丝刀、钳、锉、 锤和钉冲、夹具、量具和划线工具等。机械加 工工具包括带锯机、电子开料锯、圆锯机、平 刨床、压刨床、双面刨床、铣床、钻床、车床、 压机、封边机、旋切机、刨切机、电动锯、电 动刨、电磨机、电钻等等。 木材成型的高级工艺是实木弯曲技术。实木 弯曲成型是一种无屑实木成型加工工艺，它可 以分成三个阶段：塑化(软化)、弯曲和定型(在 模型框架中干燥冷却)。（图8－16带木扇叶的 电风扇） 第八章 产品设计工程技术原理 8.2.5表面处理工艺 （1）表面处理概述 表面处理技术是通过各种工艺手段，赋予表面不 同于基体材料的组织结构、化学组成，因而具有 不同于基体材料的特殊性能。如高硬度、高疲劳 强度、高耐磨耐蚀性、抗高温氧化性等。 （2）表面处理的作用 表面处理技术可以提高和改进产品的腐蚀保护性、 抗磨性、电性能耐热性、光学特性、电磁特性、 密封性、装饰性、耐疲劳性、保油性、焊接性等。 第八章 产品设计工程技术原理 （3）表面处理的分类 表面处理按工艺特点可分为电镀：涂装、堆焊、 热喷涂、热渗镀、化学转化膜、金属着色、气相 沉积、三束改性；按学科特点可分为表面合金化 技术、表面覆层与覆膜技术、表面组织转化技术。 ①热喷涂是利用专用设备把固体材料加热到熔化 或半熔化状态，并加速喷射到基体表面上，从而 形成一种特制薄层以提高基体的表面性能。热喷 涂的优点包括：a、基体温度低，不变形、不弱 化。b、喷涂尺寸不受限制。c、喷涂厚度可以控 制。d、效率高。（与电镀相比较）e、可赋予普 通材料以特殊的表面性能。存在问题有：a、结 合力低。b、孔隙率高。c、均匀性较差。工艺过 程包括：粉末喷涂形成涂层、加热涂层到熔点、 涂层重熔、冷却形成致密涂层，涂层与基体形成 冶金结合，非常牢固。涂层硬度可达50HRC以上。 主要应用用于机械零件、化工容器和辊筒表面制 备耐蚀和耐磨涂层。 第八章 产品设计工程技术原理 ②气相沉积也称干镀，按机理划分为物理气相沉 积（PVD）和化学气相沉积（CVD）。物理气相 沉积是利用蒸发或溅射等物理形式，把材料从靶 源移走，然后通过真空或半真空空间使这些携带 能量的蒸发粒子沉积到基体或零件的表面，以形 成膜层。物理气相沉积法主要有真空蒸镀、阴极 溅射和离子镀。物理气相沉积主要应用于形成附 着力强的耐磨镀层，形成表面致密的耐蚀镀层润 滑镀层，形成各种颜色的装饰镀层，形成各种特 殊性能镀层。化学气相沉积是利用气态物质在一 固体表面进行化学反应，而在该固体表面上生成 固态沉积物的过程。化学气相沉积的过程包括： 产生挥发性运载化合物、把挥发性化合物运到沉 积区、发生化学沉积反应生成固态产物。常见的 化学气相沉积反应有：热解反应、化学合成反应、 化学传输反应。 第八章 产品设计工程技术原理 ③化学转化膜技术是通过化学或电化学手段，使 金属表面形成稳定的化合物膜层的技术。其实质 就是处在表面的基体金属直接同选定介质中的阴 离子反应，使之形成自身转化的产物。化学转化 膜技术主要有：氧化膜或发蓝技术，磷酸盐膜技 术，铬酸盐膜技术，草酸盐膜技术，阳极氧化膜 技术。化学转化膜技术一般使某种金属与某种特 定的腐蚀液相接触，在一定条件下两者发生化学 反应，由于浓差极化作用或阴、阳极极化作用， 在金属表面形成一层附着力良好的、难溶的腐蚀 生成物薄膜。化学转化膜包括电化学法和化学法。 化学转化膜的施工方法包括浸渍法，喷淋法刷镀 法，滚镀法。化学转化膜广泛应用于金属与金属 相互摩擦的部位，如磷酸盐膜具有很小的摩擦系 数和良好的吸油能力，从化学和机械两方面保护 基体 第八章 产品设计工程技术原理 ④电镀、电刷镀、热浸镀和化学镀 电镀是通过电解方法在固体表面获得金属沉 积层的过程。电镀的实质是在组成电极的金属与 溶液的界面上进行氧化-还原反应。常用的单金 属电镀主要有：镀锌、镀镍、镀铬、镀锡和镀铬。 电镀的作用包括防腐、装饰、改善焊接性能。 （图8－17电镀装置示意图） 第八章 产品设计工程技术原理 电刷镀在不断供应电解液的条件下，用一只镀笔 在工作表面上进行擦拭，从而获得镀层。它们的 主要区别在于：电刷镀所用的溶液中含有欲镀的 金属离子，并且比电镀过程中溶液中的金属离子 的浓度要高得多。电刷镀的特点为设备简单，操 作容易，镀层结合牢固，经济效益显著。电刷镀 主要用于机械设备的维修，如滚动轴承和轴颈的 修理，孔类零件的修理，平面、键槽的修理等。 （图8－18电刷镀装置示意图） 第八章 产品设计工程技术原理 热浸镀是将一种基体金属浸在熔融状态的另 一种低熔点金属中，在其表面形成一层金属 保护膜的方法。基体材料：钢、铸铁、铜等。 镀层金属材料：锌、锡、铝等金属及其合金。 根据热浸镀前处理的方法不同，热浸镀分为 溶剂法和保护气体还原法。溶剂法热浸镀是 在镀前在金属表面涂一层助镀剂，其作用包 括清除金属表面的氧化物、防止镀前金属表 面腐蚀和降低熔融金属的表面张力。 保护气体还原法热浸镀的程序包括：a、 用煤气或天然气火焰加热金属表面，烧掉金 属表面的油污、乳化液等，同时生成一层蓝 色的氧化薄膜。b、然后在还原性气氛中还 原为活性海绵状铁，并进行再结晶退火。 c、 待冷却到一定温度后进入镀锅进行热浸镀。 该工艺主要用于钢带热浸镀锌、铝和钢管热 镀锌等。 第八章 产品设计工程技术原理 化学镀是镀液中的离子在催化作用下，与 镀液中的还原剂发生还原反应，从而在金属 表面形成还原沉积层的过程。 第八章 产品设计工程技术原理 ⑤涂料及涂装方法 涂料是一种有机混合物，用以保护和装饰物体 表面免受外界侵蚀，掩盖表面的缺陷，赋予各种 丰富的色彩，改善外观。 涂料的成分包括成膜物质、颜料、辅料、溶剂、 功能剂 。涂料主要分为：a、油性涂料、树脂涂料、油 基涂料； b、色漆、清漆； c、汽车漆、船舶漆、 木器漆； d、耐酸漆、防锈漆、绝缘漆； e、喷 漆、烘漆； f、底漆、面漆、罩漆。 一般涂装方法包括刷涂法、浸涂法、淋涂法、 压缩空气喷涂。新型涂装方法包括静电涂装法、 电泳涂装法、粉末静电喷涂法。 第八章 产品设计工程技术原理 8.3结构设计概述 结构是指产品或物体各元素之间的构成方式与接 合方式。结构设计就是在制作产品前，预先规划、 确定或选择连接方式、构成形式，用适当的方式 表达出来的全过程。产品通常都是由若干个零部 件按照功能与构图要求，通过一定的接合方式组 装构成的。零部件接合方式的合理与否，直接影 响到产品强度、稳定性，实现产品的难易程度 （加工工艺），以及产品的外在形式（造型）。 产品的零部件需要用原材料制作，材料的差异将 导致连接方式的不同。不同类型的产品有不同的 连接、构成方式。相同的产品，可采用不同的连 接方式。在生产制造、运输、销售过程中，要考 虑到经济成本。因此产品结构设计应遵循如下基 本原则。 第八章 产品设计工程技术原理 产品结构设计的原则包括： ①材料性原则 结构设计离不开材料的性能，对材料性能的 理解是产品结构设计所必备的基础。材料不同， 其材料的构成元素、组织结构也不相同，材料的 物理、力学性能和加工性能就会有很大的差异， 零件之间的接合方式也就表现出各自的特征，根 据产品材料，选择、确定接合方式，是结构设计 的有效途径。 第八章 产品设计工程技术原理 ②稳定性原则 产品结构设计的主要任务是保证产品在使用过程 中牢固稳定。产品的重要属性是使用功能。各种 类型的产品在使用过程中，都会受到外力的作用。 如果产品不能克服外力的干扰保持其稳定性，就 会丧失其基本功能。产品结构设计的主要任务就 是要根据产品的受力特征，运用力学原理，合理 构建产品的支撑体系，保证产品的正常使用。 （图8－19电话交换机） 第八章 产品设计工程技术原理 ③工艺性原则 加工设备、加工方法是产品的技术保障。零 部件的生产不仅是形的加工，更重要的是接口的 加工。接口加工的精度、经济性直接决定了产品 的质量和成本。因此，在进行产品的结构设计时， 应根据产品的风格、档次和企业的生产条件合理 确定接合方式。 第八章 产品设计工程技术原理 ④装饰性原则 装饰性是提高产品附加价值的重要手段，包 括产品的外部形态装饰和内部结构装饰。产品的 装饰表现不仅要综合考虑产品的功能、结构、色 彩、风格等因素，同时还要考虑情感、社会、时 代的发展，体现一定的文化特征。产品的装饰性 不只是由产品的外部形态表现，也要考虑到内部 结构的秩序性与合理性。 第八章 产品设计工程技术原理 8.4产品数字化设计 在以计算机和互联网技术的广泛应用为特征 的信息时代，具有统一传输格式与标准的各 类信息，可以实现超越时间与空间的流动。 在这样的技术背景下，产品将成为无所谓使 用地点与时间的数字化伙伴，数字化的信息 流浸没了人们的工作、生活、娱乐，人们可 以轻而易举地将他们所需要的信息拿过来， 参与到创造活动中。从“人-产品-环境”系 统来看，由于产品所处系统特有的数字化特 性，使得产品无可避免地烙上信息时代的特 征。 第八章 产品设计工程技术原理 8.4.1数字化的概念 所谓数字化，是指利用计算机信息处理技术 把声、光、电、磁等信号转换成数字信号， 或把语音、文字、图像等信息转变为数字编 码，用于传输与处理的过程。 数字化技术起源于二进制数学，在半导 体技术和数字电路学的推动下使得很多复杂 的计算可以通过高能机器或电路运算完成。 发展到今天微电子技术更是将我们带到了数 字化领域的前沿。 第八章 产品设计工程技术原理 8.4.2数字化产品设计的发展 数字化设计是数字技术和设计的结合，目前为止 数字化设计技术的发展历程可以大体上划分为以 下三个阶段。 (1) CAx工具的广泛应用。自20世纪50年代 开始，各种CAD/CAM工具开始出现并逐步应用到 制造业中。这些工具的应用表明制造业已经开始 将利用现代信息技术来改进传统的产品设计过程， 标志着数字化设计的开始。 (2) 并行工程思想的提出与推行。20世纪80 年代后期提出的并行工程是一种新的指导产品开 发的哲理，是在现代信息技术的支持下对传统的 产品开发方式的一种根本性改进。 (3) 虚拟样机技术。随着技术的不断进步， 仿真在产品设计过程中的应用变得越来越广泛而 深刻，由原先的局部应用（单领域、单点）逐步 扩展到系统应用（多领域、全生命周期）。虚拟 样机技术正是这一发展趋势的典型代表。 第八章 产品设计工程技术原理 8.4.3数字化产品设计背景 随着已渗透到世界各个角落的网络时代的来临， 无所不在的计算机不仅改变着科学发展的面貌， 而且大大地影响着我们生活的每一层面，使传统 的产品设计方法与设计语言发生了重大的变革: 全世界各种形式的产品正从实物状态转化为虚拟 状态，从物的设计转化为非物质的设计，从有形 的设计转化为无形的设计。 这些设计变革的冲击促使新生代的设计师在 数字化浪潮的冲击下改变着工作、设计和思维方 式。 德国施普尔及克劳舍认为虚拟产品是存储在 计算机内部的数字化模型，亦称数字化试验模型 (Digital MockUp，DMU)。这种数字化模型对定 量描述产品外形、功能、实用性质以及各项测量 等有极其重要的作用，进而对产品做出定性描述。 而虚拟产品开发可归结为在计算机系统内，以数 字方式存储的并可操纵的产品模型开发。它以面 向产品生命周期的几何建模为基础，集计算机图 形学、人工智能、并行工程、网络技术、多媒体 技术及虚拟现实技术的整合。 第八章 产品设计工程技术原理 一旦语言、图形及文字以数码的形式被编制，它 们不但从物质存在域中解脱出来，而且还可被完 美而无穷地复制。波音公司利用数字试验模型技 术对波音777飞机进行全数字三维描述，所设计 的数据竟多达3.5万亿字节。然而，如此庞大的 数据量在以光速传播字节的信息高速公路 (Information Superhighway)上传输，却奇快无 比。同时，波音公司也宣称，对飞机进行数字化 预装配(Digital PreAssembly，DPA)所花去的费 用是合算的。 产品的数字化设计的诞生，与计算机的日 益优化息息相关,是传统的生产模式与信息化时 代数字技术相融合的产物，它以性能日益优化的 计算机为信息载体，以光纤或同轴电缆等为传输 介质来实现产品研发的工作进程。 第八章 产品设计工程技术原理 8.4.4产品数字化设计实施基础 信息网络是构建数字化产品设计平台系统的基础 结构，畅通的信息网络在日常运作、过程控制、 决策支持、效益评估及与其它企业的竞争、合作 中的联系方面起着不可替代的作用，是实施数字 化产品设计和虚拟制造的基础，也是保障企业在 产品研制开发和制造过程中其它基础结构正常运 转的最基本的手段。建立畅通的信息网络，可以 实现异地设计、支持并行的产品研制开发，在不 同企业间实现信息的交换与共享，持续不断地为 设计师提供有关产品的各种信息和服务。 第八章 产品设计工程技术原理 8.4.5构建以CAD／CAE／CAM／PDM的集成为核心的 数字化产品设计信息集成网络 CAD／CAE／CAM／PDM的集成是CIMS的核心内容之 一，它覆盖了从产品设计、工程分析到生产制造 的全过程。集成的模式主要有三种：信息的封装 模式、程序接口模式和系统完全集成模式。无论 是哪一种模式，都是通过数据接口技术和多数据 库的集成技术，实现 CAD／CAE／CAM的信息集成、 过程集成和功能集成。具体包括基于特征的识别 技术、数据信息的交换技术和多数据库的集成技 术等。 第八章 产品设计工程技术原理 （1）建模技术 虚拟制造系统VMS是现实制造系统RMS在虚拟环境 下的映射，是RMS的模型化、形式化和计算机化 的抽象描述和表示。VMS的建模包括生产模型、 产品模型和工艺模型。 生产模型 可归纳为静态描述和动态描述两 个方面。静态描述是指系统生产能力和生产特性 的描述。动态描述是指在已知系统状态和需求特 性的基础上预测产品生产的全过程。 产品模型 产品模型是制造过程中，各类实体对 象模型的集合。目前产品模型描述的信息有产品 结构、产品形状特征等静态信息。而对VMS来说， 要使产品实施过程中的全部活动集成，就必须具 有完备的产品模型，所以虚拟制造下的产品模型 不再是单一的静态特征模型，它能通过映射、抽 象等方法提取产品实施中各活动所需的模型，包 括三维动态模型，干涉检查，应力分析等。 工艺模型 将工艺参数与影响制造功能的产 品设计属性联系起来，以反应生产模型与产品模 型之间的交互作用。工艺模型必须具备以下功能： 计算机工艺仿真、制造数据表、制造规划、统计 模型以及物理和数学模型。 第八章 产品设计工程技术原理 （2）. 仿真技术 仿真就是应用计算机对复杂的现实系统经过抽象 和简化形成系统模型，然后在分析的基础上运行 此模型，从而得到系统一系列的统计性能。由于 仿真是以系统模型为对象的研究方法，不会干扰 实际生产系统，同时利用计算机的快速运算能力， 仿真可以用很短时间模拟实际生产中需要很长时 间的生产周期，因而可以缩短决策时间，避免资 金、人力和时间的浪费，并可重复仿真，优化实 施方案。 产品制造过程仿真，可归纳为制造系统仿真 和加工过程仿真。虚拟设计系统中的产品开发涉 及到产品建模仿真、设计过程规划仿真、设计思 维过程和设计交互行为仿真等，以便对设计结果 进行评价，实现设计过程早期反馈，减少或避免 产品设计错误。 另外，加工过程仿真，包括切削过程仿真、 装配过程仿真、检验过程仿真以及焊接、压力加 工、铸造仿真等。 第八章 产品设计工程技术原理 （3）.虚拟现实技术 虚拟现实技术是综合利用计算机图形系统、各种显 示和控制等接口设备，在计算机上生成可交互的三 维环境（称为虚拟环境）中提供沉浸感觉的技术。 虚拟现实系统包括操作者、机器和人机接口3个基本 要素。利用VRS可以对真实世界进行动态模拟，通过 用户的交互输人，并及时按输出修改虚拟环境，使 人产生身临其境的沉浸感觉。虚拟现实技术是VM的 关键技术之一。2004年4月，通用公司在位于美国密 歇根州兰幸市建立了新装配厂，该厂将是首座完全 采用3D计算机技术设计的工厂。投资大约为8亿美元， 将于今年建成，是一座具有高度柔性化生产工艺的 现代化装配厂。 周期更短、成本更低、更易修改是虚拟现实 技术的三大优点，通用汽车公司现已开始发掘虚拟 现实技术的第四优点——异地互动。通用公司的计 划是，以互联网为载体将分布于四大洲(北美、欧、 亚、南美)的虚拟现实设计中心连为一体，实现全球 互动、资源共享、优势互补。3D技术可以使专家们 参观现实中并不存在的车间，并不断调整车间里的 设备的位置，全盘考虑所有在生产过程中可能出现 的情况。 美国克莱斯勒公司运用虚拟产品开发技术，使产品 开发周期由原来的36个月缩短为24个月。 第八章 产品设计工程技术原理 德国奔驰公司利用以色列Tecnomatix技术公司开 发的虚拟设计软件-Robcad，使车体喷漆的设计 时间缩短了30%～40%。 CAS：概念设计、车身、内饰造型的虚拟化、数 字化产品设计 CAD：车身、整车、总成及零部件的三维模型设 计、数字化装配和分析 CAE：结构设计与运动学、动力学分析，整车性 能分析和系统优化匹配 系统集成：通过数据库和网络集成技术实现各子 系统间的信息和资源共享，为汽车创新的协同化 并行设计提供支撑。 第八章 产品设计工程技术原理 8.4.6常用数字化产品设计软件 1.Softimage | XSI Softimage|XSI的前身为Softimage|3D，原 运行于SGI工作站，后来移植到了PC机上，主要 运行于Windows NT平台。功能强大之极，最擅长 于卡通造型和角色动画，是电影制作的绝好工具。 美国著名电影《泰坦尼克》中船的模型，《侏罗 纪公园》中的恐龙等都是用它制作的。最令人炫 目的是它内部整合了世界一流的渲染器，远远超 越3DS MAX。 其实，Softimage|XSI与Maya属同一重量级别的 顶级三维动画软件包，其强大的功能与Maya难分 上下。 2.Rhino Rhino提供了一个灵活、准确、和快速的工作 环境，可以建立模型和对物体进行渲染。Rhino 易学易用，设计人员可以创建各式各样的曲线， 曲面和实体，并可随心所欲的创建想要的模型。 利用UNRBS设计人员可以在数学上精确的定义任 何的形状，从简单的线，弧，园，或者多边形， 到最复杂的3D曲面和实体。因为它非常的灵活、 准确，所以能用在许多的场合，譬如模型制造， 插图动画，工业设计等。 第八章 产品设计工程技术原理 3.CATIA CATIA是由法国著名飞机制造公司Dassault开发 并由IBM公司负责销售的CAD/CAM/CAE/PDM应用系统， CATIA起源于航空工业，其最大的标志客户是美国波 音公司，波音公司通过CATIA建立起了一整套无纸飞 机生产系统，取得了重大的成功。 4.Pro/Engineer（Pro/E） Pro/Engineer是美国参数技术公司 (Parametric Technology Corporation， 简称PTC) 的产品。Pro/Engineer作为一套由设计至生产的机 械自动化软件，具有单一数据库功能。PTC公司提出 的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念 改变了机械CAD/CAE/CAM 的传统观念，这种全新的 概念已成为当今世界机械CAD/CAE/CAM领域的新标准 5. SolidEdge Solid Edge是基于Windows操作系统开发的，采 用先进的STREAM技术，完全与Microsoft产品相兼容 的真正技术指标化的三维实体造型系统。 Solid Edge的STREAM技术推进了CAD行业的发展,提高了生 产力，它利用逻辑推理和决策概念来动态捕捉工程 师的设计意图，STREAM技术易学、易用，能 比其他 中档CAD设计软件产生更多的效益。，更充分利用人 工智能和人机工程的最新技术,为所有设计专家有效 和实用地进行产品三维造型设计奠定了新的标准。 第八章 产品设计工程技术原理 6.Solid Works 创新的、易学易用的和价格便宜的Solid Works是Windows原创的标准三维设计软件。没有 其他任何同类实体建模产品能象Solid Works一 样既有创意又如此强劲 技术是一种手段，是一件一件越来越先进的 工具。它给我们带来了新的可能，促使我们有机 会产生更多的灵感并且更方便地实现它们，但是 最终要抓住这些美妙的构想的仍然不折不扣地要 靠人们自己的努力，这才是设计真正的重要所在。