第四讲 技术设计
一、工程技术设计的意义
（1）工程技术设计的涵义
设计是人类特有的能动性和创造性的表现。马克思曾说
“蜜蜂建筑蜂房的本领使人间许多建筑师感到惭愧。但是，最蹩脚的建筑师从一开始就比最灵巧的蜜蜂高明的地方，是他在用蜂蜡建筑蜂房以前，已经在自己的头脑中把它建成了。”人类从事任何活动，事先都要有所谋划和构思。这是人类区别于其他动物的基本特征。广义地理解，设计是指在实际制造一种新事物之前，想象、构思、创造这个新事物的模式的活动，它包括新事物的发明思考，城市系统的统筹规划，文艺作品的结构构思，规章制度的编制拟定，工作任务的安排部署，等等。
从工程技术的角度来看，技术设计是根据开发、研制方案的要求，按照技术原理的构思，运用科学知识和技术经验知识，使开发、研制方案具体化，形成拟生产的模式以便进行有关生产的一种技术活动。技术设计是把技术原理转变为技术实体的桥梁，其最终结果是提出包含有技术系统和总体结构及其实施工艺过程的图纸和说明书。以此作为研制或施工的依据，从而使技术成果满足规定的技术要求，并且有可能最经济地被生产出来。这就是说，为了生产出某种东西，必须先有一个设计。因此，技术设计是生产实践的重要组成部分。
（2）工程技术设计的意义
工程技术设计对工程技术实践的特殊作用表现为：
1）把科学转化为生产的中介作用。工程技术设计从直接的生产劳动分化出来之后，就不再囿于个别劳动者的狭隘经验，为科学在生产中的应用创造了条件。一方面，它可以用科学的观点和方法，把本领域的生产经验集中起来，总结提高为有条理的东西；另一方面，可以把科学研究成果和技术原理具体化，成为生产的基础。
工程技术设计的这个中介作用，要求设计工作人员不仅要具备一定的科学知识，掌握科学研究和技术发明的动态，而且还要具备一定的生产知识，了解生产和施工的实际过程，注意吸取生产者的实践经验。工程技术设计虽然必须运用科学，但设计工作本身还包括着一定的经验因素。忽视经验在设计中的作用，就不能使技术密切结合生产现场的实际条件。
2）系统综合的作用。技术开发项目是一个系统，即使一件小小的产品，它所涉及的因素也是很多的。在开发过程中，所有考虑到的因素最后都要落实到设计图纸中。工程设计要通盘考虑这些因素，系统地综合这些因素，选择最佳的模式，保证用最合理的方式和最经济的方法进行施工和制造。由于系统设计和优化设计理论迅速发展和电子计算机引进设计领域，从而有可能把日益复杂的和无法考虑的诸多因素，综合到技术大系统中加以优化处理，以保证用最经济的方法顺利地进行施工和生产。
3）组织生产的作用。工程设计既然在施工和制造之前，就以观念形态造成了工程产物（用图纸和说明书表达），那就意味着设计人员已在头脑中预演了工程进展和生产过程。设计人员通过调查研究、慎密构思和反复论证，必要时还要经过部分的试验或整体模拟试验，尽可能把影响工程质量、成本、安全等因素的设计问题在施工和生产之前解决好。这样就增强了施工和制造的预见性，避免了盲目性。
建立在现代科学基础上的设计是施工和生产的依据，它起着组织生产过程和安排劳动的作用。机器设备和工具的添置及安排，原材料的处理和加工，工艺过程和生产线的安排，劳动力的分配和劳动定额的制定，全部生产技术管理和经济财务管理等等，都要以设计文件为主要依据。
二、工程设计的特征、要素和原则
（1）工程设计的特征
工程技术是一种有目的的活动；工程设计的具体目标是
满足人类社会的各种需要；工程设计是通过工程技术的特定渠道来满足社会需要的。工程设计的这些基本属性决定了它具有以下主要特征：
1）目标明确性。设计目标的确定是课题研究的一个基本方面。它包括主要目标和次要目标。主要目标是指来自需求者方面的基本要求，如要设计一种满足需求的机械装置等。次要目标是指在满足基本要求的情况下，另外又确定的目标，如外观、成本等。
2）多解性。设计既然要受到自然、科学、技术、生产、社会、经济等多种因素的制约，这些因素又经常处于不断变化的过程之中，因而任何一个明确定义的设计问题的可能解，就不是唯一确定的，而是没有限制的。设计的选择有宽广的范围，容有较大的灵活性、较高的创造性，要求设计者视野广大、思路开阔，能够随着条件的变化适时、果断地变换解决问题的办法。
3）约束性。约束性是指工程设计要在各种限制条件中进行。设计的自由局限在允许的可行范围内。首先要符合科学原理和技术原理，技术上才有可行性；其次要经济上合理，一方面适合于当时当地拥有的人财物力条件，另一方面能够创造较高的经济效益；同时技术试制、施工中所需要的生产设施、运输工具、原材料和能源等都有相当的保证；技术产品的性能要满足生产需要，而社会生产所提出的要求和条件也构成设计的限制因素。
4）相对性。这是指任何一个设计的结论都是相对准确的，而不是绝对完备的。因为设计的原始资料和设计中的经验因素往往带有不确定的成分，设计得到的结果是在设计对象临界状态附近波动的是容许值而不是绝对值；设计中有主要目标和次要目标，这些目标可能会相互矛盾，如低成本常常和安全性、可靠性相冲突。不可能有一种设计方案能够使各种需要都得到完全的满足。设计者只能追求牺牲某些个别目标而获得总体目标的最佳方案；设计方案的最终抉择是采用价值判断方法。价值是一种相对量，要准确地确定它是困难的。价值判断是通过比较产品的类似因素来确定的，所得到的价值概念，当然只具有相对的性质。
5）动态性。这是指在设计过程中，根据不断变化的条件随时对方案作出调节、修改、充实、更新。
6）综合平衡性。工程设计过程中，由于多种目标的共存，必然产生相互间的冲突，在此情况之下，则需要设计者在把握基本目标的前提下兼顾各方面，求得综合平衡。
从以上工程技术的本质特征我们又可以进一步看到，工程设计从需求的目的出发，到满足需求之目的为归宿，它是理论向物质成果转化过程，也是生产活动的目的和重要的实践活动。
（2）工程设计的要素
和工程设计的本质特征相联系的是工程设计的要素。传统工程设计与广义工程设计所要考虑的因素不尽相同。传统工程设计概括起来大致可以归结为四大要素：功能、安全、经济和外观。
1）功能。所谓功能是指所设计和制造出来的产品，必须在规定的使用寿命期间满足预期的功能。不言而喻，这是设计的第一要素，并且也是满足用户要求的主要方面。就功能而言，有的比较简单，有的比较复杂，有的是单一功能，有的是多功能，有的功能是特殊化的，有的则是通用化的。总之，一个良好的设计，首先必须充分满足功能方面的各种要求。
2）安全。工程设计的产物大多要涉及到劳动者的工作条件和广大人民的生活。因此，工程设计中不可忽视的另一个因素就是安全。这个问题关系重大，设计人员的丝毫疏忽都会严重危害劳动者的安全。这种危害大至环境污染，毁灭性事故，小至家庭用品的人身事故。设计者必须对一切的可能都给予足够的估计，以高度负责的精神来消除由设计可能带来的不安全因素。
3）经济。任何国家的设计人员，尽管出于不同的目的，但追求最好的经济效果却是共同的。也就是说设计要有助于用尽可能低的成本制造产品。设计是决定经济效益的第一环节，设计人员在设计过程中，从设计方案的选择到最小的细节都应从经济上考虑。设计者不仅要考虑生产成本，而且还要考虑工程产物以后的运行、维修和劳务等费用，即在设计的时候就要考虑到工程产物整个生命周期的费用。
4）外观。外观虽然不是工程设计的首位要素，但也相当重要。所谓外观问题包括三个方面的内容。第一方面是美学因素。技术设计要求设计者运用线条、造形、比例、色彩等设计出美的外观，美的形象。美的外观是指事物的外部形态能暗示和传送情感、思想、信息，能够吸引人、感人，放射耐人寻味的光辉，它可以使人去领悟产品的内在力量，深厚感情。外观的第二方面是宜人原则，即要适合人的生理特征、心理特征和行为特征。第三方面是设计出来的产品外形要适宜于包装、运输和安置。
上述四个要素不是孤立的，而是相互作用，相互影响的。
（3）工程设计的原则
在长期的技术设计实践中，人们总结出了一系列进行技术设计必须遵循的原则，成为技术设计的指导思想。其中重要的有：
1）处理好继承和创新的矛盾。设计必须首先考虑是否能用现有的成熟技术结构来满足要求，节省不必要的设计、研究、试验的时间和费用，不断提高产品的标准化，系列化和通用化（通称“三化”）程度，用尽可能少的产品系列满足各方面的需要。但是，设计又是创造性的劳动，技术的先进性和生产合理化的要求是不断提高的。当已有的结构不能满足新的设计要求时，发明创造就应运而生。对于继承和创新的矛盾，必须综合考虑，权衡利弊，来断定投资于发展工作的合理性。
2）处理好长期发展和近期需要的矛盾。如果只顾当前，不考虑长远，会使一种设计当试制成功时就处于落后地位，或者没有进一步发展的余地，这样的设计是没有生命力的；但过多地考虑长远，把技术指标定得太高，脱离了经过努力能够达到的水平，就要拖延研制进度，也不利于发展。
3）处理好先进性和可靠性的矛盾。设计一种技术产品必须把技术上的先进性放在重要位置，在可能条件下，尽量用先进技术装备去代替落后的技术装备。但是，设计出来的新技术产品，是为了能在社会实践中被可靠地使用。因此，在设计技术产品时，还必须充分地考虑技术产品使用时的各种可靠性因素，在规定时间内，技术产品安全使用的概率。 (返回页首)
三、工程设计的一般方法
在设计过程中，设计者既不能仅仅从各种设计手册中去寻求答案，也不能仅仅依靠灵感去获得答案，而应该依靠自已的方法论修养，去创造性运用本专业的一般技术理论和设计原理，提出优秀的设计图纸。下面简单介绍几种寻找可能答案的一般方法。
（1）常规设计法
常规设计法是经常采用的方法，它可以分为以下五种：1）从已有的设计中找答案。设计者面对一个设计课题，第一个反映就是在自己的记忆中搜索相似课题的设计答案。这种方法常常能够取得成功。因为很多设计往往是老部件的新安排，或者是已有设计原理的重新组合。2）从已知的结构元件的组合中找答案。不论是简单的还是复杂的机器设备，都包含着一些相对独立的组合机构，如动力机构、传动机构、控制机构、加工机构等。这些机构的组成部件往往又是已知的标准件。这些标准件按不同方式组合起来，就可以构成各种类型的机械设备，从而为机械设计找到许多可能的答案。3）从技术发展史中找答案。研究一种新产品或技术发展的历史，可以获得有价值的启示，从而发现设计课题的可能答案。4）从最新的技术情报资料中找答案，其中，参观展览会是一个好办法，在那里可以看到最新的技术的发展，可以在比较同类产品中得到启发。5）从技术实验中找答案，即在一个设计课题的某些内容缺乏理论基础和实际经验时，就常常运用试验方法以寻求答案。
（2）功能设计法
功能设计法是比较流行的一种现代设计法。这是因为满足功能要求是技术设计的首要因素，任何设计法都是首先着眼于功能。一般来说，技术产品的功能可分为基本功能与辅助功能两个方面。基本功能是直接满足主要技术目标的功能，而辅助功能则是为了保证实现基本功能在设计上添加的功能。对于一个结构完整的技术系统来说，基本功能是代替人直接作用劳动对象的功能，而辅助功能是代替或传递人的动力、控制来调节或发挥基本功能的功能。一般情况下，技术的基本功能是稳定部分，不能随意改变，但同一基本功能可以由不同技术原理和手段来实现。而辅助功能是可变部分，可以在保证实现基本功能的前提下加以更替和变换。因此，技术的基本功能和辅助功能都可以采取多种结构形式的设计方案。
在弄清基本功能和辅助功能后，还需要分析必要功能和非必要功能。基本功能一般来说是必要功能，但有时也会有一些非必要功能。
功能是反映产品用途的技术指标，产品的功能取决于产品的设计。设计不仅决定产品的功能，还决定着为获得这些功能所需要的成本。成本是为实现特定功能所需支付的全部费用。以最低成本可靠地实现产品所必备的功能，从而提高价值，这是功能设计的基本点。其中“价值”不是通常意义上的“价值”，而是指产品的功能与成本之间的比值。即：
功能F/成本O
在功能不变的条件下，成本越小，价值越大，或成本一定，功能越大价值相应也增大。
（3）功效学设计法
工效学设计法是最近几十年来发展起来并得到公认的新方法。工程技术的设计对象，不论是用于生产的机器设备系统，还是工业生产中所产生的生活消费品，绝大多数是直接为人服务的。同时，机器设备系统又需要人来操作控制，更靠人的劳动才能进行生产，而机器设备系统等又极大地影响和改变了人的劳动方式和工作情绪，这就构成了“人—机”系统。所以，技术设计必须考虑人的因素，协调“人—机”关系，即考虑人在生理上和精神上的特性，使设计出来的机器设备等能够安全地、高效地操作而不致引起过度疲劳，使设计出来的生活用品能够安全有效地发挥作用，而且给人以方便和舒适。这就是工效学设计方法的特点。
工效学设计法的主要内容包括以下几个方面：根据人体测量学和人的生理特点设计操作空间；根据生物力学设计操作机构；根据人的感觉能力（特别是视觉能力、对信号的反应速度）和分辨能力设计仪表和操纵板（台）；根据人的生理和心理特点设计工作环境。工效学设计虽然不能提出基本的设计方案，但却是设计构思时的出发点之一，特别是在形状设计时是必须予以考虑的。
技术设计方法多种多样，千差万别，设计过程中可以根据各种不同情况来选择使用，而且往往并非使用一种方法，正如维纳（N.wiener）所指出的：“一般说，工程设计与其说是一门科学，不如说是一种艺术。”
创造性、灵活性是工程设计的活的灵魂。
（4）系统设计法
系统设计法是一种现代化的设计方法，它是系统方法和系统工程方法在技术设计中的具体应用。系统设计法把设计对象看作是相互作用的若干单元的复合体，用系统方法和系统工程原理处理整体和部分的关系，综合各单元之间的各种相互关系，以求得整体最优的设计方案。所以，系统设计法又称为优化设计法。应用此法设计时，一般要经过要素设计、结构设计和综合设计三个阶段。
在要素设计阶段，首先要分析研制方案，进而把研制方案所确定的技术系统进行分解，形成若干相互关联的子系统。在整个把设计对象分解为各个元素和子系统的过程中，要分析和确定它们之间的相互作用关系。每个元素或子系统总是以某种方式与其它元素或子系统联系着的，彼此之间要发生某种相互作用。有些元素或子系统间的相互作用很强，有些是中等的，有些则很弱，都要一一加以确定。
在结构设计阶段，首先综合各个子系统的最佳设计，然后把相容的设计加以组合，形成整体技术方案，进行结构设计，直至达到结构最佳化。这个阶段的工作实际也是分层次进行的，而且方向正好与前一阶段相反。它根据由分析得出的各部分的技术参数、相互作用关系以及其它的约束条件，首先求出局部的最优解，然后再在高一层次综合，直至求出整体的最优解。如果综合的结果不符合目标的要求，就需要重新进行分析和综合，一般来说，要经过多次的反复，才能达到比较满意的结果。
在综合设计阶段，主要是对所设计的系统的功能、结构和可靠性进行审查，看是否达到了预期的各项指标。此外，还要对该设计方案在成本、工期、寿命、社会效果等等方面作出综合评价。经过系统综合而得到的设计方案，要通过评价，方能作出最后的决策。评价也是综合的，即要对技术性能、经济效益、安全性、可靠性以至外观等方面进行综合评价。对于复杂的大系统来说，在各个层次和各个设计阶段，都要及时地进行评价，最后才能进行总的评价。
系统设计法的优点是，它在复杂对象的设计工作中，能较好地解决局部和整体的关系，能够在各部分的相互作用中求得整体最优的方案，并能井然有序地组织好设计工作。然而系统设计法主要是一种组织方法和工作方法，并不能取代具体的设计方法。