材料加工新技术与新工艺第8章反求设计

机械创新设计机械工程与自动化学院机械设计系第八章反求设计反求工程(ReverseEngineering)是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。8.1概述反求设计(ReverseDesign)是以先进的产品或技术作为对象，进行深入的分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型创新产品的设计。反求设计强调剖析原产品时在“求”上狠下功夫，吃透原设计；而再设计时在“改”和“创”上作文章，力图在较高起点上设计出竞争力更强的创新产品。反求设计分为两个阶段：8.1概述反求阶段：通过对原有产品的剖析，知其所以然。吸取其技术精华、关键技术，达到为我所用。分析原有产品的技术矛盾，为改进或创新设计提出方向。再设计阶段：进行二次设计(再设计)，开发出同类型的创新产品。反求设计的过程：8.1概述8.2.1宏观分析8.2产品反求分析的思路和内容机电产品系统的功能体现为能量、物料、信息的变化，且系统与周围环境有密切联系。剖析产品时首先要抓住能量、物料、信息、环境这四个基本方面分析其工作原理和产品特点。根据能量、物料、信息输入和输出的变化，分析产品系统的总功能和主要的辅助功能。8.2.1宏观分析8.2产品反求分析的思路和内容根据能量流、物流、信息流的途径，分析系统中动力源、传动系统(驱动器)、执行系统、检测系统和控制系统的具体组成和特点。1．探索产品设计的指导思想8.2.2详细分析一些家用产品往往从扩展功能、降低成本、精美造型等方面提高市场竞争能力。为降低成本、便于使用，许多产品以“小型化”作为设计目标。为贯彻可持续发展战略，强调节能、保护环境，绿色设计从产品的设计、加工、装配、使用、报废整个寿命周期充分考虑产品的环境属性，防止影响环境的噪声或废弃物产生，使零件或材料在产品达到寿命周期时以最高附加值回收并重复利用。1．探索产品设计的指导思想8.2.2详细分析随着人民生活水平的提高，人的价值观从重视物质发展到重视精神，商品不仅满足需要而且要使人舒服，考虑宜人因素的舒适性设计也提到日程上来。发展系列产品是满足多品种、低成本、短开发周期以提高市场竞争能力的有效手段。2．原理方案分析8.2.2详细分析各种产品是针对其功能要求进行设计的。在功能分析的基础上了解现有原理方案的工作原理和机构组成，探索其构思过程和特点，并进一步研究实现同样功能新的原理解法。分析原理方案首先掌握执行系统的特点，可从动力源、传动系统、测量系统、控制系统等方面逐项分析，并了解各路间的联系和接口。3．结构分析8.2.2详细分析零部件是功能载体，其结构首先要满足功能的需要。分析结构同时要考虑提高性能(提高强度、刚度、精度、寿命，减少磨损，降低噪声等)、降低成本、提高安全可靠度等方面的特点。4．材料分析8.2.2详细分析根据零件的功能、结构、加工工艺特点分析、鉴定材料及其热处理方式。有时需通过材料分析进行材料代用，遵循立足国内的方针，考虑资源及成本，选择合用的国产材料。代用的原则是首先满足力学、物理性能，其次满足化学成分的要求，并参照其他同类产品，确定代用材料的牌号及技术条件。5．形体尺寸分析8.2.2详细分析对于实物或图纸，测量分析零部件形体尺寸，并用图纸表达或利用计算机储存信号。对于图像，通过透视法求得尺寸之间的比例，再按参照物确定各尺寸。6．外观造型分析8.2.2详细分析造型设计和分析的基本原则是实用、经济、美观，首先要满足功能要求。而通常的美学原理如合理的尺度、比例，造型上的对称与均衡，稳定与轻巧，统一与变化，节奏与韵律等也应作为分析时的参考难则。色彩能美化产品并引起感情效果。对有关产品色调的选择与配色、色彩的对比与调和等方面作相应分析，有利于了解它的设计风格。7．工艺和精度分析8.2.2详细分析许多先进设备的关键技术是先进的工艺，分析产品的加工过程和关键工艺十分必要。在此基础上选择合理工艺参数，确定新设计产品的制造工艺方法。各种构件都由表面形状、尺寸、元素的相对位置所确定，在反求过程中对尺寸精度、形状误差和相对位置误差要进行必要的分析。8．工作性能分析8.2.2详细分析对产品的主要工作性能如强度、刚度、精度、寿命等要进行试验测定，掌握其设计和设计规范。9．其他8.2.2详细分析包括使用、维护、包装技术等。先进的产品应具有良好的使用性能和维护性能。8.2.3关键技术的分析和反求某些机电产品往往来用一些非同一般的技术手段，以达到同类产品难以达到的技术水平，体现特色，提高其竞争能力。这些技术常称为关键技术(KnowHow)。对研究对象进行反求分析，最重要的是探求其关键技术——关键功能、关键原理、关键结构、关键材料等。掌握关键技术是进一步提高产品水平的前提。8.2.3关键技术的分析和反求1．关键功能的分析分析产品的各项功能要重点抓主要功能，而其中一些关键功能的解决对产品的水平和特色起决定性的作用。自支承齿轮泵结构简单，成本低。其关键功能是“支承”。泵中没有轴承，如何解决齿轮与泵体之间的支承就是它的关键技术。8.2.3关键技术的分析和反求1．关键功能的分析八音盒机芯动力为卷簧，通过传动齿轮带动音鼓回转，拨动音键奏出美妙的音乐。其中控制音鼓均匀回转的“调速”功能是关键功能。不同的八音盒机芯往往采用不同的调速机构，突出自己的设计特点。8.2.3关键技术的分析和反求2．关键原理的分析产品的同一功能可以选用不同的原理方案。某些产品在工作原理上实现关键技术形成特色。8.2.3关键技术的分析和反求2．关键原理的分析对连续运动中固态物料流量的测量，一般机械测量装置都不令人满意。近年来我国开发的核子秤，利用物质吸收Y射线的原理，出色地完成非接触连续计量的任务，成为具有国际水平的高技术产品。8.2.3关键技术的分析和反求2．关键原理的分析在无发动机的惯性玩具汽车中，除用飞轮(惯性轮)存贮动力外，还利用惯性原理使汽车遇到障碍物反向行驶。其中飞轮及小齿轮所在轴A沿轴向可滑移。图a为向前行驶状态。车遇障碍物后，由于惯性，滑移轴前冲，达到图b位置，小齿轮与冕状齿轮另一侧相啮合，使车轮反转倒行。8.2.3关键技术的分析和反求3．关键结构的分析某些产品以巧妙的结构形成关键技术。代替钢梁的一种三角柱状构件。柱的三种组件均在其强度最大的方向承受载荷，等强度下其重量仅为同材料钢梁的1／4.5。8.2.3关键技术的分析和反求4．关键材料的分析一些产品中采用特殊材料形成关键技术。形状记忆合金等具有记忆形状的特点。8.2.4不同反求对象的分析特点根据反求的对象不同可分为实物反求、软件反求和影像反求三种:1．实物反求实物可为设备、部件、零件。实物反求对象最具体，具有较好的分析条件。2．软件反求软件指产品图纸，技术资料文件，产品样本、说明书等。3．影像反求根据照片、图片、影视画面等影像资料进行产品反求设计称为影像反求。8.2.4不同反求对象的分析特点1．实物反求实物反求时先对有关产品进行外观分析和性能试验。在功能分析、原理方案分析的基础上按部件、组件、零件逐步解体，测求各零件的材料、结构、形状、尺寸和零件之间的组装关系。根据需要分析零件的加工工艺和精度。通过全面反求，掌握产品的关键技术和存在的矛盾及不足。8.2.4不同反求对象的分析特点2．软件反求通过软件反求一般可知产品的功能、原理方案和结构组成，若有零件图则可详细了解零件的材料、尺寸、精度。为分析产品或零件性能需要进行适当的计算和模拟试验。对于外国产品应进行标准换算和材料国产牌号代换。8.2.4不同反求对象的分析特点3．影像反求通过影像资料得到的设计信息最少，反求难度最大，要求设计者具有较丰富的设计实践经验。根据影像资料可得到一些设计概念，引导人们去进行创新设计。首先根据产品的工作要求分析其功能和原理方案。如从执行系统的动作和原动机情况分析传动系统的功能和组成机构。分析产品的结构和材料，往往要根据其外部已知信息，参照功能和工作原理进行推理。8.3二次设计在分析反求已有产品的基础上进行设计，称之为“再设计”或“二次设计”。进行二次设计与一般创新设计相同。在各个设计阶段进行多方案分析，尽量利用先进的设计理论和方法，探索新原理、新机构、新结构、新材料，力争在原有设计的基础上有所突破、有所前进，开发出更具竞争性的创新产品。二次设计包括拟仿设计、变异设计和开发设计三种类型。拟仿设计基本模仿原设计。有时在材料国产化和标准件国标化方面作些改变。8.3.1变异设计变异设计就是在现有产品基础上对参数、机构、结构、材料等改进设计，或进行产品的系列化设计。8.3.1变异设计例8-1激光分层实体制造设备激光分层实体制造设备是一种先进的激光成型设备。1)原设备分析激光器x向运动：电机5-丝杠6-滑块13移动(梁7上导轨导向)。激光器y向运动：电机1-丝杠2-梁7移动(导轨9导向)。热压辊y向运动：电机14-轴3-同步带8、11-热压辊10移动(圆柱导轨4、12导向)。矛盾：y方向两种运动不同时进行，是否可能精简并共用机构。8.3.1变异设计2)二次设计利用激光器y向运动的传动系统(电机1，丝杠2，梁7)和热压辊y向运动的导向系统(圆柱导轨4、12)同时满足两种y向运动，其关键结构是增加锁扣A。当需要热压纸材时，驱动梁7与梁10接触，通过锁扣将两梁联接在一起，梁10即可y，向运动。新方案结构简单，在精度、工作效率不受影响的前提下大大降低了生产成本。8.3.2开发设计开发设计就是在分析原有产品基础上，抓住功能的本质，从原理方案开始进行创新设计。8.3.2开发设计例8-2计时装置的反求设计1)原装置分析取机械表为反求对象，以各零件作为分功能载体，求其解法原理和分功能并分析系统的总功能。8.3.2开发设计例8-2计时装置的反求设计2)二次设计(1)以显示时间作为总功能求解其他计时装置方案。搜索各分功能的不同解法、列出形态学矩阵。8.3.2开发设计例8-2计时装置的反求设计方案一:指针式石英电子表微型电池(化学能一电能)-石英晶体振荡器(电磁摆)-轮系-指针刻度-旋钮8.3.2开发设计例8-2计时装置的反求设计方案二：液晶式石英电子钟电能-石英晶体振荡器(电磁摆)-驱动电路-液晶数字显示-按钮8.3.2开发设计例8-2计时装置的反求设计2)二次设计(2)进一步创新设计计时装置的功能是显示时间，抓住其功能本质可进一步开发创新产品。电波表由国家标准实验室原子钟(精度百万分之一秒)发出时间无线电波信号，经广播电台播出。计时装置只需接受时间信号并显示信号，按此思路设计的电波表结构简单，计时精度高，欧洲早有使用，我国也成功用于北京中华世纪坛计时装置。8.3.2开发设计例8-3体外冲击波碎石机1)体外碎石机的分析70年代末、80年代初联邦德国科学家首先开发出体外碎石机，患者躺在特制的温水槽中，经约一分钟放电，体内结石即可击碎。(1)电力液压效应(水闪电)：两个电极在水里进行高压放电时，电极附近会产生巨大压力，能将坚硬的宝石击碎。(2)椭球焦点效应：椭球一个焦点发出的波，经椭球面的反射，必在另一焦点汇集。8.3.2开发设计例8-3体外冲击波碎石机2)新型体外碎石机的开发根据原有的体外碎石机可分析其功能，而其中关键功能为产生冲击波、聚波、测位(确定结石部位)三项：8.3.2开发设计例8-3体外冲击波碎石机2)新型体外碎石机的开发北京某厂在分析原机的基础上开发出ESWL-III/ZM型体外冲击波碎石机，冲击波的产半及聚波原理与德国产品相同，但提高了性能，可发出质量较高的冲击波形，其关键技术采用B超与X射线双重定位测位技术。8.3.2开发设计例8-3体外冲击波碎石机2)新型体外碎石机的开发法国开发的新型碎石机击石振动源改为超声波发生器，冲击波为超声波，集波方式为抛物面聚焦，也很有特色。8.4计算机辅助反求设计对于实物零件进行参数、形体测量，通过计算机根据测量数据重构出实物的CAD模型。对于影像资料，则可利用摄像机将照片中的图像信息输入计算机，经过一定处理变换得到立体的图像和尺寸，从而反求出其形体和CAD模型。根据测量数据，通过数控机床加工出立体实物；或输入激光分层实体制造设备，利用堆积成型的原