4反求工程与创新设计

14反求工程与创新设计4．1反求工程4．1．1反求工程的概念反求工程（ReverseEngineering）这一术语起源于60年代，但对它从工程的广泛性去研究，从反求的科学性进行深化还是从90年代初刚刚开始。反求工程类似于反向推理，属于逆向思维体系。它以社会方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品进行解剖、分析、重构和再创造，在工程设计领域，它具有独特的内涵，可以说它是对设计的设计。反求工程技术是测量技术，数据处理技术，图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术。随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术是逐渐成熟，近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用，因为在产品开发过程中需要以实物（样件）作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术，所以在汽车、摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计，家电产品外形设计，艺术品复制中对反求工程技术的应用需求尤为迫切。所谓反求工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔数据，输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件进行处理和三维重构，在计算机上复现实物样件的几何形状，并在此基础上进行原样复制、修改或重设计，该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。4．1．2反求工程的研究内容反求工程技术的研究对象多种多样，所包含的内容也比较多，主要可以分为以下三大类：①实物类：主要是指先进产品设备的实物本身；②软件类：包括先进产品设备的图样、程序、技术文件等；③影像类；包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料。反求工程包含对产品的研究与发展、生产制造过程、管理和市场组成的完整系统的分析和研究。主要包括以下几个方面：1.探索原产品设计的指导思想掌握原产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提。如微型汽车的消费群体是普通百姓，其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下，尽可能降低成本，所以结构上通常是较简化的。2.探索原产品原理方案的设计各种产品都是按定的使用要求设计的，而满2足同样要求的产品，可能有多种不同的形式，所以产品的功能目标是产品设计的核心问题。产品的功能概括而论是能量、物料信号的转换。例如，一般动力机构的功能通常是能量转换，工作机通常是物料转换，仪器仪表通常是信号转换。不同的功能目标，可引出不同的原理方案。设计一个夹紧装置时，把功能目标定在机械手段上，则可能设计出斜楔夹紧、螺旋夹紧、偏心夹紧、定心夹紧、联动夹紧等原理方案；如把功能目标确定扩大，则可设计出液动、气动、电磁夹紧等原理方案。探索原产品原理方案的设计，可以了解功能目标的确定原则，这对产品的改进设计有极大帮助。3.研究产品的结构设计产品中零部件的具体结构是实现产品功能目标是保证，对产品的性能、工作能力、经济性、寿命和可靠性有着密切关系。4.确定产品的零部件形体尺寸分解产品实物，由外至内、由部件至零件，通过测绘与计算确定零部件形体尺寸，并用图样及技术文件方式表达出来。它是反求设计中工作量很大的一部分工作。为更好地进行形体尺寸的分析与测绘，应总结箱体类、轴类、盘套类、、齿轮、弹簧、曲线曲面及其它特殊形体的测量方法，并合理标注尺寸。5.确定产品中零件的精度确定零件的精度（即公差设计），是反求设计中的难点之一。通过测量，只能得到零件的加工尺寸，而不能获得几何精度的分配。精度是衡量反求对象性能的重要指标，是评价反求设计产品质量的主要技术参数之一。科学合理地进行精度分配，对提高产品的装配精度和力学性能至关重要。6.确定产品中零件的材料通过零件的外观比较、重量测量、力学性能测定、化学分析、光谱分析、金相分析等试验方法，对材料的物理性能、化学成分、热处理等情况进行全面鉴定，在此基础上，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，或参照同类产品的材料牌号，选择满足力学性能及化学性能的国有材料代用。7.确定产品的工作性能针对产品的工作特点机器主要性能进行试验测定、反计算和深入地分析，了解产品的设计准则和设计规范，并提出改进措施。8.确定产品的造型对产品的外形构型、色彩设计等进行分析，从美学原则、顾客需求心里、商品价值等角度进行构型设计和色彩设计。9.确定产品的维护与管理分析产品的维护和管理方式，了解重要零部件及易损零部件，有助于维修及设计的改进和创新。4．1．3反求工程的研究特点1.反求工程的理论于方法基础要进行反求工程分析，必须运用现代设计理论和方法（如系统工程、价值工程、优化工程、工业美学、相似理论等），同时要深入掌握基础理论（数学、力学、材料学、机械、液压、光及电子技术等）与有关专业的理论和知识。此外，还要掌握材料的力学性能、化学成分及产品个中工作性能的测试方法与手段，并运用计算机等先进工具提高计算、测试、数据处理和分析等工作的质量和效率。2.了解有关产品及技术的发展动向为了更好地对先进产品进行反求设计，必须了解有关产品的技术发展动向。如在分析机械传动系统时，要对目前发展较快的各种无级变速器、周转轮系、同步带传动等有所了解；分析汽车时要收集掌握汽车结构、新工艺、新材料等有关信息。此外，了解工程材料的发展动向尤为重要，如金属、非金属及高分子材料将成三足鼎立；陶瓷、塑料、复合材料等新型材料的应用越来越广等。33.深入分析研究，掌握关键技术对研究对象进行全面的反求分析，最重要的掌握其关键技术。关键技术涉及到功能、结构、工艺、材料等方面，掌握关键技术对提高产品的水平将起到决定性作用。4．1．4反求工程的设计程序反求工程的设计过程首先是明确设计任务，然后进行反求分析，在此基础上进行反求设计，最后进行施工设计及试验试制。它与一般产品设计的区别，主要是反求分析和反求设计。1．反求分析反求分析是指对反求对象从功能、原理方案、零部件结构尺寸、材料性能、加工装配工艺等有全面深入的了解，明确其关键功能和关键技术，对设计中的特点和不足之处作出必要的评估。针对反求对象的不同形式——实物、软件或影像，可采用不同的手段和方法。对于实物反求，可利用实测手段获取所需的参数和性能，尤其是掌握各种性能、材料、尺寸的测定及试验方法是非常关键的。对于已有的图样，技术资料文件，产品样本等软件反求，可直接分析了解有关产品的外形、零部件材料、尺寸参数和结构，但工艺、实用性能则必须进行适当的计算和模拟试验。对于已有的照片、图片、影视画面等影像资料反求，需仔细观察、分析和推理，了解其功能原理和结构特点，可用透视法与解析法求出主要尺寸间的相对关系，再用类比法求出几个绝对尺寸，进而推算出其它部分的绝对尺寸；此外，材料的分析必须联系到零件的功能和加工工艺，应通过试验试制才能解决。2．反求设计反求设计是在反求分析的基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计或开发性设计。测绘仿制由于没有创新，一般不能称其为设计。但若不将原设计分析透彻，要完全仿制也并非易事。变参数设计是指在原有产品原理方案及结构方案的基础上，仅改变尺寸和性能参数以满足不同工作需要的设计。适应性设计是指在原有产品原理方案的基础上，改变部分参数、结构或零部件，克服原有产品的缺点或适应新的使用要求的设计。开发性设计针对反求对象的功能，提出新的原理方案，完成从方案设计、技术设计到施工设计的全过程。这是比较彻底的创新设计。创新4．2实物反求设计与4．2．1实物反求设计的特点实物反求设计是以产品实物为依据，对产品的功能原理、设计参数、尺寸、材料、结构、工艺装配、包装使用等进行分析研究，研制开发出与原型产品相同或相似的新产品。这是一个从认识产品到再现产品或创造性开发产品的过程。实物反求设计需要全面分析大量同类产品，以便取长补短，进行综合。在反求过程中，要触类旁通，举一反三，迸发出各种创造性的新的设计思想。根据反求对象的不同，实物反求可分为三种：1.整机反求反求对象是整台机器或设备。如一台发动机、一辆汽车、一架飞机、一台机床、成套设备中的某一设备等。2.部件反求反求对象是组成机器的部件。这类部件是由一组协同工作的零件所组成的独立装配的组合体。如机床的主轴箱、刀架等，发动机的连杆活塞组、机油泵等。反求部件一般是产品中的重点或关键部件，也是各国进行技术控制的4部件。如空调中的压缩机，就是产品的关键部件。我国在大量进口压缩机的同时加紧进行了压缩机的反求设计，目前，许多国产品牌空调机全用上了国产化的压缩机，有些已经打入国际市场。3.零件反求反求对象是组成机器的基本制造单元。如发动机中的曲轴、凸轮轴，机床主轴箱中的轴齿轮等零件。反求的零件一般也是产品中的关键零件。通常，实物反求的对象大多是比较先进的设备与产品，包括国外引进的先进设备与产品及国内的先进设备与产品。相对于其它反求设计法，实物反求设计有一下特点：⑴具有直观、形象的实物，有利于形象思维。⑵可对产品的功能、性能、材料等直接进行试验及分析，以获得详细的设计参数。⑶可对产品的尺寸直接进行测绘，以获得重要的尺寸参数。⑷缩短了设计周期，提高了产品的生产起点与速度。⑸引进的产品就是新产品的检验标准，为新产品开发确定了明确的赶超目标。实物反求虽形象、直观，但引进产品时费用较大，因此要充分调研，确保引进项目的先进性与合理性。4．2．2实物反求设计的一般过程如下图所示为实物反求设计一般流程图。图4.2实物反求设计一般流程图4．2．3实物反求的准备过程1．决策准备（1）广泛收集国内外同类产品的设计、使用、试验、研究和生产技术等方面的资料，通过分析比较，了解同类产品及其主要部件的结构、性能参数、技术水平、生产水平和发展趋势。同时还应对国内企业（或本企业）进行调查，了解生产条件、生产设备、技术水平、工艺水平、管理水平及原有产品等方面的情况，以确定是否具备引进及进行反求设计的条件。（2）进行可行性分析研究，写出可行性研究报告。（3）在可行性分析的基础上进行项目评价工作。其主要内容包括：反求工程设计的项目分析；产品水平；市场预测；技术发展的可能性；经济效益。2．思想和组织准备由于反求工程是复杂、细致、多学科且工作量很大的一项工作，因此需要各5方面人才，并且一定要有周密、全面的安排和部署。3．技术准备主要是收集有关反求对象的资料并加以消化，通常有以下两方面的资料：⑴收集反求对象的原始资料，主要包括：①产品说明书（使用说明书或构造说明书）；②维修手册；③维护手册；④各类产品样本；⑤维修配件目录；⑥产品年鉴；⑦广告；⑧产品性能标签；⑨产品证明书。对于从国外进口的样机、样件，若能得到维修手册，将给测绘带来很大帮助。⑵收集有关分解、测量、制图等方面的方法、资料和标准，主要包括：①机器的分解与装配方法；②零部件尺寸及公差的测量方法；③制图及校核方法；④标准资料；⑤齿轮、花键、弹簧等典型零件的测量方法；⑥、外购件、外协件的说明书及有关资料；⑦与样机相近的同类产品的有关资料。其中，标准资料在测绘过程中是一种十分重要的参考资料，通过它可对各国产品的品种、规格、质量和技术水平有较深入的了解。4．2．4实物的功能分析和性能分析1．实物的功能分析产品的用途或所具有的特定工作能力称为产品的功能。也可以说功能就是产品所具有的转化能量、物料、信号的特性。实物的功能分析通常是将其总功能分成若干简单的功能元，即将产品所需完成的工艺动作过程进行分解，用若干个执行机构来完成分解所得的执行动作，再进行组合，即可获得产品运动方案的多种解。在实物的功能分析过程中，可明确其各部分的作用和设计原理，对原设计有较深入的理解，为实物反求打好坚实基础。2．实物的性能测试在对样机分解前，需对其进行详细的性能测试，通常有运转性能、整机性能、寿命、可靠性等，测试项目可视具体情况而定。一般来说，在进行性能测试时，最好把实际测试与理论计算结合起来，即除进行实际测试外，对关键零部件从理论上进行分析计算，为自行设计积累资料。4．2．5典型机电产品的分解与装配4，2，5，1概述新材料、新技术，新工艺、（新结构）在机电产品上的不断应用，迫使人们必须不断提高自己，努力掌握系统基础理论知识，积极参加技术实践活动，在实践中开阔眼界，开拓