第七章 反求工程概述

第七章反求工程概述与创新设计7.1反求工程概述7.2硬件反求设计与创新7.3软件反求设计与创新7.4影像反求设计7.5计算机辅助反求设计7.1反求工程概述反求工程的大概流程图程7.1.1反求设计反求工程首先是要进行反求分析，反求设计与传统的产品正向设计方法不同，他根据已存在的产品或零件来构造产品的工程设计模型或概念模型，在此基础上对已有产品进行剖解、深化和再创造，是对已有设计的再设计。传统的产品开发过程遵从从正向设计的思维，首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新方案，经过一系列的设计活动，变为产品。其示意过程：市场需求分析工程师一系列的创造性的设计活动设计成果反求设计是从已知事物的有关信息去寻求这些信息的科学性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等，要回溯这些信息的科学依据，既充分消化吸收，而更重要的本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。下面为反求设计流程：已知一个确定的事一系列消化、吸收、再创造活动设计成果7.1.2反求设计过程反求设计分为两个阶段：反求分析阶段和反求设计阶段。反求分析阶段：通过对原产品的功能、原理方案、零部件结构尺寸、材料性能、加工装配工艺性进行全面深入的了解，明确其关键功能和关键技术，对设计特点和不足之处作出必要的评估。反求设计阶段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。反求分析的内容:一、面向对象整体的宏观分析，二、面向对象组成部分个体系统的详细分析。1.宏观分析一电子产品为例，从概念上分析，机电产品分析可概括为：（1）能量分析、（2）物料分析、（3）信息分析、（4）环境分析2.详细分析1）反求设计思想了解产品设计的指导思想是分析产品设计的重要前提，是明确反求设计要求的关键。2）原理方案分析产品是针对功能要求进行设计，功能的实现依赖于原理方案的保证。3）结构分析产品中零、部件的具体结构是产品功能目标的保证，对产品的特性、成本、寿命、可靠性有着极大的影响。4）材料分析5）形状尺寸分析6）外观造型分析产品外观造型是产品的视觉语言，最能突出产品的个性，在商品竞争中骑着重要的作用。7）工艺和精度分析许多设备之所以先进关键是工艺先进。8）工作性分析9）其他，包括使用、维护、包装技术等。7.1.3反求设计的分类主要分为以下三大类：实物类、软件类、影像类。反求设计实例：实物类，如我们的大一时的单级减速箱测绘课程设计，就是对事物进行测量设计。软件类，如腾讯的CF网络游戏，是反求设计CS单机游戏而开发的。影像类.7.2硬件反求设计与创新反求设计的研究为引进的比较先进的设备或产品实物，其目的是通过对产品的设计原理、结构、材料、工艺装配等进行分析研究、研制开发与被分析产品功能、结构等方面类似的产品。硬件反求可分为对整个设备的反求，对组成机器部件的反求，和对机器零件的反求共三个部分。硬件反求设计的一般过程如下图所示硬件反求设计法具有如下特点。(1)具有直观、形象的实物。(2)对产品功能、性能、材料等均可进行直接试验分析，求得详细的设计参数。(3)对机器设备能进行直接测绘，以求得尺寸参数。(4)仿制产品起点高，设计周期可大大缩短。(5)引进的样品即为所设计产品的检验标准。硬件反求又可分为以下4种。(1)整机的反求。(2)关键零、部件的反求。(3)机械零件材料的反求。7.2.1设备实物反求（以转盘式滚压成型机为例）1、原设备分析没有实物，凭考察印象，结合自己的专业知识，去分析、琢磨其功能及内部可能的结构进行反求设计。2、功能分析功能分析的实质就是将反求对象的结构系统转化为功能系统。本案例的功能分析过称为：结构组成及工作原理分析、功能定义和功能整理。1）结构组成及工作原理分析反求对象的工作原理及i结构组成分析是功能分析的基础，工作原理示意图是功能分析的重要工具。转盘式滚压成形机的工作原理示意图经实地参观考察，凭借设备外形特征及有关的专业知识，画出转盘式滚压成型机的工作原理示意图。主轴电机14无级变速装置15和锥形摩擦离合器16使主轴13转动，电动机1带传动装置2和蜗杆蜗轮机构3使立轴5旋转，立轴通过齿轮传动4带动空套在心轴上的圆柱凸轮6转动，圆柱凸轮机构可驱使主轴13作升降运动。立轴上的槽轮机构7使回转工作台8作间歇转动。滚压头电动机11经过三角皮带无级变速装置10带动滚压头9旋转。序号零部件名称功能1电机提供工作台旋转和主轴升降的动力2带传动运动转换(有级变速)3蜗轮蜗杆运动转换(变速、变向)4齿轮传动运动转换5立轴支撑轴上零件6圆柱凸轮主轴升降7槽轮机构运动转换8回转工作台装料9滚压头泥料成形10带传动运动转换(无级变速)11滚压头电机提供成形的动力12模座泥料成形13主轴支撑模座14主轴电机提供成形的动力15带传动运动转换(无级变速)16锥形摩擦离合器运动转换17机架提供支承主要零部件的功能转盘式滚压成型机的功能系统图3.功能管理功能整理就是在对产品及其主要零部件进行功能定义的基础上，按照各功能之间“目的—手段”的关系，将产品的实物结构系统转换为功能结构系统，其结果用功能系统图（功能树）来表达。原设备机械传动装置较为复杂，如工作台旋转和立轴的升降由电机1带动，整机显得较为笨重，功耗较大。主轴的升降距离不能调节，使加工品种范围小。工作台的回转时间不能调节，空转时间长，生产率低。4.原设备分析5.二次设计根据对原转盘式滚压成形机的分析得出；首先要找出不令人满意的子功能解，进行二次设计。二次设计后转盘式滚压成形机原设备与二次设计后的主要区别在于工作台转动和主轴上下运动的控制方面，省去了原成型机中的三角皮带有级变速装置，蜗杆蜗轮传动装置，槽轮机构和圆柱凸轮机构，而只增加了一只步进电机、一对齿轮传动和螺旋传动装置。二次设计后转盘式滚压成型机采用多机驱动，简化传动系统，减小了整机的尺寸，降低了制造成本，特别是采用单片机控制子功能时，控制回转工作台转动的时间，缩短空转的时间，有利于提高坯体的质量和劳动生产率。7.2.2关键部件反求反求设计是以先进的产品或技术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。反求设计的指导思想为：合理选型，结构先进，主要性能指标达到或超过国外同类先进产品的水平。如反求的主要内容是全封闭制冷机的压缩机构。1.往复式压缩机类型反求分析反求对象为电冰箱的心脏部分。目前，常用往复式压缩机的主要类型有曲柄滑管式、曲柄连杆式。（1）曲柄连杆式：活塞的运动通过曲柄连杆传动。（2）曲轴连杆式：活塞的运动有曲轴、连杆传动，这种机构使各部分，因此使用寿命长，适应于各种功率的压缩机组。（3）曲柄滑管式：曲柄轴拨动“丁”字形活塞体横管中的滑块作弹性结合传动。由于这种结构无连杆装置，故加工装配比较简单，适合大批生产。由上表可知，经分析、比较三者的优点确定选型为曲柄连杆式，它具有结构简单、零件少、噪声小、寿命长、能效比较高等特点。滑管式、连杆式压缩机性能比较类型滑管式连杆式结构分类曲柄滑管式曲轴连杆式曲柄连杆式结构滑动副/个211转动副/个234零件数量较多较多稍少精度要求低要求较高要求低设备数量多多稍少精度低较高略低2、零件设计材料的匹配：活塞（铁基粉末冶金）与缸体（耐磨铸铁）、连杆（铁基粉冶金），按它们的材质成分、硬度等参数分组，以组合排列方式分组分别进行磨损试验，从中选取最佳的材料匹配组合。7.2.3机械零件尺寸精度反求设计反求尺寸不等于原设计尺寸，需要从反求尺寸推论出原设计尺寸。假定所测的零件尺寸均为合格的尺寸，反求值一定是零件图纸上规定的公差范围内的某一数值是事先未知的，反求值应在图纸上规定的最大极限尺寸和最小极限尺寸之间。机械零(部)件尺寸精度应从其所包含的基本尺寸、配合基准制、配合尺寸的极限偏差(公差)、表面粗糙度和形位公差5个方面的内容进行反求。1.基本尺寸的反求实测尺寸是反求基本尺寸和尺寸公差的主要依据。对于基本尺寸来说，设计时一般将其取为标准尺寸或整数尺寸，可取最靠近实测尺寸的标准尺寸或整数尺寸作为基本尺寸。测量圆整法基本尺寸/mm与相邻整数差的绝对值基本尺寸应否含小数值1～80＞80~250＞250~500≥0.2≥0.3≥0.4应含有小数应含有小数应含有小数表7-3基本尺寸的定位表3.配合尺寸中公差的反求2.配合基准制的判别若反求尺寸是配合尺寸时，那么判别配合是基孔制还是基轴制是必要的。1）基孔制的判断判断方法：2）基孔制的判断配合尺寸中的公差反求是一个难点，判断的主要依据是使用要求，应该根据工作条件要求的松紧程度来选择适当的配合，其方法如下1）基准件极限偏差的反求若孔的实测尺寸更接近于基本尺寸且比基本尺寸大，则说明孔的上偏差为正值，下偏差为零，定为基孔制。若轴的实测尺寸更接近于基本尺寸且比基本尺寸小，则说明轴的上偏差为零，下偏差为负值，定为基轴制。7.2硬件反求设计与创新按概率统计实践，将实测尺寸定为公差带的中值，又有基准孔的下偏差为零（基准轴的上偏差为零），故事册尺寸与基本尺寸差值的绝对值就是尺寸公差的一半，及基准孔为Tn/2(基准轴为Ts/2).此时的尺寸公差就是基准孔，基准轴的下偏差，如右图。2)非基准件极限偏差的反求首先按工艺等价的原则和配合性质确定非基准件。然后将非基准件实测尺寸定为公差带的中值，则其最大极限尺寸为实测尺寸为实测尺寸加上公差一半，最小极限尺寸为实测尺寸减去公差的一半；相应的上偏差为最大极限尺寸减去基本尺寸，下偏差为最小极限尺寸减去基本尺寸。4.表面粗糙度度的确定5.形位公差的确定确定被测要素的形位公差项目，再对可能标注形位公差项目的要素进行实测，得到相应的形位误差值，以此为参数，并按照下列关系来确定其形位公共差值。1）同一要素上的形位公差2）有配合要求要求的形状公差和尺寸公差的关系7.3软件反求设计与创新软件反求设计的特点是软件反求设计的抽象性，引进的软件不是实物，可见性差，不如实物形象直观。软件反求是以与产品有关的技术图样、产品样本、专利文献、映视图片、设计说明书等技术文件为依据进行新产品设计的过程。1.技术资料反求设计的特点1）抽象性2）科学性3）综合性4）创造性2.软件反求设计的常用方法图片资料的反求设计对图片等资料进行分析是最主要的关键技术，主要有透视变换原理与技术、透视投影原理与技术、阴影、色彩与三维信息等技术。7.3.1装配图反求现有的资料为德国某公司的悬挂式减速器的装配图。通过计算机辅助反求设计，采用模块化处理方法和CAD手段，结合我国起重机规范GB3811-1983的齿轮减速器标准，开发出新型的悬挂式减速器系列产品，并实现从设计到绘图的参数化。1.产品设计指导思想由于减速箱为悬挂式，自重轻、单位重量所能传送的扭矩较大等就成为此减速箱的特点。因此在设计中结构紧凑也是反求的主要目标，另外发展系列产品是满足多品种、低成本、短期开发周期，以提高市场竞争能力的有效手段。2.原理方案分析如图右图所示：该减速器的动力源鼠笼三相异步电动机，电动机与制动器、减速器三者直接连接，动力由高速轴输入，通过三级斜齿轮圆柱齿轮传动，其动力由输入轴传递到输出轴，输出轴的大圆盘直接与卷筒连接，而低速齿轮与输出轴之间靠花间套筒连接，传递扭矩。3.结构分析零部件是功能载体，其结构首先要满足功能需要。在分析结构的同时还要考虑提高性能（如强度、刚度）、降低噪声和成本。悬挂式减速器采用斜齿轮传动，就是为了提高重合度和强度，减少振动，使啮合平稳，降低噪声。输入轴齿轮尽量布置在该轴的支承跨距中部，这样可以减少因轴变形引起的齿轮偏载。输入轴从两端伸出，电动机可以灵活地安装在任一端，这种结构极大地方便了现场安装施工。此外，悬挂式减速器与QJ型减速器相比，在结构上有一个很大特点，以3级传动为例，QJ型减速器的4根轴布置在同一水平线上，而悬挂式减速箱的Ⅱ轴下沉，与Ⅰ、Ⅲ轴呈三角形布置，这样就大大地减少了箱体的结构尺寸和重量。该减速器的部分尺寸，其中心距系列a12、a34、a56依次为200mm，280mm，400mm。正好符合GJA标准中心距，齿轮齿数、模数、螺旋角、以及轴主要段的直径等都可以从设计图样