反求工程与现代设计

反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，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，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。1反求工程出现和发展的时代背景二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。日本在60年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计(InverseDesign)或反求工程(InverseEngineering)，这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，反求工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共性特征可概括为4个方面对策：(1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。(2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。(3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。(4)研究和应用反求工程，使能在高的起点去创造新产品。2反求工程的含义反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，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，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。2．1正设计与反设计人们通称的设计，一般均指正设计。它是对一个事物真相事先并不知道，通过设计师的创造性劳动，变为人类需求的喜爱的产品。为此，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。概括地说，正设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，其示意图如图1。图1正设计过程示意图反设计是从已知事物的有关信息(包括硬件、软件、照片、广告、情报等)去寻求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。反求的目标如仅限于仿制，是最原始、低级的模仿，其质量和生命周期不会有竞争力，更严重的是侵权行为，要受产权保护制裁。图2为反设计过程示意图。如果说正设计的关键要解答“怎么做?”，即设计任务提出后，怎样实现和达到预定目标，那么反求的关键要解答“为什么要这样做?”，即已知目标后，要探索和掌握这种目标的设计者是如何一步一步实现的，反求别人脑袋里是怎样想、怎样做的，要摸清设计意图、所用技术、关键和设计理论与方法。从这个意义上说，正设计是主动的创造，而反求是先被动后主动的创造，别有一番难度。故反求并非正设计的简单逆过程，因为一个先进成熟的产品，凝集着设计者的智慧和技术，要去吃透、消化，包含很多复杂内容。往往吃透别人的技术比自己创造还难，这是因为：(1)先进产品中总有“绝招”、“诀窍”和关键技术，我们并不掌握；(2)别人的思维不会告诉你，要想“钻进别人脑袋里去挖出来”，要花艰苦劳动。多年来我国测绘仿制的产品，大多数达不到原产品的水平，涉及原因、内容和技术是多方面的，正说明发展反求工程的研究和应用是多么重要。图2反设计过程示意图正设计和反设计既有区别又相辅相成，具有丰富正设计经验和水平的人，可以显著提高反求水平；反设计的成功经验可以促进正设计的水平。但缺乏正设计经验者，反设计中也不能充分消化吸收。作为一个国家来说，吃透别人的技术仅仅是第一步，在此基础上结合国情进行再创造，变成有自主权和竞争力的新产品，才是反求工程的完整意义和目的。2．2反求工程与知识产权任何一项新技术、新产品，应该受到有关保护法(如专利法、知识产权法、商标法等)的法律保护，这是国际性的共同行为规范，这才能引导正常的市场竞争和贸易。反求工程绝不等于偷技术，它是在科技道德和法律制约下，从学术、工程、技术方面来促进科技的发展。这是因为：(1)任何产品的设计、开发，总要借鉴、继承已有的知识和技术，市场上的产品总要被别人借鉴，关键要划清产权的界限。(2)青出于蓝而胜于蓝是发展规律，通过反求来发展新产品，起点高，周期短，成效快，决非照抄照搬。(3)科学的反求，有助于促进技术革新，扩大眼界，有助于尽快培养新人。但应该强调，作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独立的创造性永远是主旋律或主题。3反求对象的类别从工程技术角度看，反求对象可概括为实物反求、软件反求和影像反求三类。3．1实物反求顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和详细分折，提出再创造的关键。其中包括功能反求、性能反求、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。实物反求对象可以是整机、部件组件和零件。作者经历过多种产品的反求，以下几点可供借鉴。3.1.1试验方案和试验方法实物反求，首先要在未解体前进行功能、性能等全面试验考核，测试其各项功能和性能指标。为此，应解决以下几项内容：(1)根据样本、使用说明书，摸清有哪些功能指标；(2)为要进行试验，制定试验条件和试验规范；(3)选择和完善试验台及相应测试仪表及精度；(4)对试验结果的科学处理，其中有静态数据和动态数据；(5)试验中出现故障现象的记录，为进一步分析提供依据。总之，通过试验，要客观捕捉和反映原机的真实面貌，总结其优点和不足。对有些样机，不仅要作台架试验，必要时还要作野外行走试验。3．1．2测绘中的几项关键(1)尺寸、精度问题。一般样机都要经出厂磨合试验和性能试验，这样，其尺寸、形状、表面等精度会有变化，要反求其公差和表面精度；(2)曲线和曲面拟合问题。有些零件或组件，尽管可测出其特征点，但难以勾画出其形状(例如三维曲面)，这就要用三坐标测量和CAD中曲面造型等技术去解决(见下面软件反求)；(3)无损检测问题。对样机的零件测绘不允许有损伤，要能恢复原状。例如：有些零件表面有耐磨、耐蚀或美观性等很薄涂层；材质成分和硬度；内表面难以测量的尺寸和形状等等，就必须用无损检测，一般可用激光技术、材料转移的光谱技术、三维全息照相显示技术等等。(4)测绘后对关键问题的分析和反设计问题。测绘完后要完整变成图纸，需各种标注和根据对零件工作特性提出技术要求；特殊的形状曲线［2］(例如高次方凸轮轮廓、各种过渡曲线等)应通过优化设计反求其科学依据；箱体等结构复杂件应采用有限元法去反求其强度和刚度等。测绘后的反求是试验反求后的进一步深化，能否消化、摸底，提出改进挖潜和再创造的途径，是这阶段的关键，有众多内容要做，而且不同对象尚有其特殊个性，这里仅列出机械产品中的一些问题。3.2软件反求产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件反求中有三类情况：一是既有实物，又有全套技术软件；二是有实物而无技术软件；三是无实物，仅有全套或部分技术软件。每类反求各有特点和难点，这里仅就以下问题作介绍。3．2.1利用CAD技术对复杂曲面的反求有很多复杂曲线、曲面，可以测出其特征点，但很难靠人工绘图方法，去拟合和拼接出原来的曲面，例如液力变矩器、涡轮增压器的三维曲面，汽车车身外形曲面等等。现代科技的发展，有条件去精确测量和反求。(1)利用三坐标测量仪与CAD软件进行反求三坐标测量仪在设定基准下可以测出所需要的全部三维点坐标，是表面数字化过程，如何利用这些数值信息构成曲面，需利用CAD软件中曲面重构处理。目前商品化CAD软件中，已有为反求工程的应用模块，例如Pro／Engineering、Unigraph、Cimatron等，将测量数据按其格式输入后，即可生成各种曲面，山东工程学院汽车工程系亦已研制成这类软件，并在汽车外形设计和反求中应用。但三维曲面的光顺问题还未妥善解决，一般按人为方法去处理，但还有一定误差。其运行示意过程如图3。图3三坐标测量仪与CAD结合示意图进一步发展，是将CAD所得信息与CAM连接，直接利用计算机辅助制造加工出产品。(2)利用特殊材料对反求样品进行复制利用环氧树脂类材料熔化后涂在样件表面，冷却后即变成样件制造的阴模，直接生成样件，不经过表面数字化过程。但这仅仅是复制，未进行技术性的反求。3.3影像反求既无实物，又无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从中去构思、想象来反求，称影像反求，这是反求对象中难度最大的。影像反求本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。4现代设计理论和方法促进反求工程的发展和深化现代设计理论和方法包括通用的(不针对具体工程专业)和专用的(针对工程专业)的两大范畴。科技发展日新月异，如果说早期的反求活动偏于模仿性、经验性、粗略近似的技术活动，用传统的、常规的方法基本可以胜任，那么对现代产品中高新技术和复杂多样的技术就无能为力。例如用断裂力学设计的产品，使用中出现裂纹是正常的，要想用经典力学去反求是无法解释的；高次方组合曲线或曲面的零件断面，不掌握优化技术就难以消化；引进产品某些零件寿命可精确地给出多少小时多少分，如不掌握疲劳和可靠性设计方法就会是个谜，等等。反求工程包含的内容和知识面很广，不同专业产品又有不同领域。诸如原理、方案、功能、性能、参数、材质、结构、表面状况、精度和公差、工艺过程、油品、试验和检测、使用规范、维修、运输、可靠性、经济性、贮存等等都要寻究“为什么”的答案，要找出其先进科学的和落后不足的细节。引进产品不一定都先进，盲目吸收掩盖了落后，不适合国情是虚假的先进，最后都要吃大亏，都不是真正的反求的目标。反求过程中，如何用现代设计理论、方法和技术去寻求符合国情的适用技术，是提高国产化零件质量的核心问题。寻找适用技术就是再创造，一旦突破，成效显著，有时可使产品上水平、上档次。顺便指出，开展反求工程的研究和应用，有助于人才培养。人们需要通过学习、创造、发明去发现新事物，而反求本身既是学习又可尽快掌握高新技术，缩小差距。发达国家重视反求，正在发展中国家更要重视和掌握这种艺术和技术。要完成一项反求任务，进而再创造，需学习和掌握众多知识和经验，促使人们不断去探讨“为什么这样做”，进而深化提高到“应该怎样做”。特别是中外合资和技术引进后的国产化，有大量反求工作。国产化就要创新，反求本质就是再创造，没有相应技术的人才就很难胜任。5应用展望反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。尽管国内外已有大量成功经验，但目前还很少有这方面系统的论著，大多散见在各个行业的案例或设计资料中，很多企业也不愿将其反求技术公开。应该看到，反求工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新技术层出不穷，解密技术亦要相应发展。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、工业设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知识；等等。总之，现行产品中的各种复杂、高新技术，在反求工程中都会遇到如何消化吸收问题。