第8章-反求设计与创新

第八章反求设计与创新反求设计是以先进技术或产品的实物、软件（图纸、程序、技术文件等）、影像（照片、广告等）作为研究对象，应用现代设计理论方法学、生产工程学、材料学等有关专业知识进行系统深入的分析与探索，并掌握其关键技术，进而开发出先进产品。运用反求技术，可以缩短新产品开发的时间，提高新产品开发的成功率，是创新设计的一种有效方法。反求设计与创新8.1概述8.2反求设计的内容与过程8.1.1反求问题的提出实际上，任何新产品的问世都蕴含着对已有科学、技术的继承和借鉴。反求思维的方法在工程上的应用已经源远流长。只是作为反求设计或反求工程的术语提出来，以及作为一门学问进行专门研究，则是出现于20世纪中期。当时日本作为第二次世界大战的战败国，战后，急于恢复与发展。他们提出的口号是：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”。三洋电机开发洗衣机的过程就是一个很好的实例。1952年夏，三洋电机当时的社长井植岁男看到了洗衣机市场存在巨大的潜力，决定开始研制洗衣机。他们购买了各种不同品牌的洗衣机，并将其送至干部的家中，公司也放满了各式各样的洗衣机。公司让员工们反复研究琢磨、试验、比较和分析，充分总结和剖析各类洗衣机的优缺点、安全性能、方便程度以及价格水平等，找出了一种比较满意的方案，试制了一台样机。正准备投入市场时，他们又发现了英国胡佛公司最新推出的涡轮喷流式洗衣机。这种涡轮喷流式洗衣机的性能比原先的搅拌式洗衣机有了很大的提高。三洋公司的管理者深深懂得，后开发的产品，如果在性能上没有明显优于已经上市的同类产品，那么你不仅应当预计到在今后的竞争中必然遭受失败的后果，甚至一开始就应当考虑是否投产的问题。于是三洋公司果断地放弃了已投入几千万元研制出的即将成批生产的洗衣机，开始对胡佛公司的涡轮喷流式洗衣机进行全面解剖和改进。于1953年春研制出日本第一台喷流式洗衣机。这种性能优异、价格只及传统搅拌式洗衣机一半的新产品，一上市便引起轰动，不仅带来巨大的经济效益，而且使三洋公司在洗衣机行业站稳了脚跟。为实现国产化的改进，并最终占领国际市场，就迫切需要对别国的产品进行消化、吸收、改进和挖潜，这也就形成了反求设计或反求工程的发展机制。成功地运用反求工程，使日本节约了65％的研究时间和90％的研究经费。到上世纪70年代，日本的工业已经达到欧美发达国家水平。因为研究和应用反求设计或反求工程可以有效回避研究开发探索的风险，实现在高起点去创新产品，因此重视和研究反求工程的国家很多。中国作为一个发展中的国家，科技水平相对落后，投入大量资金去研究工业发达国家已经推向市场的产品是完全没有必要的。这不仅是资金浪费的问题，也会拖延发展经济的时间或机会。因此深入研究反求设计或反求工程，在不断引进新产品或新技术的基础上开发自己的新产品，最终推向国际市场是很有必要的。8.1.2反求设计的含义人们通常所指的设计是正设计，是由未知到已知和由想象到现实的过程。当然这一过程也需要运用类比、移植等创新技法，但产品的概念是新颖的，是独创的。反求设计则不然，虽然为反设计，但绝不是正设计的简单逆过程。因为针对的是别人已知和现实的产品，而不是自己的，所以也不是全知的。是一个虽然知其然，但不知其所以然的问题。因为一个先进成熟的产品凝聚着原创者长时间的思考与实践、研究与探索，要理解、吃透原创者的技术与思想，在某种程度上比自己创造难度还要大。因此反求设计绝不是简单仿造的意思，是需要进行专门分析与研究的问题。其含义可用图8－1所示框图描述。8.1.3反求设计的研究对象从工程技术角度分析，反求设计的研究对象一般分为三类。它们分别是实物反求、软件反求和图片反求。反求对象应该是比较先进的技术或产品；也可能是自然界的产物，例如反求人体结构进行再植手术等。1．实物反求实物反求是指在已有产品实物的条件下，通过试验、测绘、分析，确定其关键技术，再创造出新产品的过程。反求的产品实物可以是整机、部件或零件。反求的内容包括产品的功能、原理方案、结构性能、材料、精度等。2．软件反求在软件反求过程中，产品样本、技术文件、设计说明书、使用说明书、设计图纸以及有关规范和标准等均为软件。反求工作的内容主要有，深刻理解图样与技术要求；选择合适的材料、工艺过程与热处理方法；试制样机并进行性能测试；最后创新出新产品。3．影像反求在影像反求过程中，产品的图片、照片、广告介绍，以及参观印象或影视画面等均属于影像。这是反求对象中信息量最少、难度最大，但也最富有创新性的反求设计。反求工作主要是依据影像提供的产品外形、尺寸、比例，运用透视变换与投影以及各种专业知识进行琢磨、分析、领会其功能、性能、结构特点等，然后进行从原理方案、构型综合、直到完成产品的创新。8.2反求设计的内容与过程8.2.1反求设计的主要内容1．设计思想的反求反求设计的最重要内容是探求设计者的设计思想。设计思想是设计者的灵魂，设计者会挖掘个人的所有知识与经验用来开发新产品，是设计者本人或设计小组全体成员智慧的结晶。设计思想主要应包括设计产品开发的必要性与适应性，产品是在何种条件下产生的，为什么要研制开发这种产品；产品造型的特殊性，这种造型会产生何种效应与影响，是单纯为操作者提供方便，还是具有某种特殊功能；产品的结构特点，有些什么与众不同的特点，进而分析这些特殊结构的特殊原因，以及会造成的结果等。设计思想的反求是贯穿反求全过程的工作，在反求设计中的每一步骤都不要忘记揣摩设计者的意图。例如，为降低产品成本，以及方便使用与携带，产品的小型化则成为设计者的指导思想；为满足不同用户要求各异的特点，推出衍生性产品也成为设计者的指导思想。如日本索尼公司创造的随身听系列产品，在不改变主要技术原理和产品元件的条件下，只是通过改变局部辅助功能，而推出儿童用的小巧型、运动使用的防振型、海滩娱乐使用的防水型等。从20世纪80年代初到90年代初，索尼公司仅在美国市场就推出了572种随身听产品。2．功能原理的反求功能原理的反求也是一个分析过程。对于一个已知产品，其总功能是已知的，但深入分析其组成结构时，会发现产品的各组成部分的分功能，乃至功能元并非全了解，因此很有必要首先分析组成产品各部分存在的意义。其次应深入分析实现这一功能的工作原理，是简单的机械效应，或是气动与液压的效应，还是电磁等效应；是采用了分割，还是合并原理等。掌握了功能原理，就可以变被动为主动，开发出实现同样功能的不同原理解，也就实现了从反求到创新的过程。3．结构形状与尺寸参数的反求结构形状与尺寸参数的反求既是一个分析过程，也是一个实际测绘过程。反求活动中包含有实物测量、数据处理、误差分析等内容。对于实物反求，可以比较容易的获得产品某部分的实际结构形状，这将有利于反求工作的进行。一般情况，零件形状可以划分为规则的（如平面、圆柱、圆孔、凸台、导轨等），以及不规则的形状（如凸轮、叶轮、自由曲面等）。根据形状的复杂程度，可以采用不同的测量手段、获取数据的方法，以及误差的分析方法。对于不规则形状零件的反求，首先要建立零件的测量坐标系。测量时测点的位置在均匀分布的基础上，再按曲率特性补充测点，使测量路径既容易形成，又考虑到加工难度随曲率变化的规律。目前用于工业测量的方法有坐标测量仪、激光测量仪、工业CT、逐层切削照相测量等。若采用测量机或激光扫描等采样设备时，还要注意测头的方位。数据的处理主要是指对不同测量方法所获得的结果进行整理，检查。剔除废点数据，增加必要的补偿点，对测量数据进行平滑处理以消除噪声信号及其他干扰因素造成的抖动。然后对数据采用一定的方法进行拟合，并生成光滑的曲线输出。或产生NC轨迹，直接加工。误差分析是指对反求所获得的尺寸与参数和原始零件的尺寸与参数之间存在的误差进行分析。这些误差包括测量误差、数据整理时造成的计算误差、原始零件在制造过程中产生的不可避免的制造误差、原始零件在使用过程中的磨损或破损误差。为了提高反求精度，可采取各种措施，如提高测量精度、提高拟合计算精度等。图8－2所示为一健身器的反求设计。图（a）是健身器扫描数据点晕，图（b）为重构曲面线框图，图（c）为重构曲面光照图，图（d）为重构曲面NC加工轨迹。有时无法获得产品某一部分，而且是关键部分的真实面目，若强行破坏会造成经济损失，这时就可以采用工业CT与分析相结合的手段。工业CT成本较高，精度较低，但不损伤实物。有了CT的大概图像，再从原理角度详细分析可能的结构形状。或者可以根据遮盖物的外形分析内部看不见的物体可能的结构形式，再构造其结构形状。对于规则形状零件的反求，首先要选择测量基准。一般可选择零件的底面、端面、中心线、轴线或对称面为测量基准。在测量时，一般取不同的角度或方位多次测量同一尺寸，然后取其平均值。对于规则形状零件的尺寸也可根据概率统计原理（即零件尺寸的制造误差与测量误差的概率分布服从正态分布规律，尺寸误差位于公差中值的概率最大）来确定。对于一些重要的配合尺寸，首先应判别是基孔制还是基轴制配合。基孔制配合的孔的上偏差为正值，下偏差为零；而基轴制配合的轴的上偏差为零，下偏差为负值。对影像、图片的反求，只能根据透视原理、色彩、参照物对比等效果所获得的信息，再通过功能原理的分析进行推理，构造产品的结构形状。例如，根据国外某杂志介绍的省力矩扳手的圆盘外形，以及输入输出同轴特点进行分析，认为可能是采用行星齿轮传动，以大减速比实现增矩的效果。按此设想进行设计，果然效果很好。4．材料的反求材料的反求包括材料成分的反求、材料组织结构的反求、材料的力学性能反求以及材料的工艺反求。材料的成分是指材料的化学成分。金属材料常用的最简单反求方法有火花鉴别和音质鉴别。前者是将材料与砂轮磨削后产生的火花形状鉴别材料的成分，后者是根据敲击材料的声音频率判断材料的成分。比较准确的材料成分反求有原子发射光谱分析法、微探针分析法等，以及对非金属材料反求采用的红外光谱分析法。材料的组织结构是指材料的化学成分及结构组织情况，可用显微镜观察，然后通过计算机描述。材料的工艺反求是指材料的成形方法，包括铸造、锻压、挤压、烧结、各种机加工以及各种热处理等。材料的力学性能反求可以通过各种测试仪器，如应力应变仪、硬度计等进行测量，通过对材料各种力学性能的测试还可以反求出材料的热处理方法，以及材料的主要成分。通过对材料一系列性能的反求，可以反求出原始的材料，或反求出原始材料的相关力学特性，这些将成为反求设计选择材料或代用材料的依据。5．关键技术的反求关键技术是指那些能够实现同类产品难以达到的技术水平、模仿难度较大，且具有一定竞争力的技术。关键技术是反求设计的重点，也是难点。关键技术包括关键功能、关键原理、关键结构和关键材料。在乳状物料包装机的反求设计中，发现在物料输送机构的侧面并联了一个气泵机构，经过分析与多次试验确定了该气泵的功能是断料。虽然物料的输送量有计量机构专门控制，但物料的流动性与黏聚性在一定程度上影响了包装的质量。有了这样一个断料的功能大大提高了物料分装的准确性。在分析研制筛分垃圾的振动筛的工作原理与结构时，发现其筛箱被分成上下两部分，并且两部分之间安装有槽钢，槽钢与上下筛箱之间安装若干橡胶块（橡胶块数量可调）；上下筛箱又被若干个小钢板固联在一起，而被分割的每块筛网两端分别被联接在筛箱与槽钢上。经研究认为它是运用了双质体振动原理，加强了筛网的抖动，其用心完全在于防止具有黏湿性的垃圾粘在筛网上而影响筛分效率。这样一些关键的原理与结构使其不仅筛分效率提高，而且寿命也大大提高。见图8－4。在一些产品中采用了关键的材料，使其形成关键的技术。例如压电纤维这种材料具有将振动、压力、弯曲变形能转化为电流的功能。若将压电纤维材料用于网球拍中，便可减少击球后球拍柄上产生的振动，从而减少了对运动员手臂的压力。若将其用在滑雪板上，可以让滑雪板边缘紧贴雪地，从而减少振动。如图8-5所示。8.2.2反求设计的主要过程1．实物（整机）反求实物反求形象直观，可面对产品进行分析、测试、运行，以获得详细的设计资料。同时还具有参照性、可比性，有利于改进产品，开发新产品。其反求过程如下所