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1、7.1 反求工程概述,7.2 硬件反求设计与创新,7.4 影像反求设计,7.3 软件反求设计与创新,第7章 反求工程与创新设计,7.5 计算机辅助反求设计,7.1 反求工程概述,在当今的信息时代，市场竞争日趋激烈，产品批量变小，技术含量增大，品种增多，产品的生命周期变得越来越短。传统的开发模式已很难适应新的变化需求，建立快速的市场响应技术平台已成为企业在市场竞争中立于不败之地的重要法宝。日本是应用反求工程技术推动本国科技和经济高速发展的典范，当今日本的技术经济称雄世界，究其原因与日本高度重视反求工程技术是分不开的。二次大战后日本经济严重崩溃，为了发展科技振兴经济，战后日本推行了“吸收式”技术发
2、展战略,即在引进先进技术的同时，十分注重反求工程技术的研究和应用。通过对先进的引进技术消化、吸收、改进，生产出技术水平更高、性能质量更好的产品，从而迅速占领国际市场。,7.1 反求工程概述,例1：美国人发明的晶体管技术原来只用于军事领域，日本SONY 公司买到此晶体管专利技术后进行反求工程研究，移植于民用领域，开发出晶体管半导体收音机，占领了国际市场。,日本引进与改进相结合，称为：一号机引进、二号机改进、三号机出口。,反求工程是一种现代快速设计方法，是消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。以先进产品设备的实物、软件(图纸、程序、技术文件等)或影像(图片、照片等)作为研究对象
3、，以现代设计理论、方法为指导，以先进测量技术、曲面重构技术及CAD技术等为基础，应用生产工程学、材料学、设计经验、创新思维和有关专业知识进行系统且深入地分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。,7.1 反求工程概述,7.1.1 反求设计,反求设计是对已知事物进行分析，从而充分消化和吸收，并在此基础上要改进、挖潜再创造的一个过程。,7.1.2 反求设计的过程,反求设计分为两个阶段：反求分析阶段与反求设计阶段。,传统的产品开发正向设计,7.1 反求工程概述,反求分析阶段,反求分析阶段是通过对原产品的功能、原理方案、零部件结构尺寸、材料性能、加工装配工艺等进行全面深入的了解，明确其
4、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。,从概念上讲，反求分析可以分为下面几个方面：,7.1 反求工程概述,1.宏观分析 能量分析 主要了解原产品采用能源方式、动力源、能否用其他能源代替。物料分析 零、部件的形状、材料、性态以及特殊要求，如助燃、隔热、防水等。信息分析 系统中有关信息的测取、传递、处理、采用和控制等。环境分析 工作环境要求如温度、湿度、防尘、防辐射，产品系统对环境的影响包括粉尘、污物、污水、振动和噪声等。,7.1 反求工程概述,2.详细分析,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。一些产品以扩展功能、降低成本、提高市场竞争能力；
5、携带方便、使用灵活是另一些产品的追求目标；可持续发展、节能、环保、绿色设计人性化是现代设计理念的体现。例如：SONY公司设计的数显微型收录机录音卡带长3cm、宽2.1cm可录制2个小时的声音信号。微型折叠汽车。,1）反求设计思想,7.1 反求工程概述,产品是针对功能要求进行设计，功能的实现赖于原理方案的保证。探索原设计的功能原理和机构组成特点，进一步研究实现同样功能新的原理解法是实现反求设计技术创新的重要步骤。不同的功能目标可引出不同的原理方案。如设计一个夹紧装置时，把功能目标定在机械手段上，则可能设计出螺旋夹紧、凸轮夹紧、连杆机构夹紧、斜面夹紧等原理方案。如把功能目标确定扩大，则可能出现液压
6、、气动、电磁夹紧等原理方案。,2）原理方案分析,3）结构分析,结构方式不同，对功能的保证措施也不同，随之带来的是产品特点也不同。例如，冷冲压模具设计中的弹性装置，可采用弹簧与橡胶两种不同的弹性元件。另外，满足同一行动作，可以有不同的结构形式，如齿轮传动、液压传动等。,7.1 反求工程概述,通过零件的外观比较、重量测量、硬度测量、化学分析、光谱分析、金相分析等手段，对材料的物理、化学成分、热处理进行鉴定。参照同类产品的材料牌号，选择满足力学性能和化学性能要求的国产材料代用。,4）材料分析,5）形体尺寸分析,实物反求，则可通过常用的测量设备如万能量具、投影仪、坐标机等对产品直接进行测量，以确定形体
7、尺寸。软件反求和影象反求，则可采用参照物对比法，利用可以按照透视法求得尺寸之间的比例，并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算来确定形体尺寸。,产品外观造型是产品的视觉语言，最能突出产品的个性，在商品竞争中起和重要的作用。对产品的造型及色彩进行分析，从美学原则、顾客需求心理、商品价值等角度进行构型设计和色彩设计。,6）外观造型分析,7.1 反求工程概述,7）工艺和精度分析,许多设备之所以先进，关键是工艺先进。分析产品的加工工艺过程和关键工艺十分重要，在此基础上选择合计工艺参数，确定新设计产品的制造工艺方法。构建表面形状、尺寸、元素的相对位置要求是保证零件功能的基础条件，在反求过程中，必须
8、对尺寸精度、配合精度、形位精度、表面粗糙度等进行深入分析。,7.1 反求工程概述,7.1.3 反求设计的分类,(1)实物类：主要是指先进产品设备的实物本身，称硬件反求。(2)软件类：包括先进产品设备的图样、程序、技术文件等，称软件反求。(3)影像类：包括先进产品设备的图片、照片和以影像形式出现的资料称影像反求。,反求设计的研究对象及研究内容多种多样，所包含的内容也比较多，主要可以分为以下三大类。,7.1 反求工程概述,7.2 硬件反求设计与创新,反求设计的研究对象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、包装、使用等进行分析研究，研制开发出与被分析产
9、品功能、结构等方面相似的产品。硬件反求可分为对整个设备的反求(即整机反求)、对组成机器部件的反求(即部件反求)和对机器零件的反求(即零件反求)共3个组成部分。硬件反求设计的一般过程如图所示。,7.2 硬件反求设计与创新,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 硬件反求设计与
10、创新,7.2.1 设备实物反求,下面以转盘式滚压成形机为例进行反求设计,1.原设备分析,从设备的外形、尺寸、比例及有关专业知识，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,任何一件产品，既是由若干个零件组成的结构系统，又是由若干个子功能组成的功能系统。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。,1)结构组成及工作原理分析 反求对象的工作原理及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。工作原理示意图能简要地反映产品的整体布局、传动系统、工作原理及结构组成等，画好原理示意图是进行功能分析的前提。,7.2 硬件反求设计与创新,转盘式滚压成形机的工
11、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。,7.2 硬件反求设计与创新,主要零部件的功能,7.2 硬件反求设计与创新,3.功能整理,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
12、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。,采用直推法，就是从产品的总功能开始，向后依次寻找其实现该功能的手段功能，直到找到末位功能（功能元）为止的直接推进方法，就可得到该机的功能系统图。,7.2 硬件反求设计与创新,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
13、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。,7.2 硬件反求设计与创新,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 硬件反求设计与创新,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。,压缩机是电冰
14、箱制冷循环的动力，它好比电冰箱的心脏，电冰箱借助这个心脏，使制冷剂在系统管道中循环，故压缩机是电冰箱的关键部件。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。实物(反求对象)为意大利扎努西公司的V612型样机。反求的主要内容是全封闭制冷压缩机的压缩机构，即机构类型及构件的材料。,1.压缩机材料的反求,曲柄连杆式：活塞的运动通过曲柄连杆传动。主轴为曲柄型，并为一点支承，受力小，适应于300W以下的压缩机组。,曲轴连杆式：活塞的运动由曲轴、连杆传动，这种机构使各部分受力均匀，因此使用寿命长，适应于各种功率的压缩机组。,7.2 硬件反求设计与创新,2.零件设
15、计,材料的匹配：活塞(铁基粉末冶金)与缸体(耐磨铸铁)、连杆(铁基粉末冶金)与曲柄(合金铸铁)，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。,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。,7.2 硬件反求设计与创新,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
16、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。,表7-3 基本尺寸的定位表,7.2 硬件反求设计与创新,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
17、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,配合尺寸极限偏差反求图,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,5.形位公差,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的公差。,4.表面粗糙度的确定,首先应该根据零件的功能分析和工艺分析的结果，确定零件应该选用的表面粗糙度参数，然后应该考虑零件的加工方法，参照国家标准，确定出合理的表面粗糙度参数的实际值,1)同一要素上的形位
18、公差的关系 若同一要素可能同时标注形状公差和位置公差，那么其形状公差值要小于位置公差值，否则只标位置公差。2)有配合要求的形状公差和尺寸公差的关系有配合要求并要严格保证配合性质的要素，应该采用包容原则。,7.2 硬件反求设计与创新,7.3 软件反求设计与创新,软件反求是以与产品有关的技术图样、产品样本、专利文献、影视图片、设计说明书、操作说明、维修手册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,技术软件不是实物，可见性差，不如实物形象直观，因此，技术资料反求设计的过程是一个处理抽象信息的过程，需要发挥人们的想象力。,2)科学性 软件反求要求从技术资料的各种信息
19、载体中提取信号，经过科学的分析和反求，去伪存真，由低级到高级，逐步破译出反求对象的技术秘密，从而得到接近客观的真值，因此，软件反求具有高度的科学性。,7.3 软件反求设计与创新,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。随着计算机技术的飞速发展，图像扫描技术与扫描结果的信息处理技术已逐渐完善，现代的高新技术正在使这个难度大的反求设计变得比较容易。,软件反求要综合运用相似理论、优化理论、模糊理论、决策理论、预测理论、计算机技术等多学科的知识，因此，软件反求
20、是一门综合性很强的技术。,软件反求是一种创造、创新的过程，软件反求设计应充分发挥设计者的创造性及集体智慧，大胆开发，大胆创新。,7.3 软件反求设计与创新,7.3.1 装配图反求,悬挂式减速器是门座起重机的一种新型减速器，现有的资料仅为德国某公司的该类减速器的装配图。从装配图上可得到传动路线、某些零部件的尺寸参数以及材料等。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GB38111983的齿轮减速器标准，开发出新型悬挂式减速器系列产品，并实现从设计到绘图的参数化。,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，在设计中除保证其
21、传动功能、零件强度外，减轻重量、结构紧凑也是反求设计中的主要目标，另外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。,1.产品设计指导思想,7.3 软件反求设计与创新,2.原理方案分析 如图所示，该减速器的动力源是鼠笼型三相异步电机，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键套筒连接，传递扭矩。此原理方案非常有利于减速器的结构紧凑和减轻重量。,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、
22、刚度)、降低噪声和成本、提高安全可靠度等方面的特点。,7.3 软件反求设计与创新,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，而悬挂式减速箱的轴下沉，与、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。,4.材料分析 以减速器的装配图为反求对象，可直接从明细栏中看出主要零部
23、件的材料与热处理。该减速器的主要零部件为箱盖、箱座、轴、齿轮、内花键套筒。德国的材料代号与我国不同，经分析均可用我国的相应材料与热处理代替。例如齿轮，要求有足够的强度和耐磨性、重量轻，采用中碳合金钢42CrMo进行调质并高频淬火，齿面硬度可达4856HRC。箱盖与箱座也要根据悬挂式减速器要求重量轻的特点，采用焊接箱体而不是铸造箱体。,7.3 软件反求设计与创新,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，齿轮的齿数、模数、螺旋角以及轴主要段的直径等都可从设计图样上获得，其他结构尺寸必须通过比例测量后再进行分析才能确定
24、，这些尺寸的获取对二次设计中模块化系列产品的开发是非常重要的。此外，还要进行工艺精度分析、外观造型分析等。,(1)采用计算机辅助设计(CAD)手段，实现该产品从设计到全套参数绘图的系列化。参考GJA标准，其系列见表。,5.二次设计指导思想的确定,7.3 软件反求设计与创新,(2)零部件进行编程设计计算。(3)在保证传动性能(如强度、刚度、耐磨性等)的前提下，以重量轻为主要目标。在结构上吸取原产品的优点，材料与热处理结合国情尽量采用较好材料，如齿轮可用42CrMo。,7.3 软件反求设计与创新,7.3.2 专利反求,失效专利资源是社会的公共财产，任何人都可以直接拿来无偿享用，以其技术为依托作进一
25、步的科技创新时作为参考或引进缩短项目进程。由此可见，避免重复研究和提高科技创新的速度至关重要。,失效专利资源在科技创新中的作用概括起来主要有以下几个方面。(1)使用失效专利起到辅助完成项目研究的作用，即可以给人启发，从中找出新的生产技术途径，改进现在的产品和工艺，增强产品和服务的市场竞争能力。(2)为单个失效专利技术领域继续研究的突破提供基础。(3)基于多个技术诞生新的发明或有些技术在人们无顾虑的重新组合中，会展现出更好的技术效果。(4)使用失效专利为攻克技术难关项目提供主要参考资料。(5)使用失效专利技术是技术革新换代的依据。(6)使用失效专利会诞生新的发明。,7.3 软件反求设计与创新,7
26、.4 影像反求设计,影像反求设计是根据产品的照片图片等为参考资料进行产品反求设计的现代设计方法。,能再现原型的，尽力再现原型；不能再现原型的，运用以往所积累的经验构思模型。同时应该把技术、工艺、结构、传动等方面综合起来考虑。,影像反求法的设计原则,影像反求法的概念,影像反求设计常用的方法,影像反求设计常用的方法是透视量点法,1.一点透视图中反求实物尺寸,2.两点透视图中反求实物尺寸,7.4 影像反求设计,7.5 计算机辅助反求设计,随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用CAD/CAM技术、先进制造技术实现产品实物的反求工程已成研究热点。在反求设计中应用计算机辅助技术，可以大大减少人工劳动，有
27、效缩短设计、制造周期。,7.5.1 计算机辅助反求设计过程,计算机辅助反求设计可以分为下面几个步骤进行：,1.数据采样,数据采样是指利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件或数据库的方式存储。,2.数据处理,7.5 计算机辅助反求设计,数据处理是指在获得测量数据后根据原来物体的结构，在将采集数据转化成三维建模之前，需要对数据点进行滤波、优化和聚合等处理。,3.CAD三维模型的建立,实物原型或模型通过扫描系统数字化后，以空间离散点的形式存储以便计算机处理。生成原型的CAD模型就是要在这些离散点的基础上，应用计算机辅助几何设计的有关技术重新构造产品原型的CAD
28、模型。,4.产品功能模拟及再设计,虚拟装配完成以后，在虚拟环境中对产品的各项功能进行模拟,5.后处理,将CAD所得信息与CAM连接，利用CAD软件相应的后置处理文件，把刀位文件转化成机床能够识别的NC代码程序，通过串行接口、软盘输入到相应的数控机床完成加工,7.5 计算机辅助反求设计,7.5.2 搅拌器的计算机辅助反求设计,1.数据采集,首先对该模型进行数据采集，由于该搅拌机叶片外形复杂，曲面变化较大且不规则，要对其进行数据采集,(a)XY方向测量数据点,(b)XZ方向测量数据点,(c)YZ方向测量数据点,叶片表面轮廓数据点,2.数据处理,7.5 计算机辅助反求设计,通过对该数据进行分析，来编
29、辑处理，整理凌乱的数据点，删除噪声点、增加必要的补偿点，然后得到所需要的数据点。,3.曲面重构,这些数据以定义的坐标原点为中心进行圆周阵列，根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型。,叶片连线和构面后的轮廓,4.模型重构,叶片表面轮廓数据点,在CAD中可以采用以下几种方法造型，利用CAD软件中的曲面造型功能叶片的造型，通过布尔运算得到整个搅拌器的模型。,7.5 计算机辅助反求设计,7.5.3 电话机的计算机辅助反求设计,1.电话机模型的数字化,电话机外壳由许多复杂曲面构成，用传统的设计方法比较困难，利用计算机辅助反求可以加速设计过程，在此选用三坐标测量机测量装置来获取零件原型表面点的三
30、维坐标值，,a)6点生成的三次样条曲线形式的检测路径,b)以步距10mm进行的检测路径细分,2.数据处理,7.5 计算机辅助反求设计,将三坐标测量机测得的3D点数据以QITECH格式输出，从而生成CAD能够识别的数据格式，去除特征曲线的坏点，并对特征曲线进行光顺处理。,3.CAD造型,三维实体重构的首要任务是将测量数据按实物的几何特征进行分割，然后针对不同数据块采用不同的曲面构建方案,a)正面,b)反面,a)正面,b)反面,图7.17 电话机外壳三维模型,7.5 计算机辅助反求设计,反求设计是消化吸收国内、外先进技术，并在此基础上改进使其达到更高的境界，以实现创新为其最终目的。反求设计所追求的不应是简单的仿制，而是再提高、再创造。反求设计不是从实物原型再现直接到实物原型制造的过程，而是将实物原型再现与再设计、再分析、再提高，从而实现改型的创新设计。,小 结,
