《机械创新设计》
结课论文
课程名称《机械创新设计》院（系、部、中心）专业班级流体（卓越）111姓名号题目反求设计及其应用起止日期2014-05-10~2014-05-31任课教师王育荣
反求设计及其应用
作者：王刚
（南京工程学院机械工程学院，南京211167）
摘要：发明创造是人类文明进步的原动力，在人类社会的发展与进步过程中发挥了极其重要的作用，设计是人类改造自然的一种基本活动。也是一种复杂的创造性思维过程。反求设计是对已有的产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、零部件的设计参数、结构、尺寸、材料、关键技术等指标，在根据现代设计理论与方法，对原产品进行仿造设计、改进或者创新设计的过程。
关键词：机械创新设计 反求设计 反求法 反求工程
1引言
我国是一个发展中国家，科学技术相对落后。投入大量资金去研究发达国家已推向市场的产品或技术是完全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。由于设计到发展经济的科学技术领域非常广泛，我国也缺少巨额资金去进行大范围的基础理论研究和应用科学研究。因此，引进发达国家先进的科学技术或先进的产品，然后进行反求设计，仿造或设计出更新的产品，是发展中国家发展国民经济的最佳道路。特别是在知识经济的时代，反求工程在科技发展中的地位更为重要。
2反求设计
反求设计(也称逆向设计)是设计人员以先进设备的软件(图样、程序、技术文件)、影像(图片、照片等)和实物作为研究对象，应用现代设计理论方法、人机工程学等有关专业知识，进行系统的分析和研究，进而开发出同类的先进产品的过程。
2.1反求设计的思路 反求设计分为两个阶段：反求分析阶段与再设计阶段。反求分析阶段：包括宏观分析和详细分析，通过对原有产品的剖析、寻找原产品的技术缺陷、吸取其技术精华、关键技术，为改进或创新设计提出方向。再设计阶段：是一个创新设计阶段，包括变异设计和开发设计。在对原产品进行反求分析的基础上，开发出符合市场需求的新产品的过程，称为“再设计”。变异设计就是在现有的产品基础上对参数、机构、结构、材料等改进设计，或进行产品的系列化设计。开发设计就是在分析原有的产品基础上，抓住功能的本质，从原理方案开始进行创新设计。反求设计的过程如图1所示。
图表 1 反求设计过程
2.2 对反求对象的分析
在进行反求设计前，首先要对反求设计的对象进行分析。产品的设计指导思想决定了产品的设计方案，深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产品设计的前提。充分了解反求对象的功能有助于对产品原理方案的分析、理解和掌握，且有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案。因此，在对反求对象作分析时应注意下面几个方面：
1．系统整体性 系统中的各个分系统，都具有其特定的功能和目标，只有各系统协调一致，才能达到系统的整体目标。如果只研究改善某些局部问题，而忽略其他分系统的影响，将可能影响整个系统的整体效益。
2．针对性 系统分析应有针对性，寻求解决特定问题的最优方案。
3．定量性 解决问题，不应单凭主观臆断、经验和直觉。在许多复杂情况下，必须以相对可靠的数字资料为分析依据，保证结果的客观性。
2.3 对反求对象材料的分析
对反求对象材料的分析包括了材料成分的分析、材料组织结构的分析和材料的性能检测几大部分。机械零件材料及热处理方法的选择将直接影响零件的强度、刚度、寿命、可靠性等性能指标。因此在一些产品中材料及热处理方式的选择显得非常重要，并可能成为该产品的关键技术。一般采用表面观测、化学分析、金相检验等方式确定材料的化学成分、组织结构和表面处理情况，并通过物理试验测定材料的各种物理性能和主要的力学性能，确定材料牌号及热处理方式。有时需通过材料分析进行材料代用，代用的原则是首先满足力学、物理性能，其次满足化学成分的要求，并参照其他同类产品，确定代用材料的牌号及技术条件在对反求对象进行材料分析时，要充分考虑到材料表面的改性处理技术。
2.4 对反求对象的工艺和装配的分析
反求设计和反求工艺是相互联系的，缺一不可。在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些技术技巧的情况下，对反求对象进行工艺分析通常采用以下几种常用的方法。
1．采用反判法编制工艺规程。以零件的技术要求如尺寸精度、形位公差、表面质量等为依据，查明设计基准，分析关键工艺，优选加工工艺方案，并依次由后向前递推加工工序，编制工艺规程。
2．改进工艺方案，保证引进技术的原设计要求。在保证引进技术的设计要求和功能的前提条件下，局部地改进某些实现较为困难的工艺方案。
3．用曲线对应法反求工艺参数。先将需分析的产品的性能指标或工艺参数建立第一参照系，以实际条件建立第二参照系，根据已知点或某些特殊点把工艺参数及其有关的量与性能的关系拟合出一条曲线，并按曲线的规律适当拓宽，从曲线中找出相对于第一参照系性能指标的工艺参数，即是需求的工艺参数。
4．材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平。由于材料以及工艺对加工方法的选择起决定性作用，所以，在无法保证使用原产品的制造材料时，或在使用原产品的制造材料后，工艺水平不能满足要求的情况下，可以使用国产化材料，以适应当前的工艺水平。对反求对象进行装配分析，应主要考虑：用什么装配工艺来保证产品的性能要求，能否将原产品的若干个零件组合成一个部件，如何提高装配速度等。
2.5 对反求对象精度的分析
精度是衡量反求对象性能的重要指标之一，也直接影响产品的成本。零件尺寸易于获得，但尺寸精度却难以确定，这也是反求设计中的难点之一。合理分析设计零件精度及其分配关系，对提高产品的装配精度、机械性能，降低产品成本至关重要。对反求对象精度的分析包括了对反求对象形体尺寸的确定、精度的分配等内容。在确定形体尺寸时，根据反求对象软件、影像或实物的不同，所选用的反求方法也有所不同。若是实物反求，则可通过常用的测量设备对产品直接进行测量，以确定形体尺寸；若是软件反求和影像反求，则可采用参照物对比法，利用透视成像的原理和作图技术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。
2.6 对反求对象外观造型的分析
产品造型设计是产品设计与艺术设计相结合的综合性技术。其主要目的是运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理等对产品的外形造型、色彩设计等进行分析，以提高产品的外观质量和舒适方便程度。在市场经济条件下，产品的外观造型在商品竞争中起着重要的作用。在对产品外观造型分析时，应从产品的美学原则、用户的需求心理及商品价值等角度来分析。比如，美学原理包括合理的尺度、比例，造型上的对称与均衡、稳定与轻巧、统一与变化、节奏与韵律等。此外，色彩也能美化产品并引起感情效果。对有关产品色调的选择与配色、色彩的对比与调和等方面作相应分析，有利于了解它的设计风格。
2.7 对反求对象系列化与模块化的分析
分析反求对象时，要考虑到所引进的产品是否已经系列化，是否为系列型谱中的一个，在系列型谱中是否具有代表性，产品的模块化程度如何等具体问题，使得在设计制造时少走弯路，提高产品质量，降低成本，生产出多品种、多规格、通用化较强的产品，从而提高产品的市场竞争力。
2.8对反求对象其他方面的分析 对产品的管理、使用、维护、包装技术等的分析也很重要。管理的好坏直接影响产品效能的发挥。比如，分析了解重要零部件及易损零部件就有助于产品的维修、改进和创新设计。
3现代设计的发展趋势展望
反求法的研究已经日益引人注目，在数据处理、几何特征识别、商用专业软件和坐标丈量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操纵者的经验和素质直接影响着产品的质量，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面：
1．数据丈量方面：发展反求工程的专用丈量设备，能够高速、高精度的实现产品几何外形的三维数字化，并能进行自动丈量和规划路径；
2．数据的顶处理方面：针对不同种类的丈量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；
3．曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；
4．集成技术：发展包括丈量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的反向
工程技术。
4 结语
反求技术与NC加工技术相结合称之为反求工程。目前常用的方法是实物反求设计法即针对现有工件(样品或模型)利用3D数字化测量仪器准确、快速地量取轮廓坐标值，并加以建构曲面，对曲面进行编辑、修改后，传到CAD~CAM系统，再由CAM所产生刀具的NC加工路径送至CNC加工制作所需模具，或者送到快速成型机(Rapid Prototyping)将样品模型制作出来。反求工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。
参考文献
[1]张春林.《机械创新设计》.北京:机械工业出版社，2010
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