机械创新作业 (19)

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） 机械工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 班 级 流体（卓越）111 姓 名 孙亮 学 号 201110625 题 目 反求设计及其应用 起 止 日 期 2014-5-82014-6-4 任 课 教 师 王育荣 located in the Tomb, Dong Shen Jia bang, defer the next day focused on the assassination. Linping, Zhejiang, 1 of which liquor wine masters (Wuzhen said information is Carpenter), who got A few bayonets, due to missed fatal, when night came 反求设计及其应用 作者：孙亮 （南京工程学院机械工程学院，南京211167）摘要：介绍了创新设计中的反求设计的定义、反求设计的过程与方法。关键词：反求设计；反求工程；反求对象。引言：技术引进是促进民族经济高速增长的战略措施。要取得最佳技术和经济效益,必须对引进技术进行深入研究、消化理解和创新,开发出先进产品,形成自已的技术体系。反求设计（也称逆向设计），是指设计师对产品实物样件表面进行数字化处理(数据采集、数据处理)，并利用可实现逆向三维造型设计的软件来重新构造实物的CAD模型(曲面模型重构)，并进一步用CAD/CAECAM系统实现分析、再设计、数控编程、数控加工的过程。反求工程出现和发展的时背景 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、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（Inverse Design）或反求工程（Inverse Engineering），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。人们通常所称的设计，一般均指正向设计。先是市场调研设计要求，然后设计师创造性的劳动，最后完成产品的设计。而反求工程则是在己知某种产品的有关信息(包括硬件、软件、照片、广告、情报等)的条件下，以方法学为指导，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，回溯这些信息的科学依据，即寻求这些信息的先进性、积极性、合理性、改进的可能性等等，达到充分消化和吸收，然后在此基础上改进、挖潜进行再创造，反求工程是己有设计的设计。反求工程涉及的内容比较广泛，包括几何形状反求、材料反求、工艺反求等许多方面。一般可以按反求对象分为以下三类: 实物反求；软件反求；影像反求。从狭义上说，反求工程主要指几何形状反求。传统的几何形状反求的工作流程如下：手工样品或成品翻制石膏模手工测绘仿削机1:1加工 手工图纸仿制品改进性产品图1.1传统几何形状反求的工作流程这种反求方式往往带来以下问题：a.仿制精度不足，翻制模具和手工测绘难以保证精度；b.加工工艺复杂，需要经验丰富的熟练技工；c.处理方式有限，对于一些复杂曲面难以加工；d.花费成本太大，需要多种加工设备和工具；e.开发周期长，模具的制造要耗费大量的工时；f.改变设计困难，不便对产品进行改进。总之传统的反求方式使得设计制造与开发产品的效率很低，而且主要是用来仿制已有产品，难以作为一种创新设计手段。这些问题使反求工程的应用范围也因此受到了很大限制。近十几年来，随着信息技术、测控技术、计算机技术的曲面重构技术、快速原型制造等技术的发展与兴起，反求工程技术也得到了迅速的发展，并广泛地应用于机械、家电、航空、汽车、轻工、医疗等领域。较之于传统的反求技术，速度大为提高。现有的反求工程就是指根据先进的测量设备从实物模型测得的数据，构造出该物体CAD模型，继而将这些模型和设计表征用于产品的分析和制造。它可以方便快捷地提取难以用CAD设计的零件以及艺术模型的数据。它在产品快速设计与快速制造方面具有重要意义。目前反求工程的工作流程如下：复制手工样品或成品三维扫描扫描数据CAD/NC制作模具设计CAD曲面重建CAD/NC制作母模快速原型制造零件 图1.2目前几何形状反求工程的工作路线反求工程系统组成 逆向工程的系统组成主要包括以下几个方面： 1）测量测头分接触式和非接触式； 2）测量机有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等； 3）数据处理软件； 4）模型重建软件(CAD/CAM)模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件；三是专用产品数据管理（PDM）等软件； 5）CAE软件； 6）数控加工设备； 7）快速原型机； 8）产品批量生产设备。 反求工程是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的组合。反求工程包括设计反求、工艺反求、管理反求等各个方面。以先进产品的实物、软件(图样、程序、技术文件等)或影像(图片、照片等)作为研究对象,应用现代设计的理论和方法,进行系统地分析研究,探索掌握其关键技术,进而开发出同类产品。反求工程首先要进行反求分析,针对反求对象的不同形式实物、软件或影像,采用不同的方法。实物如机器设备的反求,可用实测手段获得所需参数和性能、材料、尺寸等;软件如图样等可直接分析了解产品及各部分的尺寸、结构和材料,但掌握使用性能和工艺,则要通过试制和试验;影像可用透视法与解析法求出主要尺寸间的大小相对关系,与已知参照物对比,求出几个绝对尺寸,推算其他尺寸。材料和工艺等都需通过试制和试验才能解决。在以上充分分析的基础上,才能进行不同的反求设计。反求设计的过程 1）实物反求设计的一般过程 准备工作。广泛了解国内外同类产品的结构、性能、产品的技术水平、生产水平、管理水平和发展趋势,以确定是否具备引进价值。根据反求工程设计的项目分析、产品水平、市场预测、用户要求、发展前景和经济效益,写出可行性分析报告。在收集的技术资料中,结构说明书、维修手册、标准资料是最重要的。 功能分析。对实物进行功能分析,找出相应的功能载体和工作原理。 实物性能测试。包括整机性能、运转性能、动态特性、寿命、可靠性等。测试时要把实际测试与理论计算结合起来。 实物分解。分解工作必须保证能恢复原样。不可拆连接一般不分解,尽量不解剖或少解剖。一般先拍照并绘制外廓图,注明总体尺寸、安装尺寸和运动极限尺寸等,然后将机器分解成各个部件。拆卸前画出装配结构示意图,在拆卸过程中不断修正,注意零件的作用和相互关系。再将部件分解为零件,归类记数,编号保管。 测绘零件。完成零件工作图、部件装配图和机器总装图。 2）软件反求工程设计的一般进程 准备工作。与实物反求设计相似。反求原理方案。分析引进的软件资料,分析其成品的工作可靠性和能否达到技术要求。原理方案的科学性、技术和经济方面的可行性、生产率的合理性和先进性、使用维护的方便性、零部件的加工与装配的工艺性、外观造型的艺术性等都要考虑。 反求结构方案。分析资料,探求其结构要素的新颖性,新材料、新工艺的特点,先进技术的应用及如何创造性地满足结构设计原理如:等强度原理、合理力流原理、变形协调原理、力平衡原理、任务分配原理、自补偿原理及稳定性原理等。 3）影像反求设计的一般进程 准备工作。与实物反求设计相似。确定基本尺寸。根据影像形成原理分析确定影像中能反映的各种尺寸。影像多数为透视图,在掌握透视变换和透视投影的基础上,根据影像资料做出透视图,从而初定产品的外形尺寸、部件尺寸和一切能观察到的尺寸和外部特征。 功能原理分析。根据外部尺寸和结构特征,分析产品的功能原理、总体布局、性能参数、传动控制方案等,初步确定功能载体和工作原理。 结构分析。根据技术人员的知识和经验,确定具体结构。观察图片等影像资料分辨材料,进行强度、刚度、稳定性等的分析计算。作出反求方案设计,进行评审。技术设计。根据评审方案,完成技术设计。 4）不同反求对象的分析特点 实物反求。实物是指原产品的实际设备和零部件。实物反求的对象最具体,具有较好的分析条件。实物反求时,先对有关产品进行外观分析和性能试验。在功能分析、原理方案分析的基础上,按部件、组件、零件分解及测量,求得零件的材料、结构、形状、尺寸和零件之间的装配关系,分析零件的加工工艺和精度要求。通过全面反求,掌握原产品的关键技术,改进其存在的问题。 软件反求。软件指产品图纸、技术资料文件、产品样本及说明书等。通过软件反求,一般可知产品的功能、原理方案和结构组成。若有零件图,则可详细了解零件的材料、尺寸和精度。有些情况下,只有进行零件的性能计算和模拟试验才能确定某些因素。 影像反求。根据图片、影视画面等影像资料,进行产品反求,称为影像反求。通过影像资料得到的设计信息量最少,反求难度最大,要求设计者具有较丰富的设计实践经验。影像反求,首先要根据产品的工作要求,分析其功能和原理方案。影像反求时,产品结构和材料的分析往往要根据其外部已知信息,参照功能和工作原理进行推理。为了得到较准确的形体尺寸,需要采用透视图原理,求出各尺寸之间的比例,然后用参照物对比法确定待求尺寸,参照物可以是已知尺寸的人、物或景。 5）反求设计中的计算机辅助技术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,有效缩短设计和制造周期。尤其是将自动测量、重构CAD模型、自动成型和数控加工结合起来,用于三维实体造型的设计与反求,更能够体现现代化设计和加工技术的优越性。 三维实体的数据测取与处理。为反求三维实体的物理模型,经常采用的仪器设备是三坐标测量仪、坐标扫描仪、激光扫描仪或3D数字仪等。通过测取实物表面的形状和尺寸数据,将实体的物理模型转化为数字数据,再将这些数据交由数字处理系统,利用计算机辅助技术,通过对数据的编辑、处理及修补,就能方便地在计算机中建立三维实体的CAD几何模型,并允许对所获得的CAD几何模型进行适当的修改。 三维实体的再造。计算机辅助技术允许利用已获得的三维实体CAD几何模型,通过对数据进行刀具轨迹编辑,自动生成NC轨迹,交由NC机床实行数控机械加工。若生成的是STL文件,则可将信号输入到快速自动成型机,进行原型制造。事实上,在计算机、三坐标测量仪、数控加工及成型设备之间建立网络连接,数据与信号的传输就更快捷、更迅速。 6）反求工程的研究特点及趋势在进行反求工程分析过程中,除了要求设计人员具有基础理论(如数学、力学等)和有关专业理论知识外,还需掌握系统工程、价值工程、优化设计、工业造型、相似理论、人机工程学等现代设计理论和方法,同时还要求能及时跟踪国际上相关产品的技术发展动向,准确地把握该类产品在设计和生产制造中的关键技术,以期对研究对象始终能给予全面的了解和把握。 反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。国内外已有大量成功的经验可以学和借鉴,但目前还很少有这方面的系统论著,多数散于各行业的案例或设计资料中,另外很多国内外研究单位和企业也不愿将其反求技术公开,这无疑会给此项技术的发展和推广带来一定的因难。但应该看到反求工程技术