反求工程与创新设计.ppt

第一节反求设计概述第二节技术引进与反求设计第三节机械设备的反求设计第四节技术资料的反求设计第五节计算机辅助反求设计 第八章反求工程与创新设计 本章要求1 要求掌握反求设计的基本方法2 学会如何借鉴 继承已有知识和技术 特别要注意不违反新产品 新技术的有关保护法 如专利法 知识产权法 商标法等 3 懂得反求设计不等于照抄照搬 创造性才是反求设计的精髓 一些发达国家在计算机技术 微电子技术 人工智能技术 生命科学技术 信息工程技术 材料科学技术 空间科学技术 制造科学技术等领域处于领先地位 因此 引进发达国家的先进技术为己用 是发展本国经济的最佳途径 第一节反求设计概述 介绍反求工程的基本概念 研究内容 研究特点和设计程序 反求工程概念 把别人的先进科技成果加以引进 消化吸收 改进提高 或进行创新设计 近而发展自己的新技术 开发新产品 是发展民族经济的捷径 我们称这一过程为反求工程 二 反求工程的过程 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 材料 结构 尺寸 关键技术等指标 再根据现代设计理论与方法 对原产品进行仿造设计 改进设计或创新设计 三 具体的反求设计方法 1 仿造设计 完全按照引进产品进行设计 制造的产品与引入产品完全相同 一些技术力量和经济力量比较薄弱的厂家 且引进产品相对先进时 常常采用仿造设计的方法 反求设计一般有三种形式 2 改进设计 在对原产品分析研究的基础上 进行局部的改造性设计 其性能与特征基本上与原产品相同 但局部性能有所改善 我国的大部分厂家都采取了这种反求设计 3 创新设计 以原产品为基础 充分运用创新的设计思维与创新技法 设计 制造出优于原产品的新产品 反求工程中的创新设计是我国及其他发展中国家目前大力提倡的方法 创新有两种方式 第一种是从无到有 完全凭借基本知识 思维 灵感与丰富的经验 第二种是从有到新 借助已有的产品 图样 影像等已存在的可感观的实物 创新出更先进 更完美的产品 反求设计就属于第二种创新方式 四 反求设计是创新的重要方法 五 反求设计与知识产权1 引入的产品要通过正当途径购买专利 产品等 2 获得一定程度的授权 否则 购买产品后仿造 销售 会造成侵权 3 获得授权后 要保护自己通过反求设计后所获得的成果 一 技术引进与反求工程技术引进是吸收国外先进技术 促进民族经济高速增长的战略措施 反求工程就是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合 它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 应用现代设计理论方法 生产工程学 材料学和有关专业知识 进行系统地分析和研究 探索掌握其关键技术 进而开发出同类的先进产品 第二节技术引进与反求设计 一 技术引进的基本原则 1 待引进的技术项目首先要是国内或本单位的急需关键技术 2 待引进的技术必须是科技含量高的先进技术 3 要有技术和经济实力 能把引进的技术产品化 4 引进技术转换的产品要能产生良好的社会经济效益 引进技术的应用与开发一般要经历以下过程 应用过程 学会对引进的产品或生产设备等硬件技术的操作 使用 维修 令其在生产中发挥作用 并创造经济效益 消化过程 对引进产品或生产设备的设计原理 结构 材料 工艺 管理方法等进行深入的分析研究 用现代科学的设计理论 设计方法及测试手段对其性能进行技术测定 创新过程 对引进技术消化综合 博采众家之长 进行创新设计 开发出具有本国特色的新产品 并争取进一步实现技术引进到技术输出的转化 获取更大的经济效益 了解其材料配方 工艺流程 技术标准 质量控制和安全保护等技术条件 特别要掌握其关键技术 做到 知其所以然 二 引进技术的模式引进技术的模式一般有两种 即产品引进和技术资料的引进 三 技术引进与反求设计 1 引进设备直接为生产服务 生产线 整机 2 引进产品与仿造 仿制和扩大再生产 3 引进产品与改进 改进后要性能更优 4 引进产品与创新设计 由反求设计过渡到自主设计 并制造出新产品 难度最大 四 反求设计的共性问题 1 探索原产品的设计思想 掌握原产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提 2 探索原产品的原理方案设计 各种产品都是按一定的使用要求设计的 而满足同样要求的产品 可能有多种不同的形式 所以产品的功能目标是产品设计的核心问题 3 研究产品的结构设计 产品中零部件的具体结构是实现产品功能目标的保证 对产品的性能 工作能力 经济性 寿命和可靠性有着密切关系 4 对产品的零件公差与配合公差进行分析 分解产品实物 由外至内 由部件至零件 通过测绘与计算确定零部件形体尺寸 并用图纸及技术文件方式表达出来 5 对产品中零件的材料进行分析 通过零件的外观比较 重量测量 力学性能测定 化学分析 光谱分析 金相分析等试验方法 对材料的物理性能 化学成分 热处理等情况进行全面鉴定 在此基础上 遵循立足国内的方针 考虑资源及成本 选择合用的国产材料 或参照同类产品的材料牌号 选择满足力学性能及化学性能的国产材料代用 6 确定产品中零件的精度 精度是衡量反求对象性能的重要指标 是评价反求设计产品质量的主要技术参数之一 科学合理地进行精度分配 对提高产品的装配精度和力学性能至关重要 7 对产品的工作性能进行分析 针对产品的工作特点及其主要性能进行试验测定 反计算和深入地分析 了解产品的设计准则和设计规范 并提出改进措施 前提 8 对产品的造型进行分析 以求美观 对产品的外形构型 色彩设计等进行分析 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 9 产品的维护与管理 有助于维修和改进 分析产品的维护与管理方式 了解重要零 部件及易损零 部件 有助于维修及设计的改进和创新 第三节已知机械设备的反求设计 实物反求 1 具有形象直观的实物 有利于形象思维 2 可对产品或设备的性能 材料等项内容直接进行测试与分析 能获得详细的设计资料 3 可对产品或设备的尺寸直接进行测量与分析 能够获得非常重要的尺寸设计资料 一 机械设备反求设计的特点 4 目的是反求仿制时 缩短了设计周期 提高了产品的生产起点与速度 5 仿制产品与引进产品要有可比性 有利于提高产品的质量 6 在仿制的基础上加以改进和创新 为开发新产品提供了有利条件 二 机械设备反求设计的一般过程 尺寸公差材料反求 三 实物反求的准备过程1 决策准备1 收集国内外同类产品的设计 使用 试验 研究和生产技术等方面的资料 通过分析比较 了解同类产品及其主要部件结构 性能参数 技术水平 生产水平和发展趋势 2 对国内企业 或本企业 进行调查 了解生产条件 生产设备 技术水平 工艺水平 管理水平及原有产品等方面的情况 以确定是否具备引进及进行反求设计的条件 3 进行可行性分析研究 写出可行性研究报告 4 在可行性分析的基础上进行项目评价工作 2 思想和组织准备要有周密 全面的安排和部署 3 技术准备主要是收集有关反求对象的资料并加以消化 通常有以下两方面的资料 1 收集反求对象的原始资料 主要包括 产品说明书 使用说明书或构造说明书 维修手册 维护手册 各类产品样本 维修配件目录 产品年鉴 广告 产品性能标签 产品证明书 2 收集有关分解 测量 制图等方面的方法 资料和标准 主要包括 机器的分解与装配方法 零部件尺寸及公差的测量方法 制图及校核方法 标准资料 齿轮 花键 螺纹 弹簧等典型零件的测绘方法 标准件 外购件 外协件的说明书及有关资料与样机相近的同类产品的有关资料 其中 标准资料在测绘过程中是一种十分重要的参考资料 通过它可对各国产品的品种 规格 质量和技术水平有较深入的了解 四 实物的功能分析和性能分析1 实物的功能分析实物的功能分析通常是将其总功能分解成若干简单的功能元 即将产品所需完成的工艺动作过程进行分解 用若干个执行机构来完成分解所得的执行动作 再进行组合 即可获得产品运动方案的多种解 2 实物的性能测试在对样机分解前 需对其进行详细的性能测试 通常有运转性能 整机性能 寿命 可靠性等 测试项目可视具体情况而定 在进行性能测试时 把实际测试与理论计算结合起来 即除进行实际测试外 对关键零部件从理论上进行分析计算 为自行设计积累资料 五 公差的反求1 零部件的测绘与分析 1 实物的分解 对样机进行分解 以便准确而方便地进行零件尺寸的测量 表面状况的分析及制定技术要求 实物分解时一般要遵循以下基本原则 1 遵循能 恢复原机 的原则 即拆完后能按原样装配起来 2 分解的零部件按机器的组成进行编号 并有专人保管 3 拆后不易调整复位的零件 过盈配合的零件和一些不可拆连接 一般不进行分解 4 分解过程中要做好分解记录 实物分解的一般步骤 1 拍照并绘制外轮廓图 并标注相应的尺寸 总体尺寸 实物长 宽 高三个方向的最大尺寸 安装尺寸 即部件与其它机件或整机安装时的相关尺寸 运动零件极限尺寸 即在外部暴露着的运动件的极限尺寸和位置的记载 2 将机器分解成各部件 在拆卸前 应先画出装配结构示意图或机动示意图 且在拆卸过程中应不断改正和补充 特别要注意零件的作用和装配关系 3 将各部件分解成零件 将分解的零件归类 记数 编号并保管好 2 零件测绘的一般方法 1 选择测量基准机械零件有两种尺寸 即表示零件基本形体相对位置的定位尺寸和表示零件基本形体大小的形状尺寸 定位尺寸确定后才能确定形体尺寸 一般可选择零件的底面 端面 中心线 轴线 或对称面为尺寸测量基准 2 关键零件的尺寸要进行多次测量 取其平均值为测量尺寸 3 对配合尺寸 定位尺寸等功能性尺寸要测量到小数点后三位数字 没有公差的非功能性尺寸 仅测量到小数点后一位数字即可 4 测量具有复杂形面的零件时 如汽轮机叶片 凸轮廓线等 要边测量 边画放大图 以检查测量中出现的问题 及时修正测量结果 5 有些不能直接测量到的尺寸 要根据产品性能 技术要求 工作范围等条件 通过分析计算求出来 6 测绘时要基本按比例画出零件草图 然后标注测量尺寸 测量尺寸时要注意以下问题 1 必须正确使用测量工具 仪器 2 测量零件上的一般尺寸时 如未加工的表面尺寸 应将所测尺寸数值按标准化数列进行圆整 3 在测量零件的重要相对位置尺寸时 如孔间距等 应使用精密量具 并对所测尺寸进行必要的计算 核对 不应随意圆整 4 对于零件标准化的结构 如锥度 螺纹 退刀槽 键槽 倒角 圆等 应将测得的数值按标准取为标准值 5 对具有配合关系的零件 其配合表面的基本尺寸应取得一致 并按公差配合标准查出偏差值予以标注 6 测量具有复杂形面的零件 如汽轮机叶片 凸轮廓线等 时 要边测量边画放大图 以检查测量中出现的问题 及时修正测量结果 7 对于零件上磨损或损坏部分的结构形状和尺寸 应参考与其相邻的零件形状和相应尺寸或有关技术资料给予确定 8 有些不能直接测量到的尺寸 要根据产品性能 技术要求 工作范围等条件 通过分析计算求出来 3 实测尺寸数据的处理实测尺寸不等于原设计尺寸 需要从实测尺寸推论出原设计尺寸 假设所测的零件尺寸均为合格尺寸 则实测值一定是图样上规定的公差范围内的某一数值 即零件的制造误差与测量误差之和必定小于或等于给定的公差 实测值 基本尺寸 制造误差 测量误差根据概率统计原理 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 这是处理实测数据的基础 4 基本尺寸与公差的处理由于实测值是知道的 基本尺寸可以计算出来 因此二者的差值是可求的 再由二者的差值查阅公差表 并根据基本尺寸选择精度 按二者差值小于或等于所对应公差的一半的原则 最后确定出公差的精度等级和对应的公差值 对于一些重要的配合尺寸 还要把实测尺寸分解为基本尺寸和公差值 在确定基本尺寸时 首先判别是基孔制配合还是基轴制配合 基孔制配合的孔的上偏差为正值 下偏差为零 而基轴制配合轴的上偏差为零 下偏差为负值 IT 2 基孔制 基轴制 假如实测尺寸为基本尺寸与公差中值之和 则孔或轴的基本尺寸应满足下面不等式 基孔制 孔的基本尺寸 孔的实测尺寸轴的基本尺寸 孔的实测尺寸孔的实测值 基本尺寸 1 2孔公差 IT11级 基轴制 轴的基本尺寸 轴的实测尺寸孔的基本尺寸 轴的实测尺寸基本尺寸 轴的实测值 1 2轴公差 IT11级 在处理基本尺寸小数点后面两位的尾数时 可按国际数字修约规则 四舍六入五单双 的原则处理尾数 逢四则舍 逢六则进 遇五以保证偶数的原则决定舍进 5 配合公差的反求设计由前式可知 采用基孔制 孔的实测值 基本尺寸 1 2孔公差 IT11级 采用基轴制 基本尺寸 轴的实测值 1 2轴公差 IT11级 六 形位公差的确定形位公差的选用和确定可参考国标GB1184 80 它规定了标准的公差值和系数 为形位公差值的选用和确定提供了条件 形位公差的具体选用时应考虑以下原则 1 确定同一要素上的形位公差值时 形状公差值应小于位置公差值 要分清二者的关系 如要求两平面平行时 其平面度公差值要小于平行度公差值 2 圆柱类零件的形状公差值 轴线的直线度除外 一般情况下应小于其尺寸公差值 3 形位公差值与尺寸公差值相适应 4 形位公差值与表面粗糙度相适应 粗糙度很大 一般无形位公差要求 5 选择形位公差时 应对各种加工方法出现的误差范围有一个大概的了解 以便根据零件加工及装夹情况提出不同的形位公差要求 参照国家标准 选择出合理的形位公差 6 参照验证过的实例 采用与现场生产的同类型产品图纸或测绘样图进行对比的方法来选择形位公差 3 表面粗糙度的确定可用粗糙度仪较准确地测量出来 再根据零件的功能 实测值 加工方法 参照国家标准 选择出合理的表面粗糙度 4 零件材料的确定 1 材料的成分分析1 火花鉴别法 根据材料与砂轮磨削后产生的火花定性判别材料的成分 2 音质判别法 根据敲击材料声音的清脆不同 判别材料的成分 3 原子发射光谱分析法4 红外光谱分析法5 化学成分分析法6 微探针分析法 利用电子探针 离子探针等仪器对材料的表面进行定性分析或定量分析 2 材料的组织结构分析 指材料的宏观组织结构和微观组织结构分析 进行材料的宏观组织结构分析时 可用放大镜观察材料的晶粒大小 淬火硬层的分布 缩孔缺陷等情况 利用显微镜可观察材料的微观组织结构 3 材料的工艺分析 指材料的成形方法的工艺分析 最常见的工艺有铸造 锻造 挤压 焊接 机加工以及热处理等 5 热处理及表面处理的确定在确定零件热处理等技术要求时 一般应设法对实物有关这方面的原始技术条件 如硬度等 进行识别测定 在获得实测资料的基础上 参照下述各点 合理选择 1 零件的热处理要求是与零件的材料密切相关的 2 对零件是否提出热处理要求 主要考虑零件的作用和对零件的设计要求 3 对零件是否提出化学热处理和表面热处理的要求 主要根据零件的功用和使用条件对零件的要求而定 如渗碳 镀铬等 6 材料的硬度分析可通过硬度计测定材料的表面硬度 并根据硬度或表面处理的厚度判别材料的表面处理方法一般情况下 利用喷丸 滚压等表面形变硬化手段形成的硬化层约为0 15 0 3mm 利用高频感应加热淬火形成的硬化层约为0 2 1 5mm 利用渗碳淬火形成的硬化层约为0 8 1 5mm 利用氰化处理 碳氮共渗 形成的硬化层约为0 5 0 8mm 详细情况可查阅有关手册 七 关键零件的反求设计实物易于仿造 但其中必有一些关键零件 也就是生产商要控制的技术 这些关键零件是反求的重点 也是难点 在进行实物反求设计时 要找出这些关键零件 不同的机械设备 其关键零件也不同 要根据具体情况确定关键零件 如发动机中的活塞和凸轮轴 汽车主减速器中的锥齿轮等都是反求设计中的关键零件 对机械中的关键零件的反求成功 技术上就有突破 就会有创新 一般情况下 关键零件的反求都需要较深的专门知识和技术 八 功能反求1 功能分解及功能树 功能树参见下图 例 针式打印机功能 子功能1 由走纸机构实现 由步进电机驱动的齿轮系统组成 其功能目标为实现走纸运动 子功能2 由色带机构实现 由直流电机和齿轮摆杆系统组成 其功能目标为实现色带的往复移动 使色带均匀消耗 针式打印机功能介绍 子功能3 由字车机构实现 带有编码器的直流伺服电机和钢丝绳轮在导轨上拖动字车 其功能目标为实现字车的往复移动 子功能4 由打印头机构实现 打印钢针由安装在螺旋管线圈内的电磁铁驱动 其功能目标为实现打印刚针的往复移动 子功能5 各子功能的协调工作由控制系统完成 各不同作用的子功能在微机的指令下协调工作 完成文字或图形的打印 功能元的求解是功能分析与设计的重点和难点 也是反求设计中的创新突破点 对于机械产品而言 其功能元一般由动力功能元 传动功能元 工作功能元 控制功能元和辅助功能元组成 可按各功能元所具有的作用和功能目标分别求解 2 功能元的求解 按原动机转换能量的方式可分为三大类 第一类有三相交流异步电动机 单相交流异步电动机 直流电动机 步进电动机 伺服电动机等 它们都是把电能转化为机械能的机器 第二类有柴油机 汽油机 蒸汽机 燃汽轮机原子能发动机等 它们都是通过燃煤 油 铀获得热能再转化为机械能的机器 1 动力功能元 为系统提供工作动力 第三类有水轮机 风力机 潮汐发动机 地热发动机 太阳能发动机等 它们都是把自然力转化为机械能的机器 弹簧力 重力 电磁力 记忆合金的热变形力都可以提供驱动力 但已不属于原动机的范畴 3 工作功能元 工作功能元直接完成某项工作 可从工作执行机构目录中选择 在功能分析与设计过程中 工作功能元的求解是创新的重点内容 2 传动功能元 传动功能元用于变换运动方式或变换速度 可从传动机构目录中选择 4 控制功能元 机械设备中的控制方法很多 有机械控制 电气控制 液压控制 气动控制及综合控制 其中以电气控制应用最为广泛 控制系统在机械中的作用越来越突出 传统的手工操作正在被自动化的控制手段所代替 而且向智能化方向发展 1 系统原理方案的形态学矩阵将求解后的功能元合理组合 可以得到多个系统原理方案解 各功能元的合理组合可通过形态学矩阵来实现 系统原理方案的形态学矩阵如下 九 系统原理方案的反求 系统原理方案的形态学矩阵 从上表中每项功能元的解中取出一项进行组合 均可获得一组系统解 设计人员可按指标评价原则从中选出合理的解 为第i个方案中第j项的评价指标 加权系数矩阵为 G 系统方案的评价方法设评价指标矩阵为 每个方案的总评价值的计算公式为 H 总评价值H越大越好 例 如某机械产品有三种反求方案 即i 1 3 评价指标采用10分制 其数值列于评价指标矩阵中 加权系数矩阵分别为 三种方案的评价总值分别为 6 9 6 85 8 7第三种方案的评价总值最高 应为最佳解 2 系统原理方案的反求设计功能分析与系统原理方案的反求设计过程 例 图示的抽油机中 四杆机构为工作执行机构功能元的求解与优化将是抽油机创新的重要环节 连杆在一个运动循环中都受拉力 如果用柔性构件代替原来的刚性构件 取消油梁和驴头 则可创新设计出如下所示的采用绳索滑轮式的无油梁抽油机 图示为无油梁式抽油机的结构图 由于改变了油梁式抽油机的工作执行机构的种类 也改变了该机械系统的原理方案 通过对比分析 可知这种无油梁式抽油机的原理方案是合理的 3 机构系统原理方案的反求与创新根据已有的设备 画出其机构系统的运动简图 对其进行运动分析 动力分析及性能分析 再根据分析结果改进运动简图 进行机构系统的反求设计时 要注意产品的设计策略反求 进行机构系统的反求时 要注意产品的设计策略反求 一般情况下 产品的反求设计策略有 1 功能不变 降低成本 2 增加功能 降低成本 3 增加功能 成本不变 4 减少功能 降低更多的成本 5 增加功能 增加成本 十 制造工艺的反求 1 掌握典型零件的加工方法 2 零件工艺反求的一般方法 第四节技术资料的反求设计 一 技术资料反求设计的特点 1 技术资料的反求设计具有抽象性2 技术资料反求设计具有高度的智力性3 技术资料反求设计