现代设计方法第六讲：反求设计与创新设计

第五讲：反求工程与创新设计,北京理工大学宇航学院宋晓东,北京理工大学宇航学院,产品功能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件产品开发的周期、生产周期、更新周期越来越短年代如何做得更好年代如何做得更便宜二十一世纪初年代如何做得更快,5.1概述,5.1.1反求工程与反求设计的概念,反求工程（ReverseEngineering，简称RE）也称逆向工程，它是针对消化吸收先进技术的系列分析方法和应用技术的综合的一项新技术。这一新技术，它以现代设计理论方法、生产工程学、材料科学为基础，运用各类专业人员工程设计的经验、知识和创新思维，对其已有新技术进行解剖、深化和再创造，而应用于产品开发和仿真制造的一种并行设计开发技术。为此而发展出的反求工程设计（或称反求设计），也就成为一种十分有用的现代设计方法和技术。在机械设计领域中，反求工程设计就是在没有图纸或图纸不完全以及没有CAD模型的情况下，按照已有零件的模型（称为零件原形），利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型的过程。,反求工程包括设计反求、工艺反求、材料反求和管理反求等各个方面。它以先进产品的实物、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方法、生产工程学、材料科学和有关专业知识，进行系统地分析研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的新产品。反求工程的次序是：首先进行反求分析；然后进行反求设计。进行反求分析时，针对反求对象的不同形式：实物、软件或影像，应采用不同的方法。(1)对实物为机器设备的反求，可用实测手段获得所需参数和性能、材料、尺寸等。,(2)对软件如图样的反求，可直接分析了解产品和各部件的尺寸、结构和材料，但掌握使用性能和工艺，则要通过试制和试验。(3)对影像（如图片、照片）的反求，可用透视法与解析法求出主要尺寸间的大小相对关系，用机器与人或已知参照物对比，出几个绝对尺寸，推算其它尺寸。(4)对材料和工艺的反求，则都需要通过试制和试验的方法才能解决。在以上充分分析的基础上，才能进行不同的反求设计。,作为一种逆向思维的工作方式，反求工程技术与传统的产品正向设计方法不同，它是根据已经存在的产品或零件原型来构造产品的工程设计模型或概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的再设计。传统的产品开发过程遵从正向工程（或正向设计）的思维进行，是从收集市场需求信息着手，按照“产品功能描述（产品规格及预期目标）、产品概念设计、产品总体设计及详细的零部件设计、制定生产工艺流程、设计制造工夹具、模具等工装、零部加工及装配、产品检验及性能测试”这样的步骤开展工作，是从未知到已知、从抽象到具体的过程。,而反求工程则是按照产品引进、消化、吸收与创新的思路，以“实物、原理、功能、三维重构再设计”框架模型为工作过程，其中，最主要的任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或CAD模型。一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面则为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的产品进行再创新工程服务。,北京理工大学宇航学院,正向工程与反求工程过程两者比较，最本质的区别在于：正向工程是由抽象的较高层次概念或独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念至CAD模型具有一个明确的过程。而反求工程是基于一个实物原型来构造它的设计概念，并且通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物原型的产品复制和创新，以满足产品更新换代和创新设计的要求。,在反求工程中，由离散的数字化点到CAD模型的建立是一个复杂的设计推理和数据加工过程。一般产品的正向设计与反求工程设计的的基本过程如下图所示。,图5-1一般产品的正向设计与反求工程设计的基本过程,(a)一般产品正向设计过程,(b)反求工程设计过程,经过多年来的应用实践表明，反求工程具有如下特点:(1)可以使企业快速响应市场，大大缩短产品的设计、开发及上市周期，加快产品的更新换代速度，降低企业开发新产品的成本与风险。(2)适合于单件、小批量、形状不规则的零件的制造，特别是模具的制造。(3)对于设计与制造技术相对落后的国家和地区，反求工程是快速改变其落后状况，提高设计与制造水平的好方法。,5.1.2反求工程的特点,基于产品的技术引进涉及产品的消化、吸收、仿制、改进、生产经营管理和市场营销等多个方面，它们组成了一个完整的系统。反求工程就是对这个系统进行分析和研究的一门专门技术。,因此，整个反求工程技术可大致分为如下三个阶段：(1)认识阶段通过对所需复制零件进行全面的功能分析及其加工方法分析，由设计人员确定出零件的技术指标以及零件中各几何元素拓扑关系，掌握该零件的关键技术。认识阶段的工作是整个反求工程成功与否的关键。(2)再设计阶段再设计阶段是指从零件测量规划的制定一直到零件CAD模型的重构，这个阶段主要完成的工作有测量规划、测量数据、数据处理及修正、曲面重构、零件CAD模型生成。,(3)加工制造及功能检验阶段这个阶段的工作是根据零件的加工方法不同，制定出相应的加工工艺。例如，有的零件CAD模型可直接通过快速原型制造得到样件原型；有的CAD模型可直接经CAM软件生成NC数控代码，到加工中心或其它数控设备上加工出该零件；有的需要采用冲压成形工艺(如汽车覆盖件)，利用成形模具进行批量生产等等。最后，还要对加工出的零件功能进行检验，如果不合格，则要重新进行再设计和再加工、检验，直到合格为止。加工制造阶段可称为反求工程的下游应用阶段，由于零件加工制造的手段具有多样性，与不同加工方法相对应的集成反求工程系统是不同的。,北京理工大学宇航学院,反求工程作为一种现代设计方法和理念，已在工程中得到较好应用，目前主要表现在以下方面：(1)在缺乏二维设计图纸或者原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机表达的CAD模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析(CAE)、计算机辅助制造(CAM)等先进技术，进行再创新设计。,5.1.3反求工程涉及的应用,(2)有些零件有较高的美学、空气动力学要求，难以在计算机上直接造型。设计时往往需要首先制作黏土或油泥的比例模型，然后进行各种实验，如风洞实验、水池实验等，一旦外形确定，就需要使用反求工程技术将其转化为CAD模型。,北京理工大学宇航学院,北京理工大学宇航学院,在航天航空、汽车、飞机等领域，建立符合要求的产品模型要经过各种性能测试（如风洞实验等）后转换为产品的三维CAD模型及其模具。,利用逆向工程技术，可以直接在已有的国内外先进的产品基础上，进行结构性能分析、设计模型重构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，极大地缩短产品开发周期，有效地占领市场。,北京理工大学宇航学院,反求工程的应用,(3)一些零件可能需要经过多次修改，如在模具制造中，经常需要通过反复试冲和修改模具型面，方可得到最终符合要求的模具。反求工程便成为制造-检验-修正-建模-制造这一环节中重要的快速建模手段。,(4)在生物医学工程领域，采用反求工程技术，摆脱原来的以手工或者按标准制定为主的落后制造方法。通过定制人工关节和人工骨骼，保证重构的人工骨骼在植入人体后无不良影响。如在牙齿矫正中，根据个人制作牙模，然后转化为CAD模型，经过有限元计算矫正方案，大大提高矫正成功率和效率。通过建立数字化人体几何模型，可以根据个人定制特种服装，如宇航服、头盔等。,北京理工大学宇航学院,北京理工大学宇航学院,（5）很多物品很难用基本的几何要素来表现与定义，利用正向设计的方式来获得数模将异常困难。引入逆向工程，以加速产品设计，降低开发的难度。用于修复破损的文物、艺术品，或缺乏供应的损坏零件等，用于指导新的设计。,北京理工大学宇航学院,(6)反求工程应用在正向设计结果的检验，也称为计算机辅助检测CAI。,5.2.1反求工程设计的基本内容及类型广义上的反求工程设计是从已知事物的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性、国产化的可能性等，要回溯这些信息的科学依据，即要充分消化和吸收，不仅如此，更要在此基础上进行改进、挖潜和再创造。因此，概括起来反求工程设计的基本内容主要包括：产品设计意图与原理的反求、几何形状与结构反求、材料反求、制造工艺反求、管理反求等方面。其反求对象既包含了人们习以为常的实物原型，也包括了软件与影像等对象。,5.2反求工程设计的基本内容及原理,5.2反求工程设计的基本内容及原理,所谓实物反求，它是在已有实物的条件下，通过试验、测绘和详细分析，提出再创造的关键。其中包括：功能反求、性能反求以及方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求。根据反求对象的不同，实物反求可分为以下三种：(1)整机反求：反求对象是整台机器或设备。如一部汽车，一架飞机，一台机床，也可以是汽车或飞机的一台发动机，成套设备中的某一设备等。(2)部件反求：反求对象是组成机器的部件。这类部件是由一组协同工作的零件所组成的独立制造或独立装配的组合体。如机器设备上的阀泵、机床的尾架、床头箱等。(3)零件反求：反求对象是组成机器的基本单元。,1.实物反求,进行实物反求设计时的一般进程为：(1)工作准备需广泛了解国际国内同类产品的结构、性能参数、产品系列的技术水平，生产水平、管理水平和发展趋势，以确定是否具备引进的条件。与此同时，进行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、经济效益等方面的分析研究，写出可行性分析报告。(2)功能分析对反求实物进行功能分析，找出相应的功能载体和工作原理。(3)反求实物性能测试实物性能包括整机性能、运转性能、动态性能、寿命、可靠性等。测试时应把实际测试与理论计算结合起来。,(4)反求实物分解分解工作必须保障能恢复原机。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，先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。(5)测绘零件完成零件工作图，部件装配图和机器总装图。,产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件反求设计具有以下特点：(1)抽象性。技术软件不是实物，只是一些抽象的文字、公式、数据、图样等，需要发挥人们的想像力。因此，软件反求是一个处理抽象信息的过程。(2)科学性。软件反求要求人们从各种技术信息中，去伪存真，从低级到高级，逐步探索、反求出设计对象的技术奥秘，获取可为我所用的技术信息。(3)技术性。软件反求大部分工作是一个分析、计算的逻辑思维过程，也是一个从抽象思维到形象思维的不断反复的过程，因此，软件反求具有高度的技术性。,2.软件反求,(4)综合性。软件反求要求综合运用决策理论、模糊理论、相似理论、计算机技术等多门学科的知识，是一门综合性很强的技术。(5)创造性。软件反求还是一个创造、创新的过程。软件反求设计应充分发挥人的创造性及集体的智慧，大胆开发，大胆创新。,软件反求的一般过程如下：(1)必要性论证，包括对引进对象作市场调研及技术先进性、可操作性论证等；(2)软件反求成功的可能性论证，并非所有技术软件都能反求成功；(3)原理、方案、技术条件反求设计；(4)零、部件结构、工艺反求设计；(5)产品的使用、维护、管理反求；(6)产品综合性能测定及评价。,软件反求工程设计的一般进程是：(1)工作准备。与实物反求设计相似。(2)反求原理方案。分析引进的软件资料，探求其成品的工作可靠性和能否达到技术要求。其原理方案的科学性。技术、经济方面的可行性、生产率的合理性与先进性、使用维护的宜人性、零部件的加工与装配的工艺性、外观造型的艺术性等。(3)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，创造性地满足其结构设计原理。,既无实物，又无技术软件、仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从中去构思、想象来反求，称影像反求。这是反求对象中难度最大的反求工作。影像反求本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。,3.影像反求,影像反求设计的一般进程为：(1)工作准备。与实物反求设计相似。(2)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，根据影像资料作出透视图，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。(3)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。(4)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。,(5)技术设计。根据评审方案，完成技术设计。在上述这几类反求方式中，实物反求己经形成了一套较为完善的体系，其中实物的几何形状反求在RE技术中具有十分重要的地位和作用，也是目前有关反求工程研究中的主要部分。,5.2.2反求工程设计的基本原理,反求工程主要通过以下步骤来实现：数据采样数据分析数据恢复及修补原始部件的分解模型信息处理及CAD模型的建立部件装配产品功能模拟再设计等步骤。1.数据采样数据采样是反求工程的最基本的、必不可少的步骤，它从已有的实物获取产品数据通常采用三维激光扫描仪、三维数字化仪、物体多角度照片等数字化方法来快速、准确地获取数据。如果能够得到产品的设计数据，当然可以使用。当得到了较完整的采样数据以后，必须通过三维图形处理技术将采样数据以三维图形的方式显示出来，以得到直观简略的产品结构外形。,2.数据分析当得到采样数据并已经显示成图形以后，就可以分析原来物体的结构。物体结构包括物体的逻辑结构、物体的功能结构，物体包含哪些标准件，材料构成，物体表面颜色分布，各个部件的几何尺寸，不同部件之间的装配方式及不同部件之间的几何尺寸约束等。为此，要建立产品几何特征识别及产品组件结构的自动识别分解或交互识别分解系统。该系统具有视觉识别区分实物的特征和特征数据的分类处理功能，材质颜色分解提取功能、根据标准零件模型库将整个物体大致分解为几个不同的部分。3.数据恢复和修补在采样过程中，物体的某些细节的丢失是不可避免的，通过对采样数据的三维显示及结构分析，能够发现哪些数据可能被丢失了，因此，数据修复是反求工程的一个必不可少的步骤。,数据修复主要包括部件数据恢复及表面数据恢复。表面数据恢复主要涉及碎片整合及空洞填补，一般可采用NURBS曲面片来实现表面数据的恢复。一个更好的方法是采用基于三角面片的多分辨曲面模型能便于曲面的局部修改。在数据修复过程中，局部修改以消除明显的误差是必不可少的。,北京理工大学宇航学院,4.原始部件的分解反求工程要解决的关键问题是一个设计方案能不能最终变成产品，而通常的产品是由不同的部件组装而成的。分解是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。在分解过程中，必须区分每一部件的尺寸位置，不同部件之间的连接关系及连接方式，以及物体表面该如何分割。这一步骤首先通过数据分析步骤获得物体的大体结构模型，再通过人机交互的方法进行精确的分解、尺寸标注、链接定义等。,5.模型信息处理及CAD模型的建立通过以上步骤，已经得到了构成物体的基本部件的逻辑结构及物体的基本几何数据，在此基础上，可以构造物体的三维CAD模型，这个模型是最基本的创新设计模型平台。在此基本平台上，设计人员可交互构造特征线，自动识别产品过渡圆角、尖边等待征；提供多种物体表面（平面及NURBS曲面组成）编辑技术，研究曲面整体变形技术，实现模型的动态修改。,6.标准化部件库的建立为了使构成物体的标推零件不至于无限膨胀，一种创新设计过程是在首先分析所涉及的各类产品结构的基础上，研究产品的基本组成单元，包括它们的形状尺寸，建立标准件库。有了标淮件库以后，产品设计过程就可简化为将已有的物体分解至最小单元，然后用标准部件来替换这些基本单元。为了对设计进行修改，只需要在计算机虚拟环境中对物体进行重新组装，在保证物体功能的前提下，更换一些标准部件。由于不同的部件尺寸可能不同，可以对物体的结构及外形做有限的调整。,7.产品功能模拟为能判断通过以上步骤设计的产品能否满足设计的要求，一种较好的办法是在虚拟装配完成以后，在虚拟环境中对产品的各项功能进行模拟。在这个过程中，可以事先建立产品评价系统，让计算机自动判断产品设计的优劣；或通过交互方式，以设计师的经验，通过观察局部细节，可以判别物体的尺寸大小是否协调，物体的表面是否光顺，以及物体表面的颜色纹理是否满足设计的要求。,8.再设计反求工程的最终目的是设计新的产品，通过以上步骤获取的产品的几何数据及产品的功能、结构知识，基本上再现原有的产品。为了在此基础上创新出新产品，设计人员可以在一个包含产品反求工程及创新设计软件环境中，对原有的模型进行适当的调整修改。这些修改主要包括功能上的、布局上的，以及外形方面的修改。在修改过程中加入设计人员新的设计思想，以完成新的设计方案。生成的产品模型以标准接口同其他通用软件进行信息交换。,设计反求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，去寻求这些信息的科学性、技术性，先进性、经济性、合理性等，并且充分消化和吸收；然后在此基础上，再根据现代设计理论方法，对原产品进行仿造设计、改进设计或创新设计。在设计反求阶段，对原产品进行反求分析的基础上，可进行测绘仿制、开发设计和变异设计，研制出符合市场需求的新产品。,5.3反求工程的原理与方法,反求工程包括设计反求、工艺反求、材料反求、管理反求等多个方面，这是一项十分复杂的技术工程，它涉及到众多的科学技术知识。本节将有关问题进行简要介绍。,5.3.1设计反求,反求对象分析可根据产品设计、加工、使用的寿命周期等方面逐项深入进行。反求设计强调剖析原产品在“求”上狠下功夫，理解原设计的精华；再设计时在改进与创新，力图在较高起点上设计出竞争力更强的创新产品。据资料统计，各国70%以上的技术都来自国外，所以通过反求工程掌握这些技术是十分必要的，因为在反求的基础上进行再设计，起点高，更容易得到创新的产品。,反求设计已成为世界各国发展科学技术、开发新产品的重要设计方法之一。反求设计通常可分为两个阶段：反求对象分析阶段和反求创新设计阶段。反求对象分析阶段：主要是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。,反求创新设计阶段：是在对原产品进行反求分析的基础上，可进行测绘仿制、开发设计和变异设计，研制出符合市场需求的新产品。开发设计就是在分析原有产品的基础上，抓住功能的本质，从原理方案开始进行创新设计；变异设计则是在现有产品的基础上，对参数、机构、结构、材料等进行改进设计，或对产品进行系列化设计。,反求对象分析一般可根据产品设计、加工、使用的寿命周期等方面逐项深入进行，内容包括以下方面：(1)反求对象设计指导思想的分析该思想决定了产品的设计方案，不同时期的产品在设计指导思想方而是不同的。比如在早期人们往往是从完善功能、扩展功能、降低成木方而开发产品。而当今在保证功能的前提下，产品的精美造型、工作生活的舒适性等方而上升为主要矛盾：如计算机键盘、鼠标必须使操作人员手用舒适；汽车座椅能够缓解驾驶员的疲劳等。(2)反求对象功能原理方案分析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，也才有可能在进行反求设计时，得到基于原产品又高于原产品的原理方案，这是反求工程技术的精髓所在。,(3)反求对象材料的分析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、寿命、可靠性等性能指标。材料的分析包括材料成分、材料组织结构和材料的性能检测等几大部分。通过材料分析，来确定材料的牌号及热处理方式。有时需通过材料分析，寻找材料代用品，如用合适的国产材料代替进口材料。,北京理工大学宇航学院,(4)反求对象工艺分析反求设计和反求工艺是相互联系、缺一不可的。分析产品的加工过程和关键工艺十分必要。在此基础上改进工艺方案，或选择合理工艺参数，确定新设计产品的制造工艺方法。通常采用的方法有：反判法编制工艺规程；改进工艺方案，保证原设计的要求；曲线对应法反求工艺参数；局部改进原型结构以适应工艺水平等。,反求设计中应注意的问题，主要如下：(1)探索原产品的设计思想探索原产品设计的指导思想是产品改进设计的前提。如某减速器有两个输入轴，一个用电动机驱动，而另一个则考虑到停电时用柴油机驱动。其设计的指导思想一定是应用在非常重要的场合。奔腾计算机I型的主机电源较大，其设计的指导思想是该机升级时仅更换CPU芯片即可。了解原产品的设计思想后，可按认知规律，提前设计出新一代同类产品。,(2)探索原产品的原理方案设计各种产品都是按一定的要求设计的，而满足一定要求的产品，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。不同的功能目标可引导出不同的原理方案。探索原产品的原理方案设计，可以了解功能目标的确定原则，这对产品的改进设计有极大的帮助。,(3)研究产品的结构设计产品中零、部件的具体结构是产品功能目标的保证，对产品的性能、成本、寿命、可靠性有着极大的影响。(4)对产品的零、部件进行测绘对产品的零、部件进行测绘是反求设计中工作量很大的一部分工作。用现代设计方法对所求的零件进行分析，进而确定反求时的设计方法。(5)对产品的零件公差与配合公差进行分析公差问题的分析是反求设计中的难点之一。通过测量，只能得到零件的加工尺寸，不能获得几何精度的分配。合理设计其几何精度、对提高产品的装配精度和机械性能至关重要。,(6)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、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，选择满足力学性能相化学性能要求的国产材料代用。(7)对产品的工作性能进行分析通过分析产品的运动特性、动力特性及其工作特性，了解产品的设计方法，提出改进措施。(8)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。,分析产品的维护与管理方式，了解重要零部件及易损的零部件，有助于维修、改进设计和创新设计。综上所述，反求设计的基本过程如右图所示。,反求设计的一般过程,(9)对产品的维护与管理进行分析,材料反求分析包括材料成分反求分析、材料组织结构反求分析、材料硬度反求分析等方面。(1)零件材料化学成分的反求分析零件材料的化学成分可以通过以下方法确定：火花鉴别法，根据材料与砂轮磨削后产生的火花判别材料的成分；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；原于发射光谱分析法，通过几至几十毫克的粉末对材料成分进行定量分析；,5.3.2材料反求,红外光谱分析法，多用于橡胶、塑料等非金属材料的成分分析；化学成分分析法，用于定量分析金属材料成分；微探针分析法，材料表面成分的分析方法，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)材料组织结构反求分析材料的组织结构分析包括材料的宏观组织结构分析和微观组织结构分析。可用放大镜观察材料的晶较大小、淬火硬层的分布、缩孔缺陷等宏观组织结构；利用显微镜观察材料的微观组织结构。,(3)材料硬度反求分析材料的硬度分析一般是通过硬度计测定材料的表面硬度，然后根据硬度或表面处理的厚度判别材料的表面处理方法。,所谓工艺反求，就是对于无法一次成形的板料或体积成形产品，必须根据最终的产品形状和不同的成形条件，设计出相应的中间工序件和毛坯形状，由于整个设计过程与成形工艺密切相关，则把这一过程称为工艺反求。许多先进设备的关键技术常常体现在先进的工艺，因此分析产品的加工过程和关键工艺十分必要。在工艺反求分析的基础上，结合企业的实际制造工艺水平，改进工艺方案，或选择合理工艺参数，确定新的产品制造工艺方法。,5.3.3工艺反求,5.4创造性设计法,创造性方法是工程技术设计方法的重要组成部分，它贯穿于工程技术设计的全过程之中。随着现代科技发展速度加快以及市场竞争日益激烈，在工程技术设计和产品生产中，大力倡导并推广创造性方法，显得尤为重要。它是提高产品设计水平，增加产品竞争能力的根本措施和手段。,5.4.1创造力开发和创造过程,1.创造力的开发设计是一种创造性活动，这种创造性活动的效果很重要的部分是取决于设计人员的创造力（即科技人员的创造发明的能力）。因此，开发工程技术人员的创造力，对于提高产品设计的水平和质量，具有决定性意义。,工程技术人员的创造力是多种能力、个性和心理特征的综合表现。它包括观察能力、记忆能力、想象能力、思维能力、表达能力、自我控制能力、文化素质、理想信念、意志性格、兴趣爱好等因素。其中想象能力和思维能力是创造力的核心，是将观察、记忆所得信息有控制地进行加工变换，创造表达出新成果的整个创造活动的中心。这些能力和素质，经过学习和锻炼，都是可以改善和提高的。,认识了创造力的构成，工程技术人员就应该自觉地开发自己的创造力。首先要破除神秘感，认识到创造发明不只是某些天才或专家的事，每个正常人都有一定的创造力，积极进行创造实践，必能不断提高自己的创造力。其次，要树立创新意识，保持创新热情。有了正确的思想基础，加强创新思维的锻炼，掌握必要的创新技法，必能产生创新成果。,2.创造过程,创造作为一种活动过程，一般要经过如下几个阶段：(1)准备阶段，是指提出问题，明确创新目标，搜集资料，进行定向科学分析的过程。(2)创造阶段，是指构思、顿悟和发现等的过程。(3)整理结果阶段，是指验证、评价和公布等的过程。,北京理工大学宇航学院,上述三个阶段是创造过程的一般进程。美国“新产品和过程发展组织与管理协会”顾问G.Freedman则提出可把发明创造过程归纳为如下七个步骤：(1)意念（发明创造始于意念）；(2)概念报告（包括意念之间的联系及制约关系和把意念转变成实际方案的途径）；(3)可行模型（对概念是否可以实现的进行验证的一步骤）;(4)工程模型（展示概念能否实现其功能的一个重要步骤）；(5)可见模型（从工程模型演变成可见模型的阶段）；,(6)样品原型（样品原型不是由发明创造者在试验室制造的，而是由车间制造的）；(7)小批生产（在生产线上把创造发明实现）。上面这七个步骤总结了一个发明创造过程的程序。应当指出，在计算机模拟技术发展的今天，上述过程中的模型制作工作可以用计算机模拟方式来取代，这将大大缩短整个创造发明的周期。,5.4.2创造性思维及其特点和类型,1.创造性思维的特点,工程及产品设计离不开创造性思维活动。无论从狭义的还是广义的设计角度讲，设计的内涵是创造，设计思维的内涵是创造性思维。人们碰到问题，不依靠已掌握的知识经验去解决，而是将头脑中的各种信息，在新的甚至是突然的启发下，重新综合集成，形成新联系，加以解决。这种思维是与常规思维不同的创造性思维。创造性思维是整个创造活动中体现出来的思维方式。,创造性思维是多种思维类型的综合。它具有如下特点：,(1)独创性创造性思维所要解决的问题是不能用常规的、传统的方式解决的问题。它要求重新组织观念，以便产生某种至少以前在思维者头脑中不存在的、新颖的、独特的思维。这就是它的独创性。它敢于对司空见惯或认为完美无缺的事物提出怀疑，敢于向旧的传统和习惯挑战，敢于否定自己思想上的“框框”，从新的角度分析问题，寻求更合理的解法。,例如，50年代在研制晶体管原料时，人们发现锗是一种比较理想的材料，但需要提炼得很纯才能满足要求。各国科学家在锗的提纯工艺方面做了很多探索，都未获成功。而日本的江崎和黑田百合子对锗多次提纯失败之后，敢于采用了与别人完全不同方法，他们有计划地在锗中加入少量杂质，并观察其变化，最后发现当锗的纯度降为原来的一半时，形成一种性能优异的电晶体。此项成果轰动世界，获得诺贝尔奖。,(2)推理性推理性是创造性思维的特点之一，它能引导人们由已知探索未知，开阔思路。推理性通常表现为三种形式：纵向、横向和逆向推理。纵向推理针对某现象或问题，立即进行纵深思考，探寻其本质而得到新的启示。横向推理则通过某一现象联想到特点与它相似或相关的事物，从而得到该现象的新应用。例如，摩擦焊接的发明者看到这样一个事实：车床突然停电，促使车刀粘焊在工件上，使工件报废，分析原因是车刀与工件摩擦产生高温所至。由此引发了摩擦焊的发明。逆向推理则是针对现象、问题或解法，分析其相反的方面进行逆推，从另一角度探寻新的途径。,(3)多向性创造性思维要求向多种方向发展，寻求新的思路。它可以指从一点向多个方向的扩展，提出多种设想、多种答案。它也可以指从不同角度对一个问题进行思考、求解。例如，过河问题的解决可以通过桥、船、游泳、等多种方式，这就是对过河问题的多向考虑。,(4)跨越性在创造性思维中常常出现一种突如其来的领悟或理解。它往往表现为思维逻辑的中断，出现思想的飞跃，突然闪现出一种新设想、新观念，使对问题的思考突破原有的框架，从而解决了问题。如门捷列夫就是在快要上车去外地出差时，头脑中突然闪现了未来元素体系的思想；凯库勒是在睡意朦胧中梦见苯分子的碳链像一条长龙首尾相接，翩跹起舞，突然悟出了其基本分子结构。创造性思维的这一特点，从思维进程来说，它表现为省略思维步骤，加大思维的“前进跨度”，从思维条件的角度讲，它表现为能跨越事物“可现度”的限制，这就是它的跨越性。,(5)综合性创造性思维也是一种综合思维。它既善于选取前人智慧宝库中的精华，通过巧妙结合，形成新的成果；又能善于把大量概念、事实和观察材料综合在一起，加以概括整理，形成科学概念和系统；还能对占有的材料进行深入分析，把握它们的个性特点，然后从这些特点中概括出事物的规律。创造性思维综合性的典型的范例，就是美国阿波罗登月飞船工程的创造。美国阿波罗登月飞船是人类历史上最伟大的发明创造之一，它使人类第一次实现登上月球。,登月飞船是由700万个零件组成，2万家工厂承担生产制造任务，有42万名科学家和工程技术人员参与研制工作，历时11年之久，耗资244亿美元。这样一个复杂系统是人类智慧综合的产物。把已有的东西加以新的综合，无疑是一种杰出的创造。,2.创造性思维的几种形式,创造性思维常见的几种形式是：抽象思维与形象思维；直觉思维与灵感思维；发散思维与收敛思维等。,（1）抽象思维与形象思维抽象思维，亦称逻辑思维。它是以抽象的概念和推论为形式的思维方式，是认识过程中用反映事物共同属性和本质属性的概念作为基本思维形式，在概念的基础上进行判断、推理，反映现实的一种思维方式，使认识由感性个别到理性一般再到理性个别。,形象思维属于非逻辑思维，是运用过去感知过的事物的映象进行分析、综合、抽象、概括的过程，它以直观形象作为再思维的目标及基础。形象思维在每个人的思维活动和人类所有实践活动中，均广泛存在，具有其普遍性。许多设计、许多科学的发明创造，往往是从对形象的观察、思维中受到启发而产生的，有时还会取得抽象思维难以取得的成果。,在创造活动中，形象思维和抽象思维相互联系，相互渗透。例如，法拉第观察到把铁屑撒在磁铁周围时，铁屑呈有规则的曲线，从一个磁极到另一个磁极。经过分析、综合、抽象、概括之后，他把这种曲线称之为“力线”，并确信它不只是几何的，同时具有物理性质，导线切割磁力线时其感应电流大小取决于被切割的磁力线数的现象就是证明。又通过运用概念、判断、推理过程，他又以高度的想象力论证了电荷和磁极周围的空间存满了向各个方向散发出去的“力线”，从而进一步提出了“场”的概念。法拉第的“力线”和“场”的概念是他对电磁理论的最重要贡献。这一贡献是抽象思维与形象思维对立统一的产物。,（2）直觉思维与灵感思维直觉是人类一种独特的“智慧视力”，是能动地了解事物对象的思维闪念。直觉思维能以少量的本质性现象为媒介，直接把握事物的本质与规律；也是一种不加论证的判断力，是思想的自由创造。灵感是人们借助直觉启示而对问题得到突如其来的领悟或理解的一种思维形式。,灵感是一个突然内现、瞬息即逝的短暂思维过程，是一种把隐蔽在潜意识中的事物信息，在需要解决某一问题时，其信息就以适当的形式突然表现出来的创造能力。它是创造性思维的最重要的形式之一。直觉与灵感思维的基础仍是人们已经获得的知识和经验，并且常在思想高度集中、苦苦思索时产生，它的结果常常非常新颖，并且具有突发性。爱因斯坦说：“我相信直觉和灵感”。他的关于狭义相对论的著名论文，便是在抓住意识到同时性的相对性这一“灵感的闪光”后很快完成的。,（3）发散思维与收敛思维发散思维又称辐射思维或求异思维。它是指思维者不受现有知识和传统观念的局限与束缚，沿着不同方向多角度、多层次地去思考、去探索问题的各种可能答案的一种思维方式。发散思维是创造性思维的一种主要形式。它在技术创新和产品开发中具有特别重要的意义。在技术原理的开发方面，运用发散思维可以多侧面、多角度、多领域、多场合地对同一技术原理的应用途径进行设想。,著名创造学家吉尔福特说：“正是在发散思维中，我们看到了创造性思维的最明显的标志”。收敛思维亦称集中思维、求同思维或定向思维。它是以某一思考对象为中心，从不同角度、不同方面将思路指向该对象，以寻找解决问题的最佳答案的思维方式。在设想的实现阶段，这种思维形式常占主导地位。在创造性思维过程中，发散思维与收敛思维是相反相成的。只有把两者很好结合使用，才能获得创造性成果。,5.4.3创造技法,1.智暴法,智暴法是一种集体创造性思考法。它是针对一个设计问题，召集510人到一起讨论，要求与会者敞开思想、畅所欲言，充分发表意见，提出创造性见解，提出解决设计问题的方案。智暴法的中心思想是激发每个人的直觉、灵感、想象力，让大家在和睦、融洽的气氛中自由思考，不论什么思想都可以原原本本讲出来，最后集中多人的智慧在这众多的见解中综合出较好的设计方案。这种方法适合求解产品设计原理方案。,2.提问法,提问法可围绕老产品有针对性地系统地提出各种问题，通过提问发现原产品设计、制造、营销等环节中的不足之处，找出需要和应该改进之点，从而开发出新产品。常用的提问法有：5W2H法奥斯本设问法等,1）5W2H法针对需要解决的问题，提出以下七方面的疑问，从中启发创新构思。这七个方面的疑问，用英文字表示时，其首为W或H，故归纳为5W2H。（1）Why：为什么要设计该产品？采用何种总体布局？（2）What：该产品有何功能？有哪些方法用于这种设计？是否需要创新？（3）Who：该产品用户是谁？谁来设计？（4）When：什么时候完成该设计？各阶段时间怎么划分？（5）Where：该产品用于何处？在何地生产？（6）Howtodo：怎么设计？结构、材料、形态如何？（7）Howmuch：生产多少？