机械创新设计第八章

第八章反求工程与创新设计

第一节反求工程概述

把别的国家的科技成果加以引进，消化吸收，改进提高，再进行创新设计，进而发展自己的新技术，是发展民族经济的捷径。称这一过程为反求工程（或逆向工程）。

在20世纪中后期，世界各国基于引进技术的为反求工程的应用已非常广泛，总结了许多应用反求工程进行技术创新的经验，其中以日本的技术引进与创新最为突出。在二战结束后，日本在经济上落后二、三十年。为恢复和振兴经济，日本在20世纪60年代提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”于是日本在消化、吸收引进技术的基础上，采用移植、组合、改进等方法开发出许多创新产品，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。美国人发明的晶体管技术原来仅用于军事领域。但日本S0NY公司买回晶体管专利技术后，进行反求研究，移植于民用领域，开发出晶体管收音机，占领国际市场。

日本东洋工业公司1961年从西德引进了一种旋转活塞发动机，经过运转实验后，发现活塞表面容易产生振纹失效，于是由此研究发明出理想的润滑耐磨材料、密封材料及非破坏检验法（ＮＤＩ）克服了振纹。此后，日本的旋转活塞发动机质量超过西德，并畅销全球。

日本战后的“吸收性战略”获得了巨大的成功，1945~1970年，日本用60亿美元引进先进技术，并投资150亿美元进行消化吸收，取得约26000项技术成果。成功的技术引进使日本节省了约9/10的研究费用，节省了2/3的研究时间。反求工程的基于引进技术的反求工程一般要经历以下过程：（1）引进技术的应用过程学会引进产品或生产设备的技术操作和维修，做到“知其然”。（2）引进技术的消化过程对引进产品或生产设备的设计原理、结构、材料、制造工艺、管理方法等项内容进行深入的分析研究，做到“知其所以然”。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很好的基础。（3）引进技术的创新过程在上述基础上，消化、综合引进的技术，采众家之长，进行创新设计，这一过程是反求工程最重要的环节，也是利用反求工程进行创新设计的最后结果阶段。反求设计的过程就是从认识产品到再现产品，进而再创新性的开发产品的过程，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

反求设计中应注意的问题（1）探索原产品的设计思想是产品改进设计的前提。（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出不同的原理方案（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（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。（6）对产品中零件的材料进行分析（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）对产品的造型进行分析（9）对产品的维护与管理进行分析反求工程与科学技术的发展

在当今世界上，只有科学技术才能兴国。由于各国科学技术发展的不平衡，经济发展速度的差距很大。引进发达国家的先进技术为已用，是发展本国经济的最佳途径。

我国是一个发展中的国家，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安全没有必要的。这不仅浪费资金，也拖延发展经济的时间。而且涉及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面积的科技研究。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，仿造或创新设计更新的产品，是发展中国家发展国民经济的必由之路。

反求设计是创新的重要方法

一般情况下，有两种创新方式。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、音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。

由于已存在真实的东西，人的设计方式是从形象思维开始的，用抽象思维去思考。这种思维方式符合大部分人所习惯的形象—抽象—形象的思维方式。由于对实物有了进一步的了解，并以此为参考，发扬其优点，克服其缺点，再凭借基本知识、思维、洞察力、灵感与丰富的经验，为创新设计提供了良好的环境。反求设计与知识产权在从事反求设计时，一定要懂知识产权，不要侵害别人的专利权、著作仅、商标权等受保护的知识产权。同时也要注意保护自己所创新部分的知识产权。一定要处理好引入技术与反求设计的知识产权关系。第二节已知机械设备的反求与创新设计

因存在具体的机器实物，又称实物的反求设计。硬件的反求设计，是反求工程中最常用的设计方法。一、机械设备反求设计的种类与特点1．机械设备反求设计的种类（1）整机的反求如一台发动机、一台机车（2）部件反求如机床中的主轴箱、后桥、液力变矩器飞机的起落架等，一般是关键部件（3）零件反求如凸轮轴、后桥中的圆锥齿轮2．机械设备反求设计的特点（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，以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试与分析，以获得重要的尺寸设计资料。（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过程反求设计分为两个阶段：反求阶段再设计阶段反求阶段：通过对原有产品的剖析，知其所以然。吸取其技术精华、关键技术，达到为我所用。分析原有产品的技术矛盾，为改进或创新提出方向。再设计阶段：进行二次设计，开发出同类型的创新产品机械设备反求设计一般要经历如图所示的流程。三、、零零、、部部件件的的测测绘绘与与分分析析在进进行行测测绘绘之之前前，，应应备备齐齐、、读读懂懂有有关关资资料料，，为为反反求求设设计计作作前前期期准准备备工工作作。。曲柄柄摇摇杆杆机机构构——完完成成驴驴头头的的往往复复摆摆动动，，实实现现抽抽油油的的目目的的。。减速速箱箱实实现现减减速速的的目目的的带传传动动起起减减速速和和过过载载保保护护的的作作用用。。驴头头做做成成圆圆弧弧状状，，是是保保证证井井绳绳的的直直线线运运动动在进进行行零零、、部部件件的的测测绘绘之之前前，，首首先先要要明明确确待待反反求求设设备备中中各各零零、、部件件的的功功能能。。如如图图所所示示的的抽抽油油机机进进行行反反求求设设计计。。1．．机机械械设设备备的的分分解解原原则则1））遵遵循循““能能恢恢复复原原机机””的的原原则则进进行行拆拆机机。。2））分分解解的的零零、、部部件件按按机机器器的的组组成成进进行行编编号号，，并并有有专专人人保保管管。。3））拆拆后后不不易易复复位位的的零零件件（（如如游游标标、、度度盘盘等等部部件件））、、过过盈盈配配合合的的零零件件或或有有些些特特殊殊的的组组件件可可不不进进行行分分解解。。4））分分解解过过程程中中要要有有分分解解记记录录，，尤尤其其是是那那些些难难拆拆的的和和有有装装拆拆技技巧巧的的零零件件的的分分解解过过程程要要记记下下。。2．．测测绘绘的的一一般般方方法法被测测零零件件的的形形状状千千差差万万别别，，但但按按其其在在机机械械中中所所起起的的作作用用可可分分为为联联接接、、紧紧固固零零件件、、传传动动零零件件、、密密封封件件和和箱箱壳壳类类零零件件等等。。在在测测绘绘时时要要标标明明是是否否为为标标准准件件。。测绘绘之之前前，，要要对对样样机机进进行行分分解解，，以以便便测测量量测绘绘时时要要基基本本按按比比例例画画出出零零件件草草图图，，然然后后标标注注测测量量尺尺寸寸。。在在进进行行尺尺寸寸测测量量时时要要注注意意以以下下问问题题：：1））选选择择测测量量基基准准。。机机械械零零件件有有两两种种尺尺寸寸。。表示示零零件件基基本本形形体体相相对对位位置置的的定定位位尺尺寸寸表示示零零件件基基本本形形体体大大小小的的形形状状尺尺寸寸定位位尺尺寸寸确确定定后后才才能能确确定定形形体体尺尺寸寸。。尺寸寸基基准准一一般般为为底面面端面面中心心线线轴线线对称称面面2））关关键键零零件件的的尺尺寸寸要要进进行行多多次次测测量量，，取取其其平平均均值值为为测测量量尺尺寸寸。。3））对对配配合合尺尺寸寸、、定定位位尺尺寸寸等等功功能能性性尺尺寸寸要要测测量量到到小小数数点点后后三三位位数数字字，，没没有有公公差差的的非非功功能能性性尺尺寸寸，，仅仅测测量量到到小小数数点点后后一一位位数数字字即即可可。。4））测测量量具具有有复复杂杂形形面面的的零零件件时时（（如如汽汽轮轮机机叶叶片片、、凸凸轮轮廓廓线线等等）），，要要边边测测量量、、边边画画放放大大图图，，以以检检查查测测量量中中出出现现的的问问题题，，及及时时修修正正测测量量结结果果。。5））有有些些不不能能直直接接测测量量到到的的尺尺寸寸，，要要根根据据产产品品性性能能、、技技术术要要求求、、工工作作范范围围等等条条件件，，通通过过分分析析计计算算求求出出来来。。从实实测测尺尺寸寸推推论论出出原原设设计计尺尺寸寸：：设设所所测测零零件件尺尺寸寸均均为为合合格格尺尺寸寸实测测值值一一定定是是图图样样上上规规定定的的公公差差范范围围内内的的某某一一数数值值，，即即实测测值值=基基本本尺尺寸寸±±制制造造误误差差±±测测量量误误差差又根根据据概概率率统统计计原原理理，，零零件件尺尺寸寸的的制制造造误误差差与与测测量量误误差差的的概概率率分分布布服服从从正正态态分分布布规规律律，，尺尺寸寸误误差差位位于于公公差差中中值值的的概概率率最最大大。3．．实实测测尺尺寸寸数数据据的的处处理理制造造误误差差与与测测量量误误差差之之和和应应小小于于或或等等于于给给定定的的公公差差，，实实测测值值应应在在最最大大极极限限尺尺寸寸和和最最小小极极限限尺尺寸寸之之间间。。对于于一一些些重重要要的的配配合合尺尺寸寸，，还还要要把把实实测测尺尺寸寸分分解解为为基基本本尺尺寸寸和和公公差差值值。。在在确确定定基基本本尺尺寸寸时时，，首首先先判判别别是是基基孔孔制制配配合合还还是是基基轴轴制制配配合合，，基基孔孔制制配配合合的的孔孔的的上上偏偏差差为为正正值值。。下下偏偏差差为为零零，，基基轴轴制制配配合合的的轴轴的的上上偏偏差差为为零零。。下下偏偏差差为为负负值值。。假如如实实测测尺尺寸寸为为基基本本尺尺寸寸与与公公差差中中值值之之和和，，则则孔孔或或轴轴的的基基本本尺尺寸寸应应满满足足下下面面不不等等式式：：在处处理理基基本本尺尺寸寸小小数数点点后后面面两两位位的的尾尾数数时时，，可可按按国国际际数数字字修修约约规规则则““四四舍舍六六入入五五单单双双””的的原原则则处处理理尾尾数数。。逢逢四四则则舍舍，，逢逢六六则则进进，，遇遇五五以以保保证证偶偶数数的的原原则则决决定定舍舍进进。。例有有一实实测尺尺寸为为73.52mm，，采用用基孔孔制。。问：：基本本尺寸寸为多多少？？基孔制制：孔的基基本尺尺寸<孔的的实测测尺寸寸轴的基基本尺尺寸<孔的的实测测尺寸寸孔的实实测值值-基基本尺尺寸≤≤1/2孔孔公差差（IT11级级）基轴制制：轴的基基本尺尺寸>轴的的实测测尺寸寸孔的基基本尺尺寸>轴的的实测测尺寸寸基本尺尺寸-轴的的实测测值≤≤1/2轴轴公差差（IT11级级）根据““四舍舍六入入五单单双””的原原则，，取基基本尺尺寸为为73.5mm。由由不等等式，，可有有73.5<73.5273.52-73.5=0.02<1/2孔公公差（（IT11的孔孔公差差为0.11mm））1/2孔公公差=1/2××0.11=0.055这说明明将其其圆整整到73.5是是正确确的。。四、公公差的的反求求设计计与创创新反求设设计中中，因因为零零件的的公差差是不不可能能测量量的。。尺寸寸公差差只能能通过过反求求设计计来解解决。。1．配合合公差的的反求设设计实测值是是知道的的，基本本尺寸可可以计算算出来，，由二者者的差值值查阅公公差表。。选择配配合精度度，按二二者差值值小于或或等于所所对应公公差的一一半的原原则，最最后决定定出公差差的精度度等级和和对应的的公差值值。基孔制：：孔的的实测值值-基本本尺寸≤≤1/2孔公差差（IT11级级）基轴制：：基本本尺寸-轴的实实测值≤≤1/2轴公差差（IT11级级）对样机的的实测结结果选择择形位公公差时，，要注意意以下原原则：1）确定定同一要要素上的的形位公公差时，，形状公公差值应应小于位位置公差差值。要要分清二二者的关关系。如如要求两两平面平平行时，，其平面面度公差差值要小小于平行行度公差差值。2）圆柱柱类零件件的形状状公差值值在一般般情况下下应小于于其尺寸寸公差值值。3）形位位公差值值与尺寸寸公差值值相适应应。4）形位位公差值值与表面面粗糙度度相适应应。粗糙糙度很大大，一般般无形位位公差要要求。5）选择择形位公公差时，，要考虑虑到加工工方法。。2．形位位公差的的反求设设计3．表面面粗糙度度的确定定机械零件件的表面面粗糙度度可用粗粗糙度仪仪较准确确地测量量出来，，再根据据零件的的功能、、实测值值、加工工方法，，参照国国家标准准，选择择出合理理的表面面粗糙度度。五、机械械零件材材料的反反求设计计与创新新1．材料料的成分分分析1）火花花鉴别法法2）音质质判别法法3）原子子发射光光谱分析析法4）红外外光谱分分析法该该方方法多用用于橡胶胶、塑料料等非金金属材料料的成分分分析。。5）化学学成分分分析法该该方方法是金金属材料料的常用用定量分分析法。。6）微探探针分析析法利利用电电子探针针、离子子探针等等仪器对对材料的的表面进进行定性性分析或或定量分分析。2．材料料的组织织结构分分析材料的组组织结构构分析是是指材料料的宏观观组织结结构和微微观组织织结构。。宏观组组织结构构分析时时，可用用放大镜镜观察材材料的晶晶粒大小小、淬火火硬层的的分布、、缩孔的的缺陷等等情况。。利用显显微镜可可观察材材料的微微观组织织结构。。3．材料料的工艺艺分析材料的工工艺分析析是指材材料的成成形方法法。铸造造、锻压压、挤压压、烧结结、焊接接、机加加工以及及热处理理等是最最常见的的工艺。。反求时时，可酌酌情处理理。4．材料料的硬度度分析可通过硬硬度计测测定材料料的表面面硬度，，并根据据硬度或或表面处处理的厚厚度判别别材料的的表面处处理方法法。硬化化层约为为0.15~0.3mm。高高频淬火火。硬化化层约为为0.2~1.5mm。渗碳碳淬火硬硬化层约约为0.8~1.5mm。碳碳氮共渗渗硬化层层约为0.5~0.8mm。。详细情情况可查查阅有关关手册。。通过对材材料的分分析，结结合我国国国产材材料的具具体性能能，选择择合适的的代用品品。例：对进进口汽车车发动机机活塞销销的材料料与工艺艺进行反反求图8-5a所示示的活塞塞销材料料为20Cr。。其内外外孔表面面均进行行了渗碳碳淬火，，外表面面的渗碳碳层厚为为0.8mm，，硬度为为60HRC。。内表面面的渗碳碳层厚为为0.3mm。。活塞销销的内表表面无机机加工痕痕迹，说说明该活活塞销是是冷挤压压成形的的。活塞塞销的内内表面中中部有环环状痕迹迹，说明明是由上上下两个个冲头同同时挤压压成形的的。图8-5b所示为为挤压加加工活塞塞销示意意图。该活塞的的加工艺艺过程如如下：冷挤压成成型—渗渗碳—淬淬火—低低温回火火—磨削削加工——成品六、关键键零件的的反求设设计与创创新任何机器器中都会会有一些些关键零零件，是是生产商商要控制制的技术术。这些些零件是是反求的的重点，，也是难难点、高高速机械械中的轴轴承、重重型减速速器中的的齿轮等等都是反反求设计计中的关关键零件件。七、机构构系统的的反求与与创新根据工作作要求设设计出机机构系统统的简图图，然后后选择材材料，根根据强度度、刚度度、制造造工艺等等要求进进行结构构设计，，画出总总装图、、零件图图，这一一过程为为正设计计，而根根据已有有的设备备，画出出其机构构系统的的运动简简图，对对其进行行运动分分析、动动力分析析及性能能分析，，并根据据分析结结果改进进机构系系统的运运动简图图，称之之为反设设计，机机构系统统的反求求是反求求设计中中的重要要创新手手段。一般情况况下，产产品的反反求设计计策略有有：1）功能能不变，，降低成成本。2）增加加功能，，降低成成本。3）增加加功能，，成本不不变。4）减少少功能，，降低更更多的成成本。5）增加加功能，，增加成成本。以油田抽抽油机为为例说明明机构系系统的反反求设计计。如图图为为20世世纪纪50年年代代前前苏苏联联的的油油田田抽抽油油机机机机构构运运动动简简图图。。图示示为为受受力力分分析析示示意意图图。。既既然然连连杆杆在在一一个个运运动动循循环环中中都都受受拉拉力力，，如如果果用用柔柔性性构构件件代代替替原原来来的的刚刚性性构构件件，，取取消消油油梁梁和和驴驴头头，，则则可可创创新新设设计计出出图图8-7所所示示的的采采用用绳绳索索滑滑轮轮式式的的无无游游梁梁抽抽油油机机机机构构简简图图。。美国国Jerden公公司司创创新新设设计计出出的的低低矮矮型型抽抽油油机机即即属属这这一一类类型型。。无无游游梁梁式式抽抽油油机机具具有有结结构构简简单单、、重重量量轻轻、、成成本本低低、、调调节节冲冲程程方方便便等等优优点点。。图示示为为无无游游梁梁式式抽抽油油机机机机构构简简图图，，图图8-8为为其其结结构构简简图图。。第三三节节已已知知技技术术资资料料的的反反求求与与创创新新设设计计常把把引引进进的的机机械械设设备备等等实实物物叫叫作作硬硬件件引引进进，，与与产产品品生生产产有有关关的的技技术术图图样样、、产产品品样样本本、、专专利利文文献献、、影影视视图图片片、、设设计计说说明明书书、、操操作作说说明明书书、、操操作作说说明明、、维维修修手手册册等等技技术术文文件件的的引引进进称称为为软软件件引引进进。。一、、技技术术资资料料反反求求设设计计的的特特点点技术术资资料料反反求求设设计计的的特特点点。。（1））技技术术资资料料反反求求设设计计的的抽抽象象性性引引进进的的技技术术资资料料不不是是实实物物，，可可见见性性差差，，不不如如实实物物形形象象直直观观。。因因此此，，技技术术资资料料反反求求设设计计的的过过程程是是一一个个处处理理抽抽象象信信息息的的过过程程。。（2））技技术术资资料料反反求求设设计计的的智智力力性性按按技技术术资资料料反反求求设设计计的的过过程程是是用用逻逻辑辑思思维维分分析析技技术术资资料料，，最最后后返返回回到到设设计计出出新新产产品品的的形形象象思思维维。。具具有有高高度度的的智智力力性性。。（3））技技术术资资料料反反求求设设计计的的科科学学性性从从技技术术资资料料的的各各种种信信息息载载体体中中提提取取信信号号，，经经过过科科学学的的分分析析和和反反求求，，去去仿仿存存真真，，由由低低级级到到高高级级。。逐逐步步破破译译出出反反求求对对象象的的技技术术秘秘密密，，从从而而得得到到接接近近客客观观的的真真值值。。（4））要要综综合合运运用用相相似似理理论论、、优优化化理理论论、、模模糊糊理理论论、、决决策策理理论论、、预预测测理理论论、、计计算算机机技技术术等等多多学学科科的的知知识识。。（5））技技术术资资料料反反求求设设计计的的创创造造性性本本身身就就是是一一种种创创造造、、创创新新的的过过程程二、、技技术术资资料料反反求求设设计计的的一一般般过过程程1））论论证证对对引引进进技技术术资资料料进进行行反反求求设设计计的的必必要要性性。。2））根根据据引引进进技技术术资资料料，，论论证证进进行行反反求求设设计计成成功功的的可可能能性性。。3））分分析析原原理理方方案案的的可可行行性性、、技技术术条条件件的的合合理理性性。。4））分分析析零零、、部部件件设设计计的的正正确确性性、、可可加加工工性性。。5））分分析析整整机机的的操操作作、、维维修修是是否否安安全全与与方方便便。。6））分分析析整整机机综综合合性性能能的的优优劣劣。。以下下介介绍绍几几种种常常用用的的软软件件反反求求设设计计方方法法。。三、、图图片片资资料料的的反反求求设设计计（1））图图片片资资料料反反求求设设计计的的关关键键技技术术对对图图片片等等资资料料进进行行分分析析是是最最主主要要的的关关键键技技术术：：主主要要有有透透视视变变换换原原理理与与技技术术、、透透视视投投影影原原理理与与技技术术、、阴阴影影、、色色彩彩与与三三维维信信息息等等技技术术。。（2））图片片资料料反求求设计计的步步骤1）收收集影影像资资料。。2）根根据影影像资资料进进行原原理方方案分分析，，结构构分析析。3）原原理方方案的的反求求设计计与评评估。。4）技技术设设计的的反求求设计计。5）技技术性性能与与经济济性的的评估估。图8-9为为拉丝丝模抛抛光机机外形形的透透视图图和分分解后后的透透视图图。传传动形形式如如图8-10所所示。。专利产产品具具有新新颖性性、实实用性性，对对专利利进行行深入入的分分析研研究。。实行行反求求设计计，已已成为为人们们开发发新产产品的的一条条途径径。专利技技术含含说明明书摘摘要（（应用用场合合、技技术特特性、、经济济性、、构成成等））、说说明书书（主主要是是专利利产品品的组组成原原理））、权权利要要求书书（说说明要要保护护的内内容））以