机械创新设计 课件 第5-7章 机械结构的创新设计、反求工程与创新设计、TRIZ理论与创新设计

1第五章机械结构的创新设计2第一章

创新概论第二章创新思维与创造原理第三章原理方案的创新设计第四章机构的创新设计第五章机械结构的创新设计第六章反求工程及创新设计第七章TRIZ理论与创新设计第八章仿生原理与创新设计第九章机械创新设计实例第五章机械结构的创新设计第一节机械结构设计概述

结构设计的工作质量对于满足产品的功能要求，保证产品质量和可靠性，降低产品成本具有十分重要的作用。机构设计、机构的演化与变异设计、机构的组合设计等设计成果要变成产品，还必须经过机械的结构设计，才能转换为供加工用的图样。所以机械结构设计的过程也充满着创新。根据机构由运动副、构件、机架等组成的特点，进行结构设计时，在满足强度、刚度的基础上，各类运动副的形状与结构、构件的形状与结构、机架的形状与结构对产品的性能、成本等有重要意义。3

机械的创新过程一般都要经历功能机构结构的思维过程。机械结构设计就是将原理方案设计结构化，即把机构系统转化为机械实体系统。一方面，原理方案及其创新需要通过结构设计得以实现；另一方面，结构设计不但使零部件的形状和尺寸满足原理方案设计的要求，还必须解决与零部件结构有关的力学、工艺、材料、装配、使用、美观、成本、安全和环保等一系列问题。因此，结构设计过程中具有巨大的创新空间。结构设计质量和创新水平的高低，对机械创新的成败起着十分关键的作用。

4在机械结构设计中，要充分考虑以下各方面的基本要求：

1.功能要求机械结构设计就是将原理方案设计具体化，即构造一个能够满足功能要求的三维实体的零部件装配关系。各种零部件的结构功能主要有承受载荷、传递运动和动力、以及保证或保持有关零部件之间的相对位置或运动轨迹关系等。功能要求是结构设计的主要依据和必须满足的要求。

2.使用要求对于承受载荷的零件，为保证零件在规定的使用期限内正常地实现其功能，在结构设计中应使零部件的结构受力合理，降低应力，减少变形，节省材料，以利于提高零件的强度、刚度和延长使用寿命。5

3.结构工艺性要求组成机器的零部件要能最经济地制造和装配，应具有良好的结构工艺性。机器的成本主要取决于材料和制造费用，因此工艺性与经济性是密切相关的。

通常应从以下几个方面考虑：

应使零件形状简单合理。

适应生产条件和规模。

合理选用毛坯类型。

便于切削加工。

便于装配和拆卸。

易于维护和修理。

人机学要求。6

机械结构设计的特点

(1)实践性实践性是机械结构设计创新的源泉与归宿。只有通过实践，创新的思想才能转化为现实，人的创新意识和能力才能得到培养。保证销钉容易装拆错误结构改进结构7轴毂联接的结构较差结构改进结构8考虑节料的冲压件结构较差结构改进结构9锻件改为铸锻焊结构较差结构改进结构10(2)细节性机械结构设计是一种细节性设计。细节的差别能导致整个产品的技术、经济性能的显著差异。结构细节决定产品质量的高低。工程实际中，绝大多数机械故障、质量问题，不是因为工作原理，而是错误的或不合理的结构细节所致。结构上的细节缺陷可能导致整个零件难以甚至无法制造和实现其功能。11注意减小加工面较差结构改进结构12避免较大的内应力结构较差结构改进结构13凸缘结构较差结构改进结构14螺纹孔结构较差结构改进结构15(3)多样性通过改变零件结构本身的形态—形状、位置、数目、尺寸、零件的材料、零件间的联接方式、运动方式等等。得到一个尽可能大的结构设计方案解空间，是进行机械结构创新设计中的一个不可缺少的环节，是进行机械结构创新设计和优化设计的重要前提。16滚动导轨的结构形式三角形滚动导轨矩形滚动导轨17十字交叉滚动导轨滚动导轨的结构形式18第二节机械结构创新设计

一、结构创新的变性原理

一个对象的属性是多种多样的，将一个对象的属性作若干改变，会导致许多的设计。在机械结构设计方法中，“变元法”是运用变性原理和组合原理产生的一种结构创新设计方法。变元是指机械结构可改变的基本元素，包括零部件的数量、几何形状、零部件的位置、零件之间的联接、零件的材料、零件的制造工艺等。变元法是对机械结构变元进行变化组合的一种机械结构设计方法，它可以为设计者构造一个大的机械结构设计解空间。19

1.数量变元通过改变产品结构中的基本元素，例如线、面、零部件的数量，以实现产品的结构创新设计。螺钉头作用面数量变元20便于方位识别的结构212.形状变元改变结构零件的轮廓、表面和整体形状以及改变零件的类型和规格得到不同的创新结构方案。零件形状变元22轮齿载荷分布正常齿桶形齿23用面接触代替点、线接触24用面接触代替点、线接触25增大接触处的综合曲率半径26平缓弯曲结构273.材料变元零件选用不同的工程材料往往导致该零件的尺寸结构随之改变，因而加工工艺也发生变化，从而影响整个产品的结构。因此通过材料变元可以构造出不同的结构方案。零件材料变元284.位置变元通过改变产品结构中基本元素之间的布置位置，创造不同的结构设计方案。圆锥齿轮变速器的结构设计方案294.位置变元通过改变产品结构中基本元素之间的布置位置，创造不同的结构设计方案。圆锥齿轮变速器的结构设计方案304.位置变元通过改变产品结构中基本元素之间的布置位置，创造不同的结构设计方案。圆锥齿轮变速器的结构设计方案31不同板厚零件间的焊缝32不同板厚零件间的焊缝33面积较大的薄壁结构不利于浇铸的结构有利于浇铸的结构34便于材料流动的结构不便于材料流动的结构35不便于模具制造的结构便于模具制造的结构365.联接变元联接变元一是指联接方式的变化，如螺纹联接、焊接、铆接、胶接及过盈联接等；二是对于每一种联接方式采用不同的联接结构。通过改变联接方式和联接结构，可以创造出不同的结构方案。37零件联接变元38

6.尺寸变元通过改变零部件及构件的长度、距离和角度等参数来改变产品的结构性能。零件尺寸变元

39不便于运送的结构便于运送的结构407.工艺变元根据不同零件的结构，选择不同的零件制造工艺，最终改变零件和产品的制造成本、质量以及性能。切削锡焊或粘接冲压41点焊铸造锻造42棘轮机构工作面形状变元43棘轮机构工作面数量变元棘轮机构工作面位置变元44端面棘轮机构45棘轮机构工作面尺寸变元46棘轮机构工作面综合变元47钣金棘轮机构三棘爪棘轮机构48销齿棘轮机构49空间棘轮机构50槽轮机构的变元设计51槽轮机构的变元设计52槽轮机构的变元设计53槽轮机构的变元设计54槽轮机构的变元设计55槽轮机构的变元设计56顶尖支承一般顶尖支承改进的顶尖支承滚动摩擦顶尖支承57

二、结构创新的组合原理

组合的过程就是一种创造的过程。转轴改为心轴58螺栓联接中的抗剪元件59不便于模具制造的结构便于模具制造的结构60加工量大的结构加工量小的结构61不方便锻造的结构方便锻造的结构62有直线贯通的结构无直线贯通的结构63螺栓防松组合结构螺栓、螺母、垫圈与弹簧垫圈自攻螺钉组合结构64三、结构创新的完满原理完满原理的主要依据是“人们总是希望在时间上和空间上充分而完满地利用某一对象的一切属性”。

因此，凡是在理论上看来未被充分利用的对象，都可以成为人们创造的目标。创造学中的缺点列举法、希望点列举法等都源于完满原理。65轴的结构66满足等强度原则的结构摇臂钻横臂P汽车用板簧P/2P/2P阶梯轴PP/2P/267壁厚不均匀的铸件结构壁厚均匀的铸件结构68不便于退刀的结构便于退刀的结构69加工量多的结构加工量少的结构70无贯通孔结构贯通孔结构71便于钻孔的结构不便于钻孔的结构72曲线结构直线结构节省材料的结构不节省材料的结构73受压优先容器结构不合理结构合理结构74轴承座结构合理结构不合理结构75滚动轴承的预紧76

四、结构创新的逆反原理

逆反原理是一种特殊的变性原理。零件结构的属性是多种多样的，其中有些属性是截然相反的，例如零件的反向安装、反向旋转、尺寸大变小、小变大等。如果设计人员在进行结构设计时有意识地运用创造的逆反原理从相反的角度来设计，也许会获得意想不到的成功。77不利于起模的结构利于起模的结构78方便锻造的结构不方便锻造的结构79正装反装向心角接触轴承的安装方式80零件形面换位81第三节转动副的结构与创新设计

一、对转动副结构的基本要求两个构件之间的相对运动是转动，可以用转动副连接。转动副是机械中最常用的运动副。对转动副结构的基本要求是保证两相对回转构件的位置精度、承受压力、减小摩擦损失和保证使用寿命。12BA21销轴转动副82

二、轴承用于转动副两构件之间只要有相对运动就会产生摩擦。为了减小相对转动时的摩擦和磨损，人们将相对转动中的圆柱表面部分用轴承替代。最早的轴承是滑动轴承。为了进一步减小摩擦，人们又发明了滚动轴承。滑动轴承作为转动副滚动轴承作为转动副83

三、滑动轴承的特点及常见结构型式滑动轴承的结构简单，适用于高速或低速重载以及结构上要求剖分等场合。滑动轴承按表面间的润滑状态可分为非液体润滑状态和液体润滑状态。润滑状态不同，对滑动轴承的结构提出的要求也不同。

84(一)滑动轴承的基本结构型式整体式轴承座轴瓦

特点

结构简单、成本低、刚度大。但在装拆时需要轴承或轴作较大的轴向移动，有时很不方便；而且当滑动表面磨损后，无法调整其间的间隙，因此多用于低速、轻载和间歇工作且不甚重要的场合，如绞车、手动起重机械等。油孔85剖分式

特点

装拆方便，且在接合面之间可放置垫片，通过调整垫片的厚薄来调整轴瓦和轴颈间的间隙。应用广泛，但结构较复杂，制造费用较高。86调心式当轴颈较长(长径比B/d1.5~1.75)，轴的刚度较小或由于安装误差等原因造成轴的弯曲变形较大时，都会形成轴承两端的局部接触，造成轴瓦局部磨损严重。

特点

当轴变形时，轴瓦可以自动调整位置，从而保证轴颈和轴瓦均匀接触。87(二)径向滑动轴承的轴瓦结构1.轴瓦的形式和构造整体式轴瓦对分式轴瓦88油孔油槽

轴瓦可用单一的减摩材料制成。为了节约贵重金属材料(如轴承合金)及提高轴承的工作能力，通常将轴瓦制成双金属。在强度较高价格较廉的轴瓦(如钢、铸铁和青铜)内表面通常浇注一层减摩性更好的合金材料，通常称为轴承衬，其厚度在0.5~5mm范围内。轴承衬892.轴瓦的定位轴瓦和轴承座不允许有相对移动，可以将轴瓦两端做成凸缘，用于轴向定位，或用销钉，将其固定在轴承座上。轴瓦轴承衬凸缘固定轴瓦轴瓦圆柱销轴承座销钉固定轴瓦903.油孔及油槽的开设为了把润滑油导入整个摩擦面间，使轴承获得良好的润滑，轴瓦或轴颈上需开设油孔及油槽。油孔用于供应润滑油，油槽用于输送和分布润滑油。常见油孔和油槽形式91

油槽及油孔的开设原则1)油槽的轴向长度应比轴瓦长度短(大约为轴瓦长度的80%)，不能沿轴向完全开通，以免油从两端大量流失。2)对于液体润滑轴承，油孔及油槽应开在非承载区，以免破坏承载区润滑油膜的连续性，降低轴承的承载能力。92(三)液体静压润滑轴承液体静压润滑轴承适用于高精度以及低速重载的场合。回油节流器油腔轴承主轴p1p4p3p2进油压力ps液体静压径向轴承原理结构图油腔e回油槽径向油封面h0

eh0+eeFD轴向油封面psF93

四、滚动轴承的特点及常见结构型式滚动轴承的出现源于滚动优于滑动的思想。滚动轴承型式和原理简单，但却能非常有效地减少各种机器中的摩擦和磨损。在20世纪中，人们研制了很多型式的滚动轴承，而专业滚动轴承公司的建立，使滚动轴承成为一种最有用、高质量和容易买到的机械零件。与滑动轴承相比，滚动轴承具有摩擦阻力小、起动灵活、效率高、润滑简便、易于互换且可以通过预紧提高刚度和旋转精度高等优点，但抗冲击能力差，高速时有噪声、径向尺寸较大，工作寿命不及液体摩擦的滑动轴承。94外圈内圈滚动体保持架滚动轴承的基本结构95滚动体形状球滚针圆柱滚子圆锥滚子非对称球面滚子球面滚子96

滚动轴承中垂直于轴承轴心线的平面与通过轴承套圈向滚动体传递力的合力作用线之间的夹角

称为公称接触角。滚动轴承可按其承受载荷的方向与公称接触角的不同分类。

轴向接触轴承

90

向心角接触轴承0

45径向接触轴承

0971.向心轴承

主要用于承受径向载荷，公称接触角0

45。

(1)径向接触轴承

0的向心轴承深沟球轴承圆柱滚子轴承98(2)向心角接触轴承

0

45

角接触球轴承

圆锥滚子轴承992.推力轴承主要用于承受轴向载荷，公称接触角45

90。

(1)轴向接触轴承

90推力球轴承单向双向推力圆柱滚子轴承100

(2)推力角接触轴承

45

90推力角接触球轴承

推力调心滚子轴承101

根据滚动体的形状，滚动轴承可以分为球轴承和滚子轴承。滚子轴承又可分为圆柱滚子轴承、圆锥滚子轴承、滚针轴承等。根据轴承工作时能否自动调心又可分为刚性轴承和调心轴承。调心球轴承调心滚子轴承102第四节移动副的结构与创新设计

一、对移动副结构的基本要求两个构件之间的相对运动是移动，可以用移动副连接。内燃机中活塞和汽缸之间所组成的运动副即为移动副。机床导轨是最常见的移动副。按摩擦性质导轨可分为移动导轨和滚动导轨。12移动副实例

对移动副结构的基本要求有：导向和运动精度高、刚度大、耐磨性高及结构工艺性好等。此外，结构设计还要注意限制两构件的相对转动和间隙的调整。103

二、滑动导轨的特点及常见结构型式滑动导轨的动、静导轨面直接接触，其优点是结构简单，接触刚度大；缺点是摩擦阻力大，磨损快，低速运动时易产生爬行现象。导轨由凸形和凹形两种形式相互配合组成。当凸形导轨为下导轨时，不易积存切屑、脏物，但也不易保存润滑油，故宜作低速导轨，例如车床的床身导轨。凹形导轨为下导轨则相反，可作高速导轨，如磨床的床身导轨，但需要有良好的保护装置，以防切屑、脏物掉入。1041.导轨截面的基本形式45

45

90

15

~30

55

55

90~12090

65

~70

55

55

对称V形不对称V形圆形燕尾形矩形凸形凹形V形导轨磨损后能自动补偿，导向精度高。它的截面角度由载荷大小及导向要求而定，一般为90

。为增加承载面积，在导轨高度不变的条件下，采用较大的顶角；为提高导向性，采用较小的顶角。

1051.导轨截面的基本形式矩形导轨结构简单，制造、检验和修理比较容易。矩形导轨可以做得很宽，因而承载能力和刚度较大，应用广泛。缺点是磨损后不能自动补偿间隙，用镶条调整时，会降低导向精度。

45

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对称V形不对称V形圆形燕尾形矩形凸形凹形1061.导轨截面的基本形式燕尾形导轨的主要优点是结构紧凑、调整间隙方便。缺点是几何形状比较复杂，难于达到很高的配合精度，并且导轨中的摩擦力较大，运动灵活性较差，因此，通常用在结构尺寸较小及导向精度与灵活性要求不高的场合。

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对称V形不对称V形圆形燕尾形矩形凸形凹形1071.导轨截面的基本形式圆形导轨的优点是导轨面的加工和检验比较简单，易于获得较高的精度，缺点是导轨间隙不能调整，特别是磨损后间隙不能自动补偿，闭式圆形导轨对温度变化比较敏感。为防止转动，可在圆柱表面开槽或加工出平面。

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对称V形不对称V形圆形燕尾形矩形凸形凹形1082.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。两条导轨同时起着支承和导向作用，导轨的导向精度高，承载能力大，两条导轨磨损均匀，磨损后能自动补偿间隙，精度保持好。但这种导轨的制造、检验和维修都比较困难，因为它要求四个导轨面都均匀接触，刮研劳动量大。此外这种导轨对温度变化比较敏感。双V形组合1092.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。这种组合保持了双V形组合导向精度高、承载能力大的特点，避免了由于热变形所引起的配合状况的变化，且工艺性比双V组合导轨大为改观，因而应用很广。缺点是两条导轨磨损不均匀，磨损后不能自动调整间隙。双V形组合V形和平面形组合1102.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。承载能力高，制造简单。间隙受温度影响小，导向精度高。容易获得较高的平行度。侧面导向间隙用镶条调整，侧向接触刚度较低。双V形组合V形和平面形组合矩形和平面形组合1112.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。特点与矩形和平面形组合相同，但导向面之间的距离较大，侧向间隙受温度影响较大，导向精度较矩形和平面形组合差。双矩形组合1122.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。双矩形组合燕尾形和矩形组合能承受倾覆力矩，用矩形导轨承受大部分压力，用燕尾形导轨作侧导向面，可减少压板的接触面。调整间隙简便。1132.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。双矩形组合燕尾形和矩形组合V形和燕尾形组合组合成闭式导轨的接触面较少，便于调整间隙，V形导轨起导向作用，导向精度高。加工和测量都比较复杂。1142.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。结构简单，圆柱面既是导向面又是支承面。对两导轨的平行度要求严。导轨刚度较差，磨损后不易补偿。双圆形组合1152.常用导轨的组合形式一条导轨往往不能承受力矩载荷，故通常都采用两条导轨来承受载荷和进行导向，在重型机械上，还可采用3~4条导轨。矩形导轨可用镶条调整，对圆形导轨的位置精度要求较双圆形组合要求低。双圆形组合圆形和矩形组合116

三、滚动导轨的特点及常见结构型式滚动导轨是在运动部件和支承部件之间放置滚动体，如滚珠、滚柱、滚针、滚动轴承等，使导轨运动时处于滚动摩擦状态。与滑动导轨相比较，滚动导轨具有如下特点：1.摩擦因数小，并且静、动滑动摩擦因数之差很小，故运动灵便，不易出现爬行现象。2.导向和定位精度高，且精度保持性好。3.磨损较小，寿命长，润滑简便。4.结构较为复杂，加工比较困难，成本较高。5.对脏物及导轨面的误差比较敏感。滚动导轨已在各种精密机械和仪器中得到广泛应用。117

滚动导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等。

滚珠导轨具有结构紧凑、制造容易、成本相对较低的优点，缺点是刚度低，承载能力小。滚珠导轨118

滚动导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等。119

滚动导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等。

滚柱导轨具有刚度大、精度高、承载能力大的优点，主要缺点是对配对导轨副平行度要求过高。滚柱导轨120

滚动导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等。

滚针导轨承载能力大，径向尺寸比滚珠导轨紧凑，缺点是摩擦阻力稍大。滚针导轨121

滚动导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等。

十字交叉滚子导轨的滚柱长径比略小于1。它具有精度高、动作灵敏、刚度大、结构较紧凑、承载能力大且能够承受多方向载荷等优点，缺点是制造比较困难。十字交叉滚子导轨122

滚动导轨按滚动体的形状可分为滚珠导轨、滚柱导轨、滚针导轨、滚动轴承导轨等。

滚动轴承导轨直接用标准的滚动轴承作滚动体，结构简单，易于制造，调整方便，广泛用于一些大型光学仪器上。eAAAA动导轨滚动轴承滚动轴承导轨123

把滑动摩擦的导轨转换为滚动摩擦的导轨，是导轨设计中的技术突破，是设计中的创新。根据滑动摩擦转换为滚动摩擦的方式，还有许多没有出现的结构形式，也就是说，滚动导轨还有非常大的创新空间。圆弧滚动导轨124第五节构件的结构与创新设计

相对机架运动的构件是活动构件。为了满足便于制造、安装等要求，机构系统中的一个构件经常由多个零件组成，此时组成同一构件的不同零件之间需要联接和相对固定。联接的方法有多种，如螺纹联接以及各种用于轴毂联接的方法等。例如，齿轮相对机架的转动是通过轴与轴承实现的，一般的齿轮与轴并不制成一体，而是通过齿轮中心的毂孔与轴之间的轴毂联接，并保证齿轮相对于轴有确定的轴向位置。此时，齿轮、轴及联接等组成的这个实体成为机构系统中的一个构件。在进行构件的结构设计时，需考虑组成构件的各零件的联接关系、构件与运动副的联接关系及组成零件本身的结构设计。125

一、杆类构件1.结构形式连杆机构中的构件大多制成杆状。杆状构件构造简单，加工方便，一般在杆长尺寸R较大时采用。通常杆类构件与其他构件在端部以铰接形式联接。RR杆状构件126211221常见杆类构件端部的结构形式

一、杆类构件1.结构形式连杆机构中的构件大多制成杆状。杆状构件构造简单，加工方便，一般在杆长尺寸R较大时采用。通常杆类构件与其他构件在端部以铰接形式联接。127

有时杆类构件也做成盘状，此时构件本身可能就是一个带轮或齿轮，在圆盘上距中心R处装上销轴，以便和其他构件组成转动副，尺寸R即为杆长。这种回转体的质量分布均匀，故盘状结构能比杆状结构更适用于高速，常用作曲柄摆杆。盘状杆件R1282.可调节杆长的结构调节构件的长度，可以改变从动件的行程、摆角等运动参数。调节杆长的方法很多。RAA3421AA曲柄长度的调节1292.可调节杆长的结构调节构件的长度，可以改变从动件的行程、摆角等运动参数。调节杆长的方法很多。AA4AA132R曲柄长度的调节1302.可调节杆长的结构调节构件的长度，可以改变从动件的行程、摆角等运动参数。调节杆长的方法很多。曲柄长度的调节1312.可调节杆长的结构调节构件的长度，可以改变从动件的行程、摆角等运动参数。调节杆长的方法很多。4312BCAD55B421DCA3连杆长度的调节1322.可调节杆长的结构调节构件的长度，可以改变从动件的行程、摆角等运动参数。调节杆长的方法很多。连杆长度的调节133

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。盘状凸轮结构134

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。腹板式轮辐式实心式齿轮结构135

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。蜗轮结构整体式过盈配合联接式136

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。螺栓联接式拼铸式蜗轮结构137

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。链轮结构实心式潘存云教授研制腹板式潘存云教授研制组合式138

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。带轮结构实心式腹板式139

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。带轮结构轮辐式孔板式140棘轮结构槽轮结构

二、盘类构件盘类构件大多作定轴转动，中心毂孔同轴联接后与轴承形成转动副，如盘状凸轮、齿轮、蜗轮、链轮、带轮、棘轮、槽轮等。141

一般轮缘的结构形式与构件的功能有关，轮辐的结构形式与构件的尺寸大小、材料以及加工工艺有关，轮毂的结构形式要保证与轴形成可靠的轴毂联接。如齿轮的结构设计，当尺寸较小时采用实心式，尺寸较大时采用腹板式，尺寸很大时采用轮辐式(铸造毛坯)。对于蜗轮采用轮缘与轮毂的组合式结构，是由于轮缘与轮毂的材料往往不同，这样做的目的是为了节省较贵重的有色金属材料。142

连杆机构中的曲柄在某些情况下常采用偏心轮结构。1.曲柄长度较短，且小于传动轴和销轴半径之和。2.对冲床、压力机等工作机械来说，曲柄销处的冲击载荷很大，必须加大曲柄销尺寸，则应采用偏心轮结构。

带有偏心轮的机构统称为偏心轮机构，偏心距e即曲柄的长度。132rArBR机构示意图2B1Ae偏心轮143

三、轴类结构曲轴在机构中常用来做曲柄。图a所示曲轴结构简单，但由于悬臂，强度和刚度较差，当工作载荷和尺寸较大或曲柄设在轴的中间部分时，可用图b所示的形式。此形式在内燃机、压缩机等机械中经常采用，曲柄在中间轴处与剖分式连杆相连。RR曲轴a)b)144

当盘类构件径向尺寸较小，若轴孔仍与轴采用联接结构导致强度过弱或无法实现时，常与轴制成一体，如凸轮与轴制成一体，称为凸轮轴；齿轮与轴制成一体称为齿轮轴；蜗杆与轴制成一体称为蜗杆轴；偏心轮与轴做成一体称为偏心轴。齿轮轴凸轮轴凸轮1凸轮3凸轮2145

当盘类构件径向尺寸较小，若轴孔仍与轴采用联接结构导致强度过弱或无法实现时，常与轴制成一体，如凸轮与轴制成一体，称为凸轮轴；齿轮与轴制成一体称为齿轮轴；蜗杆与轴制成一体称为蜗杆轴；偏心轮与轴做成一体称为偏心轴。蜗杆轴e偏心轴146

轴的主要作用是支承回转零件，用得最多的是直轴，其结构设计主要是保证轴上零件的连接、定位以及满足加工、装配的工艺性要求。147轴的结构轴头轴身中轴颈轴头轴环端轴颈轴承盖滚动轴承齿轮套筒半联轴器轴端挡圈148轴上零件的装配149

四、其他活动构件凸轮机构的从动件、棘轮机构的棘爪、槽轮机构的拨盘等构件各具有一定的结构形式。滚子从动件的结构形式凸轮凸轮凸轮滚子滚子滚子150

四、其他活动构件凸轮机构的从动件、棘轮机构的棘爪、槽轮机构的拨盘等构件各具有一定的结构形式。滚子从动件的结构形式凸轮滚子凸轮滚子151

四、其他活动构件凸轮机构的从动件、棘轮机构的棘爪、槽轮机构的拨盘等构件各具有一定的结构形式。棘爪的结构形式152

四、其他活动构件凸轮机构的从动件、棘轮机构的棘爪、槽轮机构的拨盘等构件各具有一定的结构形式。棘爪的结构形式153

四、其他活动构件凸轮机构的从动件、棘轮机构的棘爪、槽轮机构的拨盘等构件各具有一定的结构形式。拨盘的结构形式154

四、其他活动构件凸轮机构的从动件、棘轮机构的棘爪、槽轮机构的拨盘等构件各具有一定的结构形式。拨盘的结构形式155

五、执行机构的执行构件执行构件是执行系统中直接完成工作任务的构件，例如：挖掘机的铲斗，推土机的刀架、起重机的吊钩、铣床的铣刀、轧钢机的轧辊、缝纫机的机针、工业机器人的手爪等等。它与工作对象直接接触并携带它完成一定的工作，或在工作对象上完成诸如喷涂、洗涤、锻压等一定的动作。执行构件的结构形式根据机构执行的功能不同而多种多样，即使功能相同，也可以有不同的结构形式。执行构件的结构设计最需要设计者的创新思维，其设计好坏对机械设计成败起着至关重要的作用。156机构以气缸为动力带动齿轮，从而带动手爪做开闭动作。当手爪闭合抓住工件，在图示位置时，工件对手爪的作用力G的方向线在手爪回转中心外侧，故可实现自锁性夹紧。GG齿轮式自锁性抓取机构157斜楔杠杆式抓取机构，当斜楔往复运动时，手爪完成夹持或松开工作对象。斜楔杠杆式夹持器斜楔手爪工件滚子弹簧1581A进口dB出口2六齿摆线齿轮泵齿轮1和齿轮2分别绕固定轴线A和B旋转，每个齿轮都有六个相同的齿形d，其廓线为摆线的一部分。当两齿轮转动时，液体按图示箭头方向连续流动。两齿轮上用特殊廓线制出的齿形d，用来把吸入腔和输出腔隔开。在两齿轮的轴上分别用键连接两个相同齿数的啮合齿轮。齿轮1和齿轮2为执行构件。159曲柄1绕固定轴线A旋转，且与活塞杆3用转动副B连接，杆3可在摆缸2的刚体a中往复移动，摆缸2绕固定轴线C转动。当曲柄1转动时，缸2摆动并轮换地与具有吸入口b和输出口d的泵腔连通。摆缸2和活塞杆3为执行构件。aBcdbA132曲柄摇块机构型摆缸式活塞泵160工件a从料仓1落在p

p平台上，曲柄2周期性地从左极限位置转过一周，通过连杆3带动推杆4(滑块)移动，它推动工件a并使其进入接料器(图中未示出)。当曲柄2回复至左极限位置时，下一个工件又落于平台p

p上。推杆4(滑块)是执行构件。4321aApp曲柄滑块式送料装置161当带轮带动偏心轴转动时，由于悬挂在偏心轴上的动颚板在下部与摇杆相铰接，使得动颚板作复杂的平面运动。楔形间隙中的物料在从大口到小口的运动过程中通过动颚板的往复运动将打大块物料挤碎成小块。动颚板可视为执行构件。颚式破碎机皮带轮电机边护板定颚板调整块偏心轴动颚板摇杆162第六节机架的机构与创新设计

机架是机构中不动的构件，在实际的机械系统中机架实体主要起着支承和容纳其他构件的作用。支架、箱体、工作台、床身、底座等支承构件均可视为机架。一个机械系统的支承件可能不止一个，它们有的相互固定联接，有的可以做相对移动，以满足调整部件相对位置的要求。机架零件承受各种力和力矩的作用，一般体积较大且形状复杂。各类运动副、活动构件的设计都有一定的设计模式，机架的设计则没有固定的模式，也没有固定的计算公式，需要根据机械的总体结构和设计经验确定机架的类型，它们的设计和制造质量对整个机械的质量有很大的影响。163

一、机架的分类和基本要求

机架的种类虽然很多，但根据其结构形状可大体分为四类，即梁型、板型、框型和箱型。梁型机架的特点是其某一方向尺寸比其它两方向的尺寸大很多，因此，在分析或计算时可将其简化为梁，如车床床身、各类立柱、横梁、伸臂等均属此类。

图中构件1、3、5均为梁型机架。机架按结构形状的分类1423摇臂钻床352车床预应力钢丝缠绕机架13164

板型机架的特点是其某一方向尺寸比其它两方向的尺寸小得多，可近似简化为板件，如钻床工作台及某些机器较薄的底座等。

图中构件4为板型机架。机架按结构形状的分类1423摇臂钻床352车床预应力钢丝缠绕机架13165

框型机架具有框架结构，如轧钢机机架、锻压机机身等。图中构件6为框型机架。闭式锻压机机架6开式锻压机机架6柱式压力机机架6机架按结构形状的分类166

箱型机架是三个方向的尺寸差不多的封闭体，如减速器箱体、泵体、发动机缸体等。图中构件2为箱型机架。机架的设计要求有：足够的强度和刚度，足够的精度，较好的工艺性，较好的尺寸稳定性和抗振性，外观美观；还要考虑到吊装，安放水平，电器部件安装等问题。因此，机架的结构设计要满足机械对机架的功能要求。机架按结构形状的分类机架按结构形状的分类机械传动箱体21423摇臂钻床352车床167

二、保证机架功能的结构措施1.合理确定截面的形状和尺寸机架的受力和变形情况往往很复杂，而对其影响较大的为弯曲、扭转或者二者的组合。截面积相同而形状不同时，其截面惯性矩和极惯性矩差别很大，因此其抗弯和抗扭刚度差别也很大。1)无论圆形、方形，还是矩形，空心截面都比实心截面刚度大，故机架一般设计成空心形状。2)无论实心截面还是空心截面，在受力方向上，尺寸大的抗弯刚度大，圆形截面的抗扭刚度高，矩形截面沿长轴方向抗弯刚度高。3)加大外廓尺寸，减少壁厚，可提高抗弯、抗扭刚度。4)封闭截面比开口截面刚度大。1682.合理布置隔板和加强肋隔板和加强肋也称肋板和肋条。合理布置隔板和加强肋通常比增加支承件的壁厚的综合效果更好。1)隔板

隔板实际上是一种内壁，它可联接两个或两个以上的外壁。对梁型支承件来说，隔板有纵向、横向和斜向之分。纵向隔板的抗弯效果好，而横向隔板的抗扭作用大，斜向隔板则介于上述两者之间。所以，应根据支承件的受力特点来选择隔板类型和布置方式。应该注意，纵向隔板布置在弯曲平面内才能有效地提高抗弯刚度，因为此时隔板的抗弯惯性矩最大。此外，增加横向隔板还会减小壁的翘曲和截面畸变。1692.合理布置隔板和加强肋隔板和加强肋也称肋板和肋条。合理布置隔板和加强肋通常比增加支承件的壁厚的综合效果更好。AAFA

AA

AAAF纵向隔板的布置不合理的布置合理的布置1702)加强肋

加强肋的作用主要在于提高外壁的局部刚度，以减小其局部变形和薄壁振动，一般布置在壁的内侧，有时也布置在壳体外侧。图a用于加强导轨的刚度；图b用于提高轴承座的刚度。图c、图d和图e则用于壁板面积大于400mm400mm的构件，以防止产生薄壁振动和局部变形。a)d)b)c)e)171a)d)b)c)e)

其中，图c的结构最简单，工艺性最好，但刚度也最低，可用于较窄或受力较小的板型机架上；图d的结构刚度最高，但铸造工艺性差，需要几种不同的泥芯，成本也较高；图e结构居于上述二者之间。常见的还有米字形和蜂窝形肋，刚度更高，工艺性也更差，仅用于非常重要的机架上。肋的高度一般可取为壁厚的4~5倍，肋的厚度可取为壁厚的0.8倍左右。1723.合理开孔和加盖在机架壁上开孔会降低刚度，但因结构和工艺要求常常需要开孔。当开孔面积小于所在壁面积的0.2倍时，对刚度影响较小；当大于0.2倍时，抗扭刚度降低很多。故孔宽或孔径以不大于壁宽的1/4为宜，且应开在支承壁的几何中心附近或中心线附近。开口对抗弯刚度影响较小，若加盖且拧紧螺栓，抗弯刚度可接近未开孔的水平，且嵌入盖比覆盖盖效果更好。抗扭刚度在加盖后可恢复到原来的35%~41%左右。1734.提高局部刚度和接触刚度所谓局部刚度是指支承件上与其他零件或地基相联部分的刚度。当为凸缘联接时，其局部刚度主要取决于凸缘刚度、螺栓刚度和接触刚度；当为导轨联接时，则主要反映在导轨与本体联接处的刚度上。为保证接触刚度，应使接合面上的压强不小于1.5106~2106Pa，表面粗糙度Rz不能超过8m。同时，应适当确定螺栓直径、数量和布置形式，比如，从抗弯考虑螺栓应集中在受拉一面；从抗扭出发则要求螺栓均布在四周。174

用螺栓联接时，联接部分可有不同的形式。图a所示结构简单，但局部刚度差。为了提高局部刚度，可采用图b的结构形式。联接部分的结构a)b)175

图a所示龙门刨床床身，其V形导轨处的局部刚度低，若改为图b所示结构，即加一纵向肋板，则刚度得到提高。提高导轨联接处局部刚度a)b)1765.增加阻尼以提高抗振性增加阻尼可以提高抗振性。铸铁材料的阻尼比钢大。在铸造的机架中保留砂芯，在焊接件中填充砂子或混凝土，均可增加阻尼。床身结构的抗振性原结构新结构砂芯阻尼扭转z向弯曲y向弯曲频率(单位为Hz)yz新结构原结构177图示为某车床床身有无砂芯两种情况下固有频率和阻尼的比较，由图可见，虽然二者的固有频率差不多，但由于砂芯的吸振作用使阻尼增大很多，从而提高了床身的抗振性。床身结构的抗振性原结构新结构砂芯阻尼扭转z向弯曲y向弯曲频率(单位为Hz)yz新结构原结构1786.材料的选择应根据机械系统机架的功能要求来选择它的材料。如在机床上，当导轨与机架做成一体时，按导轨的要求来选择材料；当采用镶嵌导轨或机架上无导轨时，则按机架的要求来选择材料。机架的材料有铸铁、钢、轻金属和非金属。由于机架的结构复杂，多用铸铁件，受力较大的用铸钢件，生产批量很少或尺寸很大而铸造困难的用焊接件。为了减轻机械重量用铸铝做机架，而要求高精度的仪器用铸铜机架以保证尺寸稳定性。1797.结构工艺性设计机架必须注意它的结构工艺性，包括铸造、焊接或铆接以及机械加工的工艺性。例如，铸件的壁厚应尽量均匀或截面变化平缓，要有出砂孔便于水爆清砂，要有起吊孔等。结构工艺性不单是个理论问题，因此，除要学习现有理论之外，还应注意在实践中学习，注意积累经验。180第七节机械结构的宜人化创新设计

理论基础人机工程学—研究人的特性及工作条件与机器相匹配的科学。基于操作者的生理及心理特点，在机械结构设计中应考虑的基本要求。

1.减小操作者疲劳的结构

2.易于发力的结构

3.减少操作者观察错误的结构

4.减少操作者操作错误的结构

5.考虑人体振动特性的结构及减少操作环境噪声的结构

6.减弱工作环境光线照度的结构

7.保证合适工作环境温度的结构181不同形式刻度盘的误读率比较刻度盘形式误读率开窗式圆形半圆形水平直线垂直直线0.5%16.6%10.9%27.5%35.5%182思考题

1.机械结构设计具有哪些特点？

2.机械结构创新设计中常用的设计原理有哪些？试以实例分别说明其特点。183184第六章反求工程及创新设计185第一章

创新概论第二章创新思维与创造原理第三章原理方案的创新设计第四章机构的创新设计第五章机械结构的创新设计第六章反求工程及创新设计第七章TRIZ理论与创新设计第八章仿生原理与创新设计第九章机械创新设计实例第六章反求工程及创新设计

反求工程是一个将逆向思维和移植创造原理应用于工程实践的创新过程，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。反求工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。186

反求工程的发展

20世纪60年代出现。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、电子、光学设备和家电等行业上最为突出。

1945

1970年，引进国外先进技术(80％为专利、图纸)投资60亿美元(自行研制需1800~2000亿美元)。掌握每项技术需2~3年(自行研制需12~15年)。

60年代中期，机械工业研究经费16.9%用于引进，68.1%用于消化、改造。反求工程节省约2/3的研究时间，9/10的研究经费。一些产品的设计是从实物模型开始的，如汽车设计、文物的复制、建筑设计等。计算机和信息技术的发展，促进了反求工程的发展，例如快速成形技术、影视动画技术等。187

案例

日本SONY公司从美国引入在军事领域中应用的晶体管专利技术后，进行反求研究，将其反求结果用于民用领域，开发出晶体管半导体收音机，并迅速占领了国际市场，获得显著的经济效益。日本HONDA公司从世界各国引进500多种型号的摩托车对其进行反求分析研究，综合其优点，研制出耗油少、噪声小、成本低、性能好、造型美的新型本田摩托车，风靡全世界，垄断了国际市场，为日本出口创汇做出了巨大贡献。日本的钢铁公司从国外引进高炉、连铸、热轧、冷轧等钢铁技术，几大钢铁公司联合组成了反求工程研究机构，经过消化、吸收、改造和完善，建立了世界一流水平的钢铁工业。在反求工程的基础上，创新设计出国产转炉，并向英、美等发达国家出口，是日本一跃成为世界钢铁大国。

188

案例

我国广州至深圳的高速列车就是引入日本子弹头机车的技术后，对其进行分析研究，通过反求设计，进行局部的改进与创新。2007年的运行过程中，列车时速已经达到250km/h，广州至深圳的运行时间仅为45min。佳木斯联合收割机厂，通过引进美国约翰迪尔的联合收割机技术，经过反求研究，消化吸收，生产出我国自己的大型联合收割机，结束了我国大型联合收割机全部依靠进口的历史。

189

反求工程的应用领域

新零件的设计，主要用于产品的改型或仿形设计。已有零件的复制，再现原产品的设计意图，损坏或磨损零件的还原。数字化模型的检测，例如零部件形状变形检测、形状测量、工业在线检测。模具样品开发，如汽车、通讯产品、消费性电子产品及相关零组件、运动器材、玩具、陶瓷、鞋模等。医学仿生、医学测量与模拟、整形美容及正畸的模拟与评价等。造型设计，如3D动画影片的制作、3D游戏建模、多媒体虚拟实境、广告动画等。三维彩色数字化、数字博物馆、有形文物及档案的管理、鉴定与复制190汽车造型的扫描和反求鞋楦的扫描和反求复杂曲面的反求191

反求工程的分类

按产品的制造过程分

设计反求

建立产品的CAD模型。工艺反求

产品所使用的材料、产品的加工工艺(制造工艺、装配工艺)。管理反求

产品制造过程管理和质量控制。按反求的目标分

实物反求

建立产品的CAD模型。技术资料反求

加工的工艺规范、技术文档、质量管理等。影像反求

影视画面。192

反求工程的关键技术和设备

实物(产品)尺寸的三维测量技术。测量数据的前处理技术，包括：测量数据的坏点、测量误差的去除，多视图测量数据的整体拼接，冗余数据的去除，测量数据的简化和优化等等。测量数据的CAD反向建模技术，包括：测量数据的分割和曲面拟合，被测实物的CAD模型重构技术等。反求工程的接口技术，包括：测量数据与快速成形系统的接口(STL文件)，测量数据与CNC设备的接口(DXF、IGES、点云文件)，测量数据与CAD/CAM系统的接口(DXF、IGES、STEP文件)，以实现与现有的制造设备、CAD/CAE/CAM等软件的数据交换。193

反求工程的关键技术和设备

工业级数控三坐标测量机主要功能三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的设备之一，它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟。三坐标测量机能快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息。将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸、形状和位置。

194

反求工程的关键技术和设备

工业级数控三坐标测量机特点单边活动桥式结构，显著提高运动性能，确保测量精度及稳定性。三轴导轨均采用高精密天然花岗岩，具有相同的温度特性及刚性。三轴导轨均采用自洁式预载荷高精度空气轴承，运动更平稳，导轨永不受磨损。RENISHAW自粘开放式金属光栅尺，更接近花岗岩基本的热膨胀系数，提高了设备的稳定性。

195

反求工程的关键技术和设备

工业级数控三坐标测量机应用主要用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中，可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。196

反求工程的关键技术和设备

绝对关节臂测量机主要功能对零件进行测量、检查和验证逆向工程产品比较/产品分析增材制造设计：对示例部分或物理模型进行扫描，并转换为CAD模型，如同三维打印机。仿形铣：由扫描点云数据直接复制生产产品。197

反求工程的关键技术和设备

绝对关节臂测量机应用钣金件、冲压件、模型配件、模具、结构和装饰五金、复合材料、机加工件、管件及其组件、车身和底盘、玻璃纤维结构。

应用领域汽车及其零部件制造、汽车内饰、航空航天零部件制造、重型设备及其零部件制造、船舶制造、机械制造、家具制造业、土木工程、新能源及其零部件制造商、轨道交通。198

反求工程的关键技术和设备

三维激光扫描仪特点三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，它利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图形数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。199

反求工程的关键技术和设备

三维激光扫描仪应用三维激光扫描技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。200

反求工程的关键技术和设备

照相式扫描仪特点照相式扫描仪是非接触光学三维扫描仪，主要由光栅投影设备及两个工业级的CCDCamera所构成，由光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCDCamera将所获取的数字影像通过计算机运算处理，即可得知待测物的实际3D外形。201

反求工程的关键技术和设备

照相式扫描仪特点照相式扫描仪避免了对物体表面的接触，可以测量各种材料的模型。测量过程中被测物体可以任意翻转和移动，对物件进行多个视角的测量，系统进行全自动拼接，

轻松实现物体360

高精度测量。并且能够在获取表面三维数据的同时,迅速的获取纹理信息，得到逼真的物体外形。202

反求工程的关键技术和设备

照相式扫描仪应用可用于汽车制造业中的产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。203

反求工程软件

Imageware

主要用于曲面造型。将STL模型作为参考数据进行逆向造型设计。

GeomagicStudio

主要用于点云的前期处理。噪声去除、平滑、修补、封装成STL模型等。

CopyCAD

允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型，能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。

RapidForm

RapidForm

是韩国INUS公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm

提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为3DScan后处理最佳化的接口。RapidForm

可以提升工作效率，扩大3D扫描设备的运用范围，改善扫描品质。204几何反求工程划分网格后处理扫描合并调整点云曲率滤波205

基于引进技术的反求工程所经历的过程

(1)应用过程逐步熟悉产品或设备的操作、使用与维修，再结合技术资料，进一步了解其结构、技术性能、技术特点，发现产品的不足之处。

(2)消化过程对引进产品的设计原理、结构、材料、制造工艺、生产管理方法等进行深入研究，用现代的设计理论、设计方法及测试手段对其性能进行计算测定，了解其材料的配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术条件，特别要找出它的关键技术及不足之处产生的根源。

第一节技术引进与反求工程206

(3)创新设计过程进行原理方案设计、技术设计，关键是要结合本国国情，博采众家之长，有所创新，开发设计出具有本国特色的新产品，并力争达到国际先进水平，实现技术从输入到输出的转化。反求设计方法的基本设计思想分析已有的产品或设计方案，明确产品的各个组成部分并作适当分解，明确产品不同部件之间的功能联系、组装联系；获取产品模型表示方法；从功能、原理、布局等不同的需求角度对产品模型进行修改和再设计。第一节技术引进与反求工程207

一、反求设计与传统设计

传统设计是由未知到已知、由想像到现实的过程，是一个主动的创造性活动。

设计从实现某一功能的概念开始。对产品进行功能分析，在满足功能要求的前提下选择合适的结构组合成产品雏形，再根据约束条件来修正，直至产品定型。难点/关键在于充分了解产品的使用要求，找到合理的物化过程和物化结构。

第二节反求创新设计市场需求分析、设计要求等工程师的一系列创造性设计活动设计成果传统设计208反求设计是从已知实物的有关信息(包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等)出发，在充分消化和吸收的基础上改进、挖潜进行再创造的过程，是一个高起点、先被动后主动的创造性活动。

几何实现的设计过程，产品设计是从模型数字化的实现过程开始。对已有产品的仿制或仅做局部修改，对产品的功能不作为主要因素考虑。难点/关键在于模型的重构技术(对已有模型进行合理几何表达的方法)。

设计成果已知一个确定的事物(实物、图片、技术资料等)一系列消化、吸收、再创造活动反求设计209

二、反求设计过程

反求分析阶段

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。210明确设计任务技术设计原理方案设计开发设计产品生产仿型设计反求设计过程实验试制施工设计变异设计反求分析(实物、技术资料或影像)211成品信息能量控制系统传动系统(驱动系统)执行系统原动机检测系统机电产品系统组成物料212对反求对象进行分析时的注意事项

(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。

(2)针对性针对系统需要完成的特殊任务，发现系统的关键技术，找出解决特定问题的最优方案。

(3)定量性

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。

213必须考虑的约束条件(1)生产条件约束生产设备、生产工艺、人员技能等。(2)经济条件约束开发成本、销售价格等。(3)使用环境约束工作环境温度、湿度、空气尘埃等。(4)产品系统对环境的影响机械系统的振动、噪声、粉尘、污水等。

(5)被加工对象变化对系统的影响如被加工对象化学成分的细微变化等。214

三、反求设计的创新内容

(一)实物反求在已有实物条件下，通过试验、测绘和详细分析，再创造出新产品的过程。实物反求包括功能、性能、方案、结构、材质、精度、使用规范等众多方面的反求，其对象可以是整机、部件、组件或零件。通常实物反求的对象大多是比较先进的设备、产品，包括从国外引进的和国内的先进产品。

实物反求应用于技术引进的硬件模式中，以扩大生产能力为主要目的，在此基础上，开发创新产品。

215特点具有形象直观的实物。

可对产品的性能、功能、材料等直接进行测试分析，获得详细的产品技术资料。可对产品各组成部分的尺寸直接进行测试分析，获得产品的尺寸参数。缩短了产品的开发周期。实物与新产品之间有可比性，有利于提高新产品开发的质量。216准备阶段性能测试反求尺寸与公差设计思想的反求与创新绘制装配示意图绘制零件图材料、技术条件的反求与创新校对装配图审查标准化审查工艺审查新产品试验、比较新产品试制审核新产品综合评价工艺的反求与创新功能、原理分析及分解机械设备绘制草图及装配图实物反求设计的一般过程2171.设计思想反求分析与创新

了解产品设计的指导思想是反求设计的重要前提。不同时期的产品在设计指导思想方面是不同的，并与社会的发展及科学技术发展水平密切相关。

实例冰箱、计算机键盘、鼠标、汽车座椅、无氟冰箱、低噪声空调、低噪声电机。

绿色设计从产品的设计、加工装配、使用，直至报废的整个生命周期，充分考虑产品的环境属性(可回收性、可拆卸性、可维修性、重复利用性等)，防止影响环境的噪声或废弃物的产生，使零件或材料在产品达到寿命周期时以最高附加值回收并重复利用。2182.

原理方案反求分析与创新产品是针对其功能要求进行设计的，实现相同功能的原理方案是多种多样的。了解现有原理方案的工作原理和机构组成，探索其构思过程和特点，通过反求，设计变异出更多能实现同样功能的新的原理解法，在此基础上进行优化，以获得性能更好的产品。219惯性轮小齿轮冠轮惯性玩具汽车220惯性玩具汽车221

3.零部件的反求分析与创新结构设计除了要考虑提高产品性能(提高强度、刚度、精度、寿命，减少磨损，降低噪声等)，还要考虑工艺、装配、美观、成本、安全、环保等诸多方面的要求和限制。不同的反求对象，零、部件尺寸分析方法有所不同。对于实物或图样，可以分析零、部件的形体尺寸；对于照片、图像，可以通过透视法求得尺寸之间的比例，再按参照物确定各尺寸。对于具有复杂曲线曲面的零件，则要采用一些先进的测绘手段及测绘仪器(例如三坐标测量机)才能实现反求测绘。222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、力学性能，降低产品成本至关重要。

例如尺寸和公差反求。在确定基本尺寸时，首先判断尺寸的配合是基孔制还是基轴制配合。对于基孔制配合，孔的上偏差为正值，下偏差为零；对于基轴制配合，轴的上偏差为零，下偏差为负值。

基本尺寸可以根据实测尺寸，按照国际数字修约规则“四舍六入五单双”的原则圆整取得。

举例实测数据73.52mm，采用基孔制，基本尺寸为73.5mm；另一组实测数据73.55mm，基本尺寸应为73.6mm；如果实测数据为73.45mm，则基本尺寸为73.4mm。223参照国家标准确定形位公差时，要注意以下原则：确定同一要素上的形位公差时，形状公差值应小于位置公差值，比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。圆柱类零件的形状公差值在一般情况下应小于其尺寸公差值。形位公差值与尺寸公差值相适应。形位公差值与表面粗糙度相适应。在选择形位公差时，要考虑到加工方法。零件表面粗糙度可以用粗糙度仪较准确地测量出来，再根据零件的功能、测量值、加工方法，参照国家标准，选择合理的表面粗糙度。224

4.零件材料的反求分析与创新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。在一些产品中材料及热处理方式的选择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，有时需要通过材料分析进行材料代用。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和材料硬度反求分析。

材料成分确定方法火花鉴别法、音质判别法、原子发射光谱分析法、红外光谱分析法、化学成分分析法、微探针分析法。225

材料组织结构反求分析方法材料的宏观组织结构分析可以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；材料的微观组织结构可以用显微镜进行观察。

材料硬度反求分析方法一般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