《现代设计方法》课件第4章

第4章反求工程及反求设计4.1技术引进与反求工程4.2反求工程及反求设计的基本内容4.3软件反求设计法4.4实物反求设计法4.5影（图）像反求设计法

4.1技术引进与反求工程

众所周知，在经历了第二次世界大战后，日本国内一片狼藉，经济萧条，国民经济生产总值仅为英国的1/29，法国的1/38，落后于欧美等强国20～30年。然而，仅仅经过短短的10～20年时间的建设，日本已成为仅次于美国的世界第二号经济强国。晶体管是美国人发明的，而索尼公司购买了晶体管技术专利后，开发出的晶体管收音机风靡全球。日本的本田公司通过对世界各国生产的500多种型号的摩托车进行分析研究后，成功开发出畅销的本田摩托车。另外，日本的钢铁生产技术也主要源自奥地利、美国、德国、瑞士和前苏联等国家。

日本靠什么能在战后迅速崛起？索尼、本田等公司成功的奥妙何在？

战后的日本为了在短期内发展本国经济与建设，把引进先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策，提出“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的发展口号，这使日本公司节省了2/3的研究时间和9/10的研发经费。我国在20世纪50年代，通过与前苏联“合作、支援、引进”，在国防以及重工业建设方面打下了坚实的基础。在20世纪60年代到80年代以前，过分强调要“独立自主、自力更生”，技术与经济对外交流很少，这严重地影响了我国在各个领域的发展。20世纪80年代实行“对外开放、对内搞活”的改革开放政策以来，“招商引资、技术引进”对促进国家科学技术进步，推动经济与建设起到了很大的作用。例如，引进日本等国家的先进技术，推动了我国在显像管、钢铁生产等领域的发展；与美国、法国、德国、日本、韩国等合作，大量引进汽车生产技术，使我国在汽车工业领域跃居世界大国。国内外大量事实证明，技术引进是吸收国外先进科学技术，促进民族经济高速增长的战略措施。随着科学技术的发展和经济的全球化，科技成果的应用已成为推动社会进步和生产力发展的重要手段。所以，世界各个国家都在充分利用别国的先进科学技术成果，通过引进、消化、吸收、创新成为自己的新技术。然而，若仅仅引进别人的技术而不发展成为自有技术，那么我们将永远受制于别人。技术是有产权的，受知识产权法保护。近些年来，我国在某些领域只重视引进而不强化吸收使得我们蒙受了相当大的损失，例如VCD、DVD专利问题，软件版权问题，木地板锁扣技术问题，等等。在汽车工业领域，我们所看到的是“国外品牌，合作生产”，民族品牌、民族汽车工业发展空间越来越小。所以，我们不但要大力引进国外先进技术，更重要的是对引进技术进行深入的分析研究，做好吸收、消化工作，在此基础上进行技术创新。

“引进技术，学习他人”要遵循“引进、消化、吸收、创新”八字方针。从引进到创新一般要经历三个阶段。

1．应用阶段

应用阶段要学会并掌握引进产品相关硬件技术的操作、使用和维修方法，尽可能发挥其在生产中的作用，以创造显著的经济效益。该阶段关键是要了解其结构、生产工艺、技术特性，做到“知其然”。

2．消化阶段

消化阶段应深入分析研究引进对象的设计原理、结构、材料、工艺、管理方法等，运用现代设计理论、方法、检测手段等对其进行技术测定，以了解其材料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术条件，重点是掌握其关键技术，做到“知其所以然”。

3．吸收创新阶段

该阶段要在消化引进技术的基础上，扬长避短，开展二次创新设计，以开发出具有自主知识产权的新产品，实现从技术引进到技术输出的转化，获得更大的经济效益，这是技术引进工作中的关键环节。

那么，怎样才能更好地消化、吸收和创新呢？

4.2反求工程及反求设计的基本内容

4.2.1基本概念

反求工程是消化、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，应用现代设计理论和方法、生产工程学、材料学及相关专业知识，对其进行系统的分析与研究，探索并掌握其关键技术，进而开发出先进产品。

反求工程涉及产品的研究与发展、生产制造工程、管理和市场等方面，是一门跨学科、跨专业的综合系统性工程。反求工程研究的主要内容如下：

（1）探索反求对象的设计指导思想，这是分析和了解整个产品设计的前提。

（2）探索原理方案，重点是掌握其在满足使用要求下的功能目标及实现方法。

（3）探索结构设计原理及方法，确定结构参数、尺寸、形状、连接方式以及产品的造型设计方法等。

（4）探索精度设计（公差设计）方法。

（5）探索材料选用及设计思想。

（6）确定反求对象的工作性能。

（7）确定对象的维护与管理方法。开展反求工程工作的要点如下：

（1）了解有关产品及技术的发展动向，选好反求对象。

（2）综合运用系统工程、价值分析、优化工程、相似理论等现代设计理论和方法，掌握数学、力学、材料学等基础理论，以及机械、液压与气动、光电技术、现代分析测试技术、计算机技术等相关专业知识。

（3）深入分析研究，掌握关键技术，知其所以然。

（4）了解反求对象的知识产权保护情况，做好二次创新设计的知识产权保护工作。反求设计方法也称为二次设计，是指通过对已有产品或技术进行分析研究，掌握其功能原理、参数、尺寸、材料和结构，特别是关键技术，并在此基础上进行仿制或者再设计，开发出先进产品。4.2.2反求设计的过程及内容

1.反求设计的过程

反求设计过程如图4－1所示。图4－1反求设计过程反求分析是指对反求对象从功能、原理方案、零部件结构、材料性能、加工工艺、装配工艺等方面进行全面分析与研究，明确其关键功能及关键技术，突出一个“求”字。对其设计的特点及不足有所评价，对其不合理或不合乎国情、厂情之处有所改变，这里突出一个“变”字。根据反求对象的形式不同，反求分析可分为实物反求、软件反求和影像反求。

在反求实物时，可利用测量工具及手段获取相关参数和尺寸，通过实验获得相应性能。

软件反求包括图纸、技术资料、产品样本等，反求时要研究消化设计意图、思想、方法等，直接获得反求对象的外形、零部件结构参数、材料等信息，对性能类参数还需要适当地计算和模拟试验。

以产品照片、图片、使用说明书、广告介绍、参观印象、影视画面等作为参考资料进行的产品反求称为影像反求设计。由于这些资料只是简要介绍，所以要掌握其核心技术往往难度较大。可通过观察、分析、推理等了解其功能原理和结构特点，通过透视变换和解析法求得主要尺寸以及相互关系，通过类比法求出若干绝对尺寸后，再推算出其它部分的尺寸。

2．反求设计的内容

反求设计包括测绘仿制、变参数设计、适应性设计和开发性设计。

测绘仿制是反求的基础，如果仅有测绘仿制而没有再设计，反求设计的意义也就不大了。

变参数设计是指在原产品原理和结构方案的基础上，仅改变某些尺寸和性能参数，以满足不同工作需要的设计。

适应性设计是在原产品原理方案的基础上，仅改变部分参数、结构或零部件，以克服原产品的缺点或适应新的使用要求的设计。开发性设计也称为创新设计，是指针对反求对象的功能，提出新的原理方案，完成从方案设计、技术设计到施工设计的全过程。

进行反求分析与设计时，一般可从以下几个方面进行：

（1）产品设计的指导思想。

（2）原理方案的分析。

（3）结构分析。

（4）形体尺寸。

（5）精度分配（公差设计）。

（6）材料分析。

（7）工作性能分析。

（8）造型设计分析。

3．反求设计结果的评价与决策

对所完成的反求设计，应从可实施性、可靠性、加工制造复杂性、技术和经济等方面进行综合分析评价、评审，形成设计及评价技术文件。

4.3软件反求设计法

4.3.1技术引进的两种模式

技术引进一般可分为硬件和软件两种模式。

硬件模式以引进产品实物为主，以获得所谓“物化的技术”来扩大生产能力，并在此基础上进行仿造、改造和创新设计。

软件模式以引进设计、制造、使用以及研制技术秘密为主，以增强本国设计、制造的“自生能力”。为了研制新产品，解决国家技术难题，需要一种“创新能力”，创新能力和建设能力的综合构成了生产力中的“自生能力”，这是技术进步和生产力发展的基础，是一种“动态生产力”，软件模式可获得这种动态生产力。4.3.2软件反求的内容及特点

技术软件泛指与产品设计、制造、使用等有关的技术图纸、样本、产品标准、规范、设计计算说明书、工具、工装设计标准、工艺守则、操作规范、管理规范，质量保证手册、制造验收文件、使用说明书等，统称为技术文件。

通过对引进技术软件进行破译以探索技术奥秘，并消化、吸收、创新使之国产化，可培植和发展本国生产技术上的自生能力。软件反求具有以下特点：

（1）抽象性。软件只是对产品相关信息的描述，反求过程主要是处理抽象信息。

（2）科学性。从技术文件中提取信息，经过科学的分析、转换，去伪求真，由低级到高级逐步破解出其技术奥妙，以获得接近客观的真值。

（3）智力性。软件反求是智力思维活动过程，用逻辑思维分析和研究技术文件，用形象思维设计出新的产品。

（4）综合性。集中各类专门人才，综合运用优化设计、相似理论、模糊理论、可靠性、价值工程、决策理论、预测理论、图论、计算机技术等多学科的知识。

（5）创造性。在分析获得相关信息的基础上，进行创新开发设计。

4.3.3软件反求设计要点

1．产品设计策略思想反求

产品设计策略思想反求就是获得反求对象的开发与设计理念。例如，产品是如何定位的？如何确定功能与需求、价值与成本之间的关系？该产品有什么特色？为什么该产品能成为大众喜爱的畅销产品？

人们购买产品，实际上是购买产品所具有的功能。人们是否花钱购买该产品取决于产品的价值。根据价值工程理论，产品的价值可表示为式中，V为产品价值；F为产品功能；C为实现功能的成本。提高产品价值的策略思想如下：

（1）增加F，C不变。

（2）降低C，F不变。

（3）增加C以增加F。

（4）降低F以降低C。

（5）增加F，降低C。其中，方法（1）、（2）、（3）、（4）是产品设计中普遍采用的策略思想。方法（5）是最理想的策略，但也是最困难的策略，它依赖于新技术、新工艺、新材料的突破。例如，大规模集成电路的应用使得计算机的功能和使用性能显著增加，而成本又大大降低。用现代电子元器件替代机械装置，用高新技术取代常规技术，这是现代产品开发设计的主要手段和策略。在产品设计策略思想反求时，可通过对不同厂商生产的同类产品进行功能、结构、成本、使用性能等方面的对比分析。例如，在家用汽车的开发设计理念中，德国、美国厂商注重产品的安全性，认为安全是第一要素，所以整车质量大，较为皮实耐用，但油耗高，汽车内饰稍显粗糙；日本汽车追求低油耗和舒适性，车体外型美观轻巧，内饰高档、人性化，操控简便、电子化；韩国汽车则追求低成本、经济性。

在产品开发设计中，对产品进行合理定位是非常重要的。

2．产品原理方案反求

产品原理方案反求就是探求设计问题的技术解和技术路线，是对产品功能实施原理的技术效应反求。

在技术系统中，各种功能都只有建立在以自然科学原理为基础的技术效应的基础上才能实现。例如，机械工程主要依赖于物理学原理和技术物理效应。

通过对技术文件资料进行剖析，结合专业知识，可分析求得原理方案的特色和特点、可行性，以及技术条件的合理性和经济性。

3．结构方案反求

结构方案反求是指在满足总功能的前提下，根据技术文件，分析整机的构成、各分系统或部件的作用、联接方式、零件设计的正确性和可制造性，评价产品性能的优劣性、操控维修性、安全可靠性能等。

任何一种产品的结构方案都是由基本结构要素（形状、数目、位置、尺寸、联接方式等）构成的。分析掌握了基本要素后，可再衍生新方案。（1）功能面的结构变型。零件中完成功能的主要表面称为功能面，例如刀刃面、轮齿面等。功能面的构形是确定零件结构的主要因素。可对形状、大小、数量、位置、顺序等主要参数进行变型，以综合出新方案。

（2）支承及联接方式的变型。支承和联接是对功能载体或零件间的相对位置和相对运动实施的约束，并在其间进行运动和力的传递。

相对静止元件间联接变型的反求可以根据锁合形式和拆卸特点进行分析。锁合形式可分为形锁合、力锁合和材料锁合。拆卸分为可拆卸和不可拆两种。（3）传动方式的变型。可按照传动原理（机械、液、气、电）、运动形式（移动、转动、复合运动）、运动性质（连续、间断、单向、多向）等进行反求。

（4）尺度变换。零件表面尺寸变化可引起形态变化。4.3.4结构反求设计应遵循的原理

1．等强度原理

等强度原理指使各个零件的各个部位具有同等使用寿命。

2．力平衡原理

力平衡原理指传递力以及力矩时而伴生的无用力，在无用力产生处将其平衡掉，不让其传递到其它部位。

3．合理力流原理

力传递轨迹形成的力线汇聚在一起就是“力流”。力流不会在连续物体上突然中断，它会到处穿过，也可以封闭起来。力流的固有特性是倾向于沿最短路线传递，在最短路线的附近力流就密集，形成高应力区，没有力流穿过的部位实际上并不受力，所消耗的材料也就是多余的。因此，应尽可能沿力流最短路线来设计零件的结构形状。

4．变型协调原理

变型协调原理是指使联接的相邻零件在外载荷作用下的变型方向相同，并且尽可能减少相对变型。

5．任务分配原理

任务分配原理是指根据功能要求，确定载体应承担的任务，应从占有空间、重要性、简单、可靠、经济性等方面来分析，优先考虑采用一个零件担负多种功能。但当零件的一种或多种功能已经达到极限状态，不能再承担其它功能时，应采用分担功能（因为结构过于复杂，难于加工和装配），使各个零件各得其所，物尽其用，从而提高工作能力。

6．自补偿原理

通过巧妙地选择系统元件及其在系统中的配置，以实现加强功能或避免失效的相互支持作用，称为自补偿。在正常情况下（例如额定载荷），自补偿有加强、减载和平衡的功能。在紧急情况下（例如超载），自补偿有保护和救援的功能。

在自补偿结构中，所要求的总效应是由初始效应和辅助效应共同产生的。初始效应保证必要的初始状态可靠，辅助效应是从决定功能的主要参数（例如圆周力、扭矩等）或由它产生的辅助参数（例如斜齿轮的轴向力、离心力、热膨胀力等）得到的，辅助效应还可以从辅助的力流分配以及由它产生的应力形式和应力分布的变化得到。

7．稳定性原理

从力学角度看，物体的平衡有稳定平衡、随遇平衡、不稳定平衡状态三种形式。当物体受干扰偏离原位后，在干扰去除后就应能自动复位，因此，结构设计中要考虑稳定性问题。

4.4实物反求设计法

4.4.1概述

实物反求设计是以选定的产品实物为对象，通过对其功能原理、结构原理、尺寸参数、材料、包装、使用性能等进行分析、测绘、研究、再设计，进而研制开发出新的产品，是一个认识产品→再现产品→创造产品的过程。在实物反求前，先要对大量同类产品进行全面分析，取长补短，综合比较选定对象。在反求过程中，不要以造出原型为最终目标，而要以一为范、触类旁通、举一反三，关键是要从中受到启发，获得各种创造性、创新性的设计思想。根据反求对象范围和工作量大小的不同，可把实物反求分为三种。

（1）整机反求。反求对象可以是产品的全部，即整台机器，例如机床、汽车，也可以是成套设备中的重要设备，例如汽车装配生产线上的焊接机器人。整机反求的工作量一般较大。

（2）分系统或部件反求。反求对象是组成产品或机器的重点关键部件，例如机床的主轴箱，加工中心的刀库系统和数控系统。

（3）零件反求。反求对象是产品或机器中的某个零件。该零件在产品中起关键作用，成本高，易损耗。实物反求具有如下特点：

（1）物化了的对象直观、形象，有利于形象思维。

（2）可通过直接测量获得产品的结构尺寸和参数，通过分析和试验获得其功能、性能、材料特性以及其它相关设计参数。

（3）能获得相关标准。

实物反求的缺点是工作量大，费用高。4.4.2实物反求设计的内容及过程

图4－2实物反求设计的过程

1．反求准备

（1）组建设计小组，制定项目设计研究计划。

（2）广泛收集国内外同类产品设计、制造、使用以及研究、技术发展方面的资料，预测未来发展前景和趋势。

（3）通过分析比较，开展可行性研究，对反求项目做出科学的评价。

（4）搜集反求对象尽可能详细的技术文件并加以消化。

（5）搜集有关产品实物分解、测量、绘图等方面的技术、方法、手段、标准等，做好测绘前的技术准备。

（6）备全测量所用的各种工具以及仪器设备，搭建测绘实验平台。

2．反求对象的功能、性能及技术状态分析

（1）明确反求对象的主要功能、辅助功能等。

（2）测试样机的工作性能，包括整机性能参数、运转性能、动力性能、寿命及可靠性等。对测试所得数据进行分析与必要的理论计算。

3．样机分解

（1）详细分析样机的整体结构，搞清具体构造。

（2）对样机进行拍照，测量总体结构尺寸、安装尺寸、主要执行部件的运动尺寸等，绘制整体外形轮廓图、结构装配示意图。

（3）按照样机总体构造将其分解为分系统或部件，记录下整个样机和各部件的组成、对应、位置、联接、传动链及装配关系，分析各个部件的作用。

（4）将部件分解为零件，记录零件的数量、类型，编号后归类保管。

（5）分解中要遵循由外及内，由上及下，由易拆卸到难拆卸，由一般件到重要、精密件的顺序，做到可测量就不拆，保原样不破坏，并且拆卸、测量后样机能复原。

4．结构尺寸测量

仔细测量相关结构尺寸，重要零件尺寸要重复测量若干次，绘制出零件草图并标注完整的测量尺寸，对测量数据进行分析评判。

5．零件工作技术条件的测定

零件工作技术条件的测定包括确定零件的精度、表面质量、材料和热处理方法等，这是反求设计的重点，也是难点。

（1）根据零件功能作用和工作性能要求判定零件的重要性，确定相关的技术标准。

（2）根据基本尺寸的计算值与实测值之差值确定零件尺寸公差值。

（3）形位公差值应与尺寸公差值、表面粗糙度相适应。

（4）同一结构要素上的形位公差其形状公差值要小于位置公差值。（5）测量零件表面粗糙度，并根据零件受约束情况、工作速度、作用力、摩擦状态等，参照相关标准确定零件表面质量。

（6）分析零件的材料成分和组织结构，根据零件工作载荷和运动要求等，通过必要的力学分析计算选定材料。

（7）测量零件材料的硬度、耐磨性等，确定零件的热处理条件。

在测量中，要特别注意关键部位、关键部件、薄弱环节和易损部件等，例如机器的执行机构、执行件、承载大和工作速度高的部件。

6．加工工艺分析

根据测量结果，分析和评价加工方法。

7．校对、审核与评价

仔细对照样机，检查测量项目的完整性，对测量结果进行技术和经济性评价。

8．二次设计

根据测量结果和反求目标，开展二次设计。

9．试制试验新样机

设计图纸和技术文件审核通过后，试制新样机并进行试验，测定新样机的技术性能，与原样机进行对比分析，找出优缺点，特别是不足之处，进一步修改完善。4.4.3实物反求设计实例

1．反求对象及功用分析

反求设计引进了日本的汽车倒车灯开关（实物），该开关装在汽车的变速箱上，当挂入倒车挡位时，该开关闭合，接通电路倒车灯亮。

2．原型产品结构及工作原理分析

该产品的结构如图4－3所示，主要由顶杆1、顶柱2、密封圈3、钢碗4、弹簧5、顶圈6、导电片7、触片8和回位弹簧9组成。图4－3倒车开关的结构原理图其工作原理是：在顶杆1被压下后，通过顶柱2、弹簧5、顶圈6及回位弹簧9使得导电片与触片8接合或分离。当顶杆1行程在1mm以内时，弹簧5的作用力小于弹簧9的弹簧力，使触片8保持与导电片7的接触；当顶杆1行程超过1mm时，弹簧5的作用力大于弹簧9的弹簧力，触片被顶圈6推开而与导电片分离；顶杆释放后，在弹簧9的作用下，系统复位。

由以上工作原理可知，该开关的闭合主要靠顶圈6、弹簧5和弹簧9的力平衡来实现，弹簧的变形量和顶圈厚度尺寸的变化直接影响着开关的工作性能，另外，开关的装配工艺性也较差，因此要进行反求设计。

3．反求设计

（1）反求目标。开关功能不变，提高工作可靠性；保持该开关主体结构尺寸、安装尺寸和外部形状不变；反求设计后使得开关的制造成本降低。

（2）功能分析。分析开关的功能可知，开关中的通断电路是必需功能，即基本功能，同时，要能可靠地复位并密封，这是辅助功能。倒车开关主要零件的功能如表4－1所示。表4－1倒车开关主要零件的功能

（3）二次设计。