机械创新设计论文

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　　浅谈机械创新设计中的反求设计
　　摘要：介绍了机械创新设计中反求设计的定义、反求对象的分析内容及反求设计的一般方法和步骤，并详细说明三种反求设计的内容和具体方法。
　　关键词：创新设计 反求设计 反求对象 反求工程
　　反求设计(也称逆向设计)是设计人员以先进设备的软件(图样、程序、技术文件)、影像(图片、照片等)和实物作为研究对象，应用现代设计理论方法、人机工程学等有关专业知识，进行系统的分析和研究，进而开发出同类的先进产品的过程。
　　1 对反求对象的分析
　　在进行反求设计前，首先要对反求设计的对象(全文简称反求对象)进行分析。
　　1．1 对反求对象的设计指导思想和功能原理的分析
　　产品的设计指导思想决定了产品的设计方案，深入分析并掌握产品的设计指导思想是分析了解整个产品设计的前提。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，且有可能在进行反求设计时得到基于原产品而又高于原产品的原理方案。
　　1．2 对反求对象材料的分析
　　对反求对象材料的分析包括了材料成分的分析、材料组织结构的分析和材料的性能检测几大部分。反求对象材料分析的过程如下：

　　图1反求对象材料分析的过程
　　在对反求对象进行材料分析时，要充分考虑到材料表面的改性处理技术。
　　1．3 对反求对象的工艺和装配的分析
　　反求设计和反求工艺是相互联系的，缺一不可。在缺乏制造原型产品的先进设备与先进工艺方法和未掌握某些技术技巧的情况下，对反求对象进行工艺分析通常采用以下几种常用的方法。
　　(1)采用反判法编制工艺规程。以零件的技术要求如尺寸精度、形位公差、表面质量等为依据，查明设计基准，分析关键工艺，优选加工工艺方案，并依次由后向前递推加工工序，编制工艺规程。
　　(2)改进工艺方案，保证引进技术的原设计要求。在保证引进技术的设计要求和功能的前提条件下，局部地改进某些实现较为困难的工艺方案。
　　(3)用曲线对应法反求工艺参数。先将需分析的产品的性能指标或工艺参数建立第一参照系，以实际条件建立第二参照系，根据已知点或某些特殊点把工艺参数及其有关的量与性能的关系拟合出一条曲线，并按曲线的规律适当拓宽，从曲线中找出相对于第一参照系性能指标的工艺参数，即是需求的工艺参数。
　　(4)材料国产化，局部改进原型结构以适应工艺水平。由于材料以及工艺对加工方法的选择起决定性作用，所以，在无法保证使用原产品的制造材料时，或在使用原产品的制造材料后，工艺水平不能满足要求的情况下，可以使用国产化材料，以适应当前的工艺水平。对反求对象进行装配分析，应主要考虑：用什么装配工艺来保证产品的性能要求，能否将原产品的若干个零件组合成一个部件，如何提高装配速度等。
　　1．4 对反求对象精度的分析
　　产品的精度直接影响到产品的性能，对反求对象精度的分析包括了对反求对象形体尺寸的确定、精度的分配等内容。在确定形体尺寸时，根据反求对象软件、影像或实物的不同，所选用的反求方法也有所不同。若是实物反求，则可通过常用的测量设备(如万能量具、投影仪、坐标机等)对产品直接进行测量，以确定形体尺寸；若是软件反求和影像反求，则可采用参照物对比法，利用透视成像的原理和作图技术并结合人机工程学和相关的专业知识，通过分析计算来确定形体尺寸。在进行精度的分配时，根据产品的精度指标及总的技术条件、产品的工作原理图，并且综合考虑生产技术水平、产品生产的经济性和国家技术标准等，按以下步骤进行：明确产品的精度指标；综合考虑理论误差和原理误差，进行产品工作原理设计和安排总体布局；在完成草图设计后，找出全部的误差源，进行总的精度计算；编写技术设计说明书，确定精度；在产品的研制、生产的全过程中，根据实际生产情况，对所作的精度分配进行调整、修改。
　　1．5 对反求对象造型的分析
　　产品造型设计是产品设计与艺术设计相结合的综合性技术。其主要目的是运用工业美学、产品造型原理、人机工程学原理等对产品的外形造型、色彩设计等进行分析，以提高产品的外观质量和舒适方便程度。例如，在数控系统的设计中，就要充分考虑到数控系统的显示器的布局问题，图形和汉字显示问题，数控系统操作面板的造型和色彩问题，各个功能操作按
　　键的造型、色彩、布局及操作的方便性问题等等。
　　1．6 对反求对象系列化与模块化的分析
　　分析反求对象时，要考虑到所引进的产品是否已经系列化，是否为系列型谱中的一个，在系列型谱中是否具有代表性，产品的模块化程度如何等具体问题，使得在设计制造时少走弯路，提高产品质量，降低成本，生产出多品种、多规格、通用化较强的产品，从而提高产品的市场竞争力。
　　2 反求设计的研究内容与方法
　　2．1 软件反求设计法
　　软件反求设计法是以产品的样本资料、产品标准、产品规范以及与设计、研制、生产制造有关的技术资料和技术文件等为研究对象的反求工程技术。软件反求设计的目的是通过对所引进的如上所述的技术软件的分析、研究，提高本国在该产品技术上的设计、生产制造能力。软件反求设计的组成如图2所示。

　　图2 软件反求设计的内容
　　2．2 影像反求设计法
　　影像反求设计是以产品照片、图片、影视画面等参考资料为对象来进行分析设计的。其内容见图3。
　　在运用影像反求设计的方法进行分析、设计时，由于研究对象主要是产品的外观图片、画面、影像等，很难甚至无法了解到产品的内部结构。为此，在进行设计时，要求工程技术人员必须掌握相应的理论和分析方法，如中心投影规律，透视变换和透视投影，透视图的形成原理、色彩、阴影等相关知识。影像反求设计法的设计步骤：广泛地收集参考资料；多方面分析、研究参考资料；设计产品的方案；评价方案；设计反求技术。

　　图3 影像反求设计的主要内容
　　2．3 实物反求设计法
　　实物反求设计法的研究对象为引进的比较先进的设备或产品实物，其目的是通过对产品的设计原理、结构、材料、工艺装配等进行分析研究，研制开发出与被分析产品功能、结构等方面相似的产品。实物反求设计是一个认识产品—再现产品—超越原产品的过程。
　　实物反求可分为对整个设备的反求(即整机反求)、对组成机器的部件的反求(即部件反求)和对机器零件的反求(即零件反求)三个组成部分。实物反求设计的过程如图4所示。

　　图4 实物反求设计法的过程
　　实物反求设计法一般是通过三坐标测量机或激光扫描机等先进的数据采集设备获取复杂零件的三维数据点，然后利用反求软件进行数据点处理，实现由点一线一面的CAD三维模型设计。所以，软件反求设计法主要包含两项内容，一是实物模型表面数据点的获取，即数字化技术，二是曲面造型技术。
　　3 结语
　　反求技术与NC加工技术相结合称之为反求工程。目前常用的方法是实物反求设计法即针对现有工件(样品或模型)利用3D数字化测量仪器准确、快速地量取轮廓坐标值，并加以建构曲面，对曲面进行编辑、修改后，传到CAD~CAM系统，再由CAM所产生刀具的NC加工路径送至CNC加工制作所需模具，或者送到快速成型机(Rapid Prototyping)将样品模型制作出来。反求工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。
　　参考文献
　　[1] 张春林.机械创新设计[M].北京：机械工业出版社，2007
　　[2] 张美麟.机械创新设计[M].北京: 机械工业出版社，2005.
　　[3] 吕仲文.机械创新设计[M].北京: 机械工业出版社，2005.
　　[4] 罗绍新.机械创新设计[M].北京: 机械工业出版社，2005.