1、2022年11月23日星期三第七章反求工程概述第七章反求工程概述 7.1反求工程概述反求工程的大概流程图程7.1.1反求设计反求设计 反求工程首先是要进行反求分析，反求设计与传统的产品正向设计方法不同，他根据已存在的产品或零件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剖解、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从正向设计的思维，首先要根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新方案，经过一系列的设计活动，变为产品。其示意过程：市场需求分析工程师一系列的创造性的设计活动设计成果 反求设计是从已知事物的有关信息去寻求这些信息的科学性、先进性、经济性、
2、合理性、国产化的可能性等，要回溯这些信息的科学依据，既充分消化吸收，而更重要的本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。下面为反求设计流程：已知一个确定的事一系列消化、吸收、再创造活动设计成果7.1.2反求设计过程 反求设计分为两个阶段：反求分析阶段和反求设计阶段。反求分析阶段：通过对原产品的功能、原理方案、零部件结构尺寸、材料性能、加工装配工艺性进行全面深入的了解，明确其关键功能和 关键技术，对设计特点和不足之处作出必要的评估。反求设计阶段是在反求分析的基础上进行测绘仿制、变参数设计、适应性设计或开发性设计。反求分析的内容反求分析的内容:一、面向对象整体的宏观分析，二、面向对象组成部分个体系统
3、的详细分析。1.宏观分析一电子产品为例，从概念上分析，机电产品分析可概括为：（1）能量分析、（2）物料分析、（3）信息分析、（4）环境分析 2.详细分析 1）反求设计思想 了解产品设计的指导思想是分析产品设计的重要前提，是明确反求设计要求的关键。2）原理方案分析 产品是针对功能要求进行设计，功能的实现依赖于原理方案的保证。3）结构分析 产品中零、部件的具体结构是产品功能目标的保证，对产品的特性、成本、寿命、可靠性有着极大的影响。4）材料分析 5）形状尺寸分析 6）外观造型分析 产品外观造型是产品的视觉语言，最能突出产品的个性，在商品竞争中骑着重要的作用。7）工艺和精度分析 许多设备之所以先进关
4、键是工艺先进。8）工作性分析 9）其他，包括使用、维护、包装技术等。7.1.3 反求设计的分类 主要分为以下三大类主要分为以下三大类：实物类、软件类、影像类。反求设计实例：反求设计实例：实物类，如我们的大一时的单级减速箱测绘课程设计，就是对事物进行测量设计。软件类，如腾讯的CF网络游戏，是反求设计CS单机游戏而开发的。影像类.7.2 硬件反求设计与创新 硬件反求可分为对整个设备的反求，对组成机器部件的反求，和对机器零件的反求共三个部分。硬件反求设计的一般过程如下图所示 硬件反求设计法具有如下特点。硬件反求设计法具有如下特点。(1)(1)具有直观、形象的实物。具有直观、形象的实物。(2)(2)对
5、产品功能、性能、材料等均可进行直接试验分析，求对产品功能、性能、材料等均可进行直接试验分析，求得详细的设计参数。得详细的设计参数。(3)(3)对机器设备能进行直接测绘，以求得尺寸参数。对机器设备能进行直接测绘，以求得尺寸参数。(4)(4)仿制产品起点高，设计周期可大大缩短。仿制产品起点高，设计周期可大大缩短。(5)(5)引进的样品即为所设计产品的检验标准。引进的样品即为所设计产品的检验标准。硬件反求又可分为以下硬件反求又可分为以下4 4种。种。(1)(1)整机的反求。整机的反求。(2)(2)关键零、部件的反求。关键零、部件的反求。(3)(3)机械零件材料的反求。机械零件材料的反求。7.2.1
6、设备实物反求（以转盘式滚压成型机为例）1、原设备分析 没有实物，凭考察印象，结合自己的专业知识，去分析、琢磨其功能及内部可能的结构进行反求设计。2、功能分析功能分析的实质就是将反求对象的结构系统转化为功能系统。本案例的功能分析过称为：结构组成及工作原理分析、功能定义和功能整理。1）结构组成及工作原理分析 反求对象的工作原理及i结构组成分析是功能分析的基础，工作原理示意图是功能分析的重要工具。转盘式滚压成形机的工作原理示意图转盘式滚压成形机的工作原理示意图 经实地参观考察，凭借设备经实地参观考察，凭借设备外形特征及有关的专业知识，画出转外形特征及有关的专业知识，画出转盘式滚压成型机的工作原理示意
7、图盘式滚压成型机的工作原理示意图 。主轴电机主轴电机1414无级变无级变速装置速装置1515和锥形摩擦离和锥形摩擦离合器合器1616使主轴使主轴1313转动，转动，电动机电动机1 1带传动装置带传动装置2 2和蜗杆蜗轮机构和蜗杆蜗轮机构3 3使立使立轴轴5 5旋转，立轴通过齿轮旋转，立轴通过齿轮传动传动4 4带动空套在心轴上带动空套在心轴上的圆柱凸轮的圆柱凸轮6 6转动，圆柱转动，圆柱凸轮机构可驱使主轴凸轮机构可驱使主轴1313作升降运动。作升降运动。立轴上的立轴上的槽轮机构槽轮机构7 7使回转工作台使回转工作台8 8作间歇转作间歇转动。动。滚压头电动机滚压头电动机1111经过三角皮经过三角皮
8、带无级变速装置带无级变速装置1010带动滚压头带动滚压头9 9旋转旋转。主主要要零零部部件件的的功功能能转盘式滚压成型机的功能系统图 3.功能管理 功能整理就是在对产品及其主要零部件进行功能定义的基础上，按照各功能之间“目的手段”的关系，将产品的实物结构系统转换为功能结构系统，其结果用功能系统图（功能树）来表达。原设备机械传动装置较为复杂，如工作台旋转和立轴的升降由电原设备机械传动装置较为复杂，如工作台旋转和立轴的升降由电机机1 1 带动，整机显得较为笨重，功耗较大。带动，整机显得较为笨重，功耗较大。主轴的升降距离不能调节，使加工品种范围小。主轴的升降距离不能调节，使加工品种范围小。工作台的回
9、转时间不能调节，空转时间长，生产率低。工作台的回转时间不能调节，空转时间长，生产率低。4.4.原设备分析原设备分析5.5.二次设计二次设计 根据对原转盘式滚压成形机的分析根据对原转盘式滚压成形机的分析得出；首先要找出不令人满意的子功能得出；首先要找出不令人满意的子功能解，进行二次设计。解，进行二次设计。二次设计后转盘式滚压成形机二次设计后转盘式滚压成形机 原设备与二次设计后的主要区别原设备与二次设计后的主要区别在于工作台转动和主轴上下运动的控制在于工作台转动和主轴上下运动的控制方面，省去了原成型机中的三角皮带有方面，省去了原成型机中的三角皮带有级变速装置，蜗杆蜗轮传动装置，槽轮级变速装置，蜗杆
10、蜗轮传动装置，槽轮机构和圆柱凸轮机构，而只增加了一只机构和圆柱凸轮机构，而只增加了一只步进电机、一对齿轮传动和螺旋传动装步进电机、一对齿轮传动和螺旋传动装置。置。二次设计后转盘式滚压成型机采用多机驱动，简化传动系统，减二次设计后转盘式滚压成型机采用多机驱动，简化传动系统，减小了整机的尺寸，降低了制造成本，特别是采用单片机控制子功能时，小了整机的尺寸，降低了制造成本，特别是采用单片机控制子功能时，控制回转工作台转动的时间，缩短空转的时间，有利于提高坯体的质量控制回转工作台转动的时间，缩短空转的时间，有利于提高坯体的质量和劳动生产率。和劳动生产率。7.2.2 关键部件反求 反求设计是以先进的产品或
11、技术为对象进行深入的分析研究，探索掌握其关键技术，在消化、吸收的基础上，开发出同类型创新产品的设计。反求设计的指导思想为：合理选型，结构先进，主要性能指标达到或超过国外同类先进产品的水平。如反求的主要内容是全封闭制冷机的压缩机构。1.往复式压缩机类型反求分析反求对象为电冰箱的心脏部分。目前，常用往复式压缩机的主要类型有曲柄滑管式、曲柄连杆式。（1）曲柄连杆式：活塞的运动通过曲柄连杆传动。（2）曲轴连杆式：活塞的运动有曲轴、连杆传动，这种机构使各部分，因此使用寿命长，适应于各种功率的压缩机组。（3）曲柄滑管式：曲柄轴拨动“丁”字形活塞体横管中的滑块作弹性结合传动。由于这种结构无连杆装置，故加工装
12、配比较简单，适合大批生产。由上表可知，经分析、比较三者的优点确定选型为曲柄连杆式，它具有结构简单、零件少、噪声小、寿命长、能效比较高等特点。滑管式、连杆式压缩机性能比较 2、零件设计 材料的匹配：活塞（铁基粉末冶金）与缸体（耐磨铸铁）、连杆（铁基粉冶金），按它们的材质成分、硬度等参数分组，以组合排列方式分组分别进行磨损试验，从中选取最佳的材料匹配组合。7.2.3 7.2.3 机械零件尺寸精度反求设计机械零件尺寸精度反求设计 反求尺寸不等于原设计尺寸，需要从反求尺寸推论出原设计尺寸。反求尺寸不等于原设计尺寸，需要从反求尺寸推论出原设计尺寸。假定所测的零件尺寸均为合格的尺寸，反求值一定是零件图纸上
13、规定的公假定所测的零件尺寸均为合格的尺寸，反求值一定是零件图纸上规定的公差范围内的某一数值是事先未知的，反求值应在图纸上规定的最大极限尺差范围内的某一数值是事先未知的，反求值应在图纸上规定的最大极限尺寸和最小极限尺寸之间。机械零寸和最小极限尺寸之间。机械零(部部)件尺寸精度应从其所包含的基本尺寸、件尺寸精度应从其所包含的基本尺寸、配合基准制、配合尺寸的极限偏差配合基准制、配合尺寸的极限偏差(公差公差)、表面粗糙度和形位公差、表面粗糙度和形位公差5个方个方面的内容进行反求。面的内容进行反求。1.1.基本尺寸的反求基本尺寸的反求 实测尺寸是反求基本尺寸和尺寸公差的主要依据。对于基本尺寸来实测尺寸是
14、反求基本尺寸和尺寸公差的主要依据。对于基本尺寸来说，设计时一般将其取为标准尺寸或整数尺寸，可取最靠近实测尺寸的说，设计时一般将其取为标准尺寸或整数尺寸，可取最靠近实测尺寸的标准尺寸或整数尺寸作为基本尺寸。标准尺寸或整数尺寸作为基本尺寸。表表7-3 7-3 基本尺寸的定位表基本尺寸的定位表3.3.配合尺寸中公差的反求配合尺寸中公差的反求2.2.配合基准制的判别配合基准制的判别 若反求尺寸是配合尺寸时，那么判别配合是基孔制还是基轴制是必若反求尺寸是配合尺寸时，那么判别配合是基孔制还是基轴制是必要的。要的。1 1）基孔制的判断）基孔制的判断判断方法：判断方法：2 2）基孔制的判断）基孔制的判断 配合
15、尺寸中的公差反求是一个难点，判断的主要依据是使用要求，配合尺寸中的公差反求是一个难点，判断的主要依据是使用要求，应该根据工作条件要求的松紧程度来选择适当的配合，其方法如下应该根据工作条件要求的松紧程度来选择适当的配合，其方法如下 1 1）基准件极限偏差的反求）基准件极限偏差的反求 若孔的实测尺寸更接近于基本尺寸且比基本尺寸大，若孔的实测尺寸更接近于基本尺寸且比基本尺寸大，则说明孔的上偏差为正值，下偏差为零，定为基孔制。则说明孔的上偏差为正值，下偏差为零，定为基孔制。若轴的实测尺寸更接近于基本尺寸且比基本尺寸小，若轴的实测尺寸更接近于基本尺寸且比基本尺寸小，则说明轴的上偏差为零，下偏差为负值，定
16、为基轴制则说明轴的上偏差为零，下偏差为负值，定为基轴制。7.2 7.2 硬件反求设计与创新硬件反求设计与创新 按概率统计实践，将实测尺寸定为公差带的中值，又有基准孔的下偏差为零（基准轴的上偏差为零），故事册尺寸与基本尺寸差值的绝对值就是尺寸公差的一半，及基准孔为Tn/2(基准轴为Ts/2).此时的尺寸公差就是基准孔，基准轴的下偏差，如右图。2)非基准件极限偏差的反求 首先按工艺等价的原则和配合性质确定非基准件。然后将非基准件实测尺寸定为公差带的中值，则其最大极限尺寸为实测尺寸为实测尺寸加上公差一半，最小极限尺寸为实测尺寸减去公差的一半；相应的上偏差为最大极限尺寸减去基本尺寸，下偏差为最小极限尺
17、寸减去基本尺寸。4.表面粗糙度度的确定 5.形位公差的确定 确定被测要素的形位公差项目，再对可能标注形位公差项目的要素进行实测，得到相应的形位误差值，以此为参数，并按照下列关系来确定其形位公共差值。1）同一要素上的形位公差 2）有配合要求要求的形状公差和尺寸公差的关系7.3 软件反求设计与创新软件反求设计与创新 软件反求设计的特点是软件反求设计的抽象性，引进的软件不是实物，可见性差，不如实物形象直观。软件反求是以与产品有关的技术图样、产品样本、专利文献、映视图片、设计说明书等技术文件为依据进行新产品设计的过程。1.技术资料反求设计的特点 1）抽象性 2）科学性 3）综合性 4）创造性 2.软件
18、反求设计的常用方法 图片资料的反求设计对图片等资料进行分析是最主要的关键技术，主要有透视变换原理与技术、透视投影原理与技术、阴影、色彩与三维信息等技术。7.3.1 装配图反求装配图反求 现有的资料为德国某公司的悬挂式减速器的装配图。通过计算机辅助反求设计，采用模块化处理方法和CAD手段，结合我国起重机规范GB 3811-1983的齿轮减速器标准，开发出新型的悬挂式减速器系列产品，并实现从设计到绘图的参数化。1.产品设计指导思想 由于减速箱为悬挂式，自重轻、单位重量所能传送的扭矩较大等就成为此减速箱的特点。因此在设计中结构紧凑也是反求的主要目标，另外发展系列产品是满足多品种、低成本、短期开发周期
19、，以提高市场竞争能力的有效手段。2.原理方案分析 如图右图所示：该减速器的动力源鼠笼三相异步电动机，电动机与制动器、减速器三者直接连接，动力由高速轴输入，通过三级斜齿轮圆柱齿轮传动，其动力由输入轴传递到输出轴，输出轴的大圆盘直接与卷筒连接，而低速齿轮与输出轴之间靠花间套筒连接，传递扭矩。3.结构分析结构分析 零部件是功能载体，其结构首先要满足功能需要。在分析结构的同时还要考虑提高性能（如强度、刚度）、降低噪声和成本。悬挂式减速器采用斜齿轮传动，就是为了提高重合度和强度，减少振动，使啮合平稳，降低噪声。输入轴齿轮尽量布置在该轴的支承跨距中部，这样可以减少因轴变形引起的齿轮偏载。输入轴从两端伸出，
20、电动机可以灵活地安装在任一端，这种结构极大地方便了现场安装施工。此外，悬挂式减速器与QJ型减速器相比，在结构上有一个很大特点，以3级传动为例，QJ型减速器的4根轴布置在同一水平线上，而悬挂式减速箱的轴下沉，与、轴呈三角形布置，这样就大大地减少了箱体的结构尺寸和重量。该减速器的部分尺寸，其中心距系列a12、a34、a56依次为200mm，280mm，400mm。正好符合GJA标准中心距，齿轮齿数、模数、螺旋角、以及轴主要段的直径等都可以从设计图样上获得，其他结构尺寸必须通过比例测量狗仔进行分析才能确定。5.二次设计指导思想的确定 （1）采用计算机辅助设计（CAD）手段，实现该产品从设计到全套参数
21、绘图的系列化。参考GJA标准，其系列见下表。4.4.材料分析材料分析 以减速器的装配图为反求对象，可直接从明细栏中看出主要零部件的材料与热处理。该减速器的主要零部件为箱盖、箱座、轴、齿轮、内花键套筒。德国的材料代号与我国不同，经分析均可用我国的相应材料与热处理代替。例如齿轮，要求有足够的强度和耐磨性、重量轻，采用中碳合金钢42CrMo进行调质并高频淬火，齿面硬度可达4856HRC。箱盖与箱座也要根据悬挂式减速器要求重量轻的特点，采用焊接箱体而不是铸造箱体。（2）零部件进行编程设计计算。（3）在保证传动性能的前提下，以重量轻为主要目标。悬挂式减速器中心距系列悬挂式减速器中心距系列系列高速级中间级
22、低速级11001402002170236335320028040042804005605315450630635550071074005608008450630710950071010007.3.2 专利反求专利反求 1.失效专利在科技创新中的应用 （1）使用失效专利起到辅助完成项目研究的作用，既可以给人启发，从中找出新的生产技术途径，改进现在的产品和工艺，增强产品和服务的市场竞争能力。（2）为单个失效专利技术领域继续研究的突破提供基础。（3）基于多个技术诞生新的发明或有些技术在人们无顾虑的重新组合中，会展现出更好的技术效果。（4）使用失效专利为攻克技术难关项目提供主要参考资料。（5）使用失效
23、专利技术是技术革新换代的依据。（6）使用失效专利技术会诞生新的发明。2.失效专利获取7.4 影像反求设计影像反求设计 影像反求设计是根据产品的照片图片等为参考资料进行产品反求设计的现代化设计方法。影像反求设计的设计原则是：能在现原型的，尽力在现原型；不能再现原型的，运用以往所积累的经验构思模型。同时应该把技术、工艺、结构、传动、等方面综合起来考虑。零件尺寸的确定，最关键的是找一个可以作为依据的准确尺寸。根据产品图片、说明书等参考资料，可以有多种方发确定零件尺寸，最常用的是“比例法”。零件材料的确定，同时也可以采用比较法。材料的正确与否，还可以在零件制造过程中进行检验和修正。在应用影像反求技术法
24、中，对于一些从未接触过且毫无把握的结构，可以进行模拟实验。影像反求设计常用的方法如下：针对影像与透视图的形成原理一致的特点，影像反求设计常用的方法是透视量点法。透视图按灭点个数可分为一点透视、两点透视、和三点透视，本节主要介绍一点和两点透视。1.一点透视图中反求实物尺寸。1.一点透视图中反求实物尺寸 在一点透视中反求直线实长和平面实形的作图如右图所示，A1B1消失于心点，则AB垂直于画面，所以过A、B和基线成等倾角的辅助线是一条45度得水平线，辅助线灭点即距点D，过D作透视线把A1、B1反射到基线上即得实长。对于平行于画面的平面CDE，心点P就是量点，同样作过C1、D1、E1的透视线反射到画面
25、上既得到画面上既得实形。2.两点透视图中反求实物尺寸 两点透视也称成角透视，此时画面与形体某一立面有一偏角。形体上两组直线分别有一个灭点。将一点透视反求实物尺寸实物尺寸方法类推扩展到两点透视的情况，如图所示设已知一立面的透视A1B1C1D1，求其原型过程如下：首先求出量点M2，从M2过A1、B1、C1、D1，作透视线，反射到画面上即得立面实形。影像反求目前形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同的透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部的可能结构，并要求设计者具有较丰富的设计实践经验。7.5 计算机辅助反求设计计算机辅助反求设计 汽车空调激光扫描反
26、求设计7.5.1 计算机辅助反求设计过程计算机辅助反求设计过程 计算机辅助反求设计可以分为下面几个步骤进行：数据的采集也可以称为对象的数字化；数据的处理；CAD模型的建立；产品功能模拟及再设计、后处理等。1.数据采样 数据采样是指利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑额离散点的数据，并将测量结果以文件或数据库的方式存储。对象数字化是实物反求设计中最基本的、必不可少的步骤，通常数据采样分析非接触法和接触法（接触、扫描）。3.CAD三位模型的建立 实物原型或模型通过扫描系统数字化后，以空间离散点的形式存储以便计算机处理。生成原型的CAD模型就是要在这些离散点的基础上，应用计算机辅助几何设
27、计的有关技术重新构造原型的CAD模型。4.产品功能模拟及再设计 在完成产品设计后，设计人员应该根据市场调查判断设计的产品是否满足消费者的需求。5.后处理 将CAD所得信息与CAM连接，利用CAD软件相应的后置处理文件，把刀位文件转化成机床能够识别的NC代码程序，通过串行接口、软盘输入到相应的数控机床完成加工。7.5.2 搅拌器的计算机辅助反求设计搅拌器的计算机辅助反求设计 1.数据采集 首先对该模型进行数据采集，由于该搅拌机叶片外形复杂，曲面变化较大且不规则，要对其进行数据采集，数据的采集方案要符合造型的思路。下面通过变截面扫描物体的方法来进行对象的数字化过程。搅拌器数据点的采集，如下图所示。
28、3.曲面重构 把这些数据已定义的坐标原点为中心进行圆周阵列，如右图所示。根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型，并在产品对象分析和插值检测后，对模型进行逼近调整和优化。利用CAD中直线、圆弧或样条线连分型线点，通过与构面交互进行得到曲面。2.数据处理 在对模型进行数据采集后，通过对该数据进行分析，来编辑处理这些采集的数据点，整理凌乱的数据点，分析叶片表面数据点之间的关系，删除噪声点、增加必要的补偿点，然后将数据分割、压缩，把数据中异常的数据点进行编辑过滤整理得到CAD模型建立所需要的数据点。4.模型重构 当外表面完成后，接下来就要构建实体模型。在CAD中可以采用以下几个方法制造，利用CAD软件中的曲面造型功能完成下图（a）所示叶片造型，通过布尔运算得到（b）所示的搅拌器的模型。5.总结 搅拌器叶片的结构形状直接影响产品的生产的效率和质量，通过三坐标测量仪对叶片形状进行扫描，并对扫描数据进行分析、处理，得出新型搅拌器叶片的结构和形状特征，对原来的搅拌机进行改造，利用计算机反求技术完成搅拌器叶片的反求设计，创新设计出高效节能的搅拌器，这对发展我国搅拌技术具有重要的学术价值和重大的经济及社会效益。7.5.2 电话机的计算机辅助反求设计电话机的计算机辅助反求设计 这部分内容作为我们自学部分，下去同学们自己学习一下。本章本章完完
