反求設計與創(chuàng)新教材

第八章反求設計與創(chuàng)新

反求設計是以先進技術或產(chǎn)品的實物、軟件（圖紙、程序、技術文件等）、影像（照片、廣告等）作為研究對象，應用現(xiàn)代設計理論方法學、生產(chǎn)工程學、材料學等有關專業(yè)知識進行系統(tǒng)深入的分析與探索，并掌握其關鍵技術，進而開發(fā)出先進產(chǎn)品。運用反求技術，可以縮短新產(chǎn)品開發(fā)的時間，提高新產(chǎn)品開發(fā)的成功率，是創(chuàng)新設計的一種有效方法。反求設計與創(chuàng)新8.1概述8.2反求設計的內(nèi)容與過程8.1.1反求問題的提出實際上，任何新產(chǎn)品的問世都蘊含著對已有科學、技術的繼承和借鑒。反求思維的方法在工程上的應用已經(jīng)源遠流長。只是作為反求設計或反求工程的術語提出來，以及作為一門學問進行專門研究，則是出現(xiàn)于20世紀中期。

當時日本作為第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)敗國，戰(zhàn)后，急于恢復與發(fā)展。他們提出的口號是：“一代引進，二代國產(chǎn)化，三代改進出口，四代占領國際市場”。三洋電機開發(fā)洗衣機的過程就是一個很好的實例。1952年夏，三洋電機當時的社長井植歲男看到了洗衣機市場存在巨大的潛力，決定開始研制洗衣機。他們購買了各種不同品牌的洗衣機，并將其送至干部的家中，公司也放滿了各式各樣的洗衣機。公司讓員工們反復研究琢磨、試驗、比較和分析，充分總結和剖析各類洗衣機的優(yōu)缺點、安全性能、方便程度以及價格水平等，找出了一種比較滿意的方案，試制了一臺樣機。正準備投入市場時，他們又發(fā)現(xiàn)了英國胡佛公司最新推出的渦輪噴流式洗衣機。這種渦輪噴流式洗衣機的性能比原先的攪拌式洗衣機有了很大的提高。三洋公司的管理者深深懂得，后開發(fā)的產(chǎn)品，如果在性能上沒有明顯優(yōu)于已經(jīng)上市的同類產(chǎn)品，那么你不僅應當預計到在今后的競爭中必然遭受失敗的后果，甚至一開始就應當考慮是否投產(chǎn)的問題。于是三洋公司果斷地放棄了已投入幾千萬元研制出的即將成批生產(chǎn)的洗衣機，開始對胡佛公司的渦輪噴流式洗衣機進行全面解剖和改進。于1953年春研制出日本第一臺噴流式洗衣機。這種性能優(yōu)異、價格只及傳統(tǒng)攪拌式洗衣機一半的新產(chǎn)品，一上市便引起轟動，不僅帶來巨大的經(jīng)濟效益，而且使三洋公司在洗衣機行業(yè)站穩(wěn)了腳跟。

為實現(xiàn)國產(chǎn)化的改進，并最終占領國際市場，就迫切需要對別國的產(chǎn)品進行消化、吸收、改進和挖潛，這也就形成了反求設計或反求工程的發(fā)展機制。成功地運用反求工程，使日本節(jié)約了65％的研究時間和90％的研究經(jīng)費。到上世紀70年代，日本的工業(yè)已經(jīng)達到歐美發(fā)達國家水平。因為研究和應用反求設計或反求工程可以有效回避研究開發(fā)探索的風險，實現(xiàn)在高起點去創(chuàng)新產(chǎn)品，因此重視和研究反求工程的國家很多。中國作為一個發(fā)展中的國家，科技水平相對落后，投入大量資金去研究工業(yè)發(fā)達國家已經(jīng)推向市場的產(chǎn)品是完全沒有必要的。這不僅是資金浪費的問題，也會拖延發(fā)展經(jīng)濟的時間或機會。因此深入研究反求設計或反求工程，在不斷引進新產(chǎn)品或新技術的基礎上開發(fā)自己的新產(chǎn)品，最終推向國際市場是很有必要的。

8.1.2反求設計的含義人們通常所指的設計是正設計，是由未知到已知和由想象到現(xiàn)實的過程。當然這一過程也需要運用類比、移植等創(chuàng)新技法，但產(chǎn)品的概念是新穎的，是獨創(chuàng)的。反求設計則不然，雖然為反設計，但絕不是正設計的簡單逆過程。因為針對的是別人已知和現(xiàn)實的產(chǎn)品，而不是自己的，所以也不是全知的。是一個雖然知其然，但不知其所以然的問題。因為一個先進成熟的產(chǎn)品凝聚著原創(chuàng)者長時間的思考與實踐、研究與探索，要理解、吃透原創(chuàng)者的技術與思想，在某種程度上比自己創(chuàng)造難度還要大。因此反求設計絕不是簡單仿造的意思，是需要進行專門分析與研究的問題。其含義可用圖8－1所示框圖描述。8.1.3反求設計的研究對象從工程技術角度分析，反求設計的研究對象一般分為三類。它們分別是實物反求、軟件反求和圖片反求。反求對象應該是比較先進的技術或產(chǎn)品；也可能是自然界的產(chǎn)物，例如反求人體結構進行再植手術等。1．實物反求實物反求是指在已有產(chǎn)品實物的條件下，通過試驗、測繪、分析，確定其關鍵技術，再創(chuàng)造出新產(chǎn)品的過程。反求的產(chǎn)品實物可以是整機、部件或零件。反求的內(nèi)容包括產(chǎn)品的功能、原理方案、結構性能、材料、精度等。2．軟件反求在軟件反求過程中，產(chǎn)品樣本、技術文件、設計說明書、使用說明書、設計圖紙以及有關規(guī)范和標準等均為軟件。反求工作的內(nèi)容主要有，深刻理解圖樣與技術要求；選擇合適的材料、工藝過程與熱處理方法；試制樣機并進行性能測試；最后創(chuàng)新出新產(chǎn)品。3．影像反求在影像反求過程中，產(chǎn)品的圖片、照片、廣告介紹，以及參觀印象或影視畫面等均屬于影像。這是反求對象中信息量最少、難度最大，但也最富有創(chuàng)新性的反求設計。反求工作主要是依據(jù)影像提供的產(chǎn)品外形、尺寸、比例，運用透視變換與投影以及各種專業(yè)知識進行琢磨、分析、領會其功能、性能、結構特點等，然后進行從原理方案、構型綜合、直到完成產(chǎn)品的創(chuàng)新。8.2反求設計的內(nèi)容與過程8.2.1反求設計的主要內(nèi)容1．設計思想的反求反求設計的最重要內(nèi)容是探求設計者的設計思想。設計思想是設計者的靈魂，設計者會挖掘個人的所有知識與經(jīng)驗用來開發(fā)新產(chǎn)品，是設計者本人或設計小組全體成員智慧的結晶。設計思想主要應包括設計產(chǎn)品開發(fā)的必要性與適應性，產(chǎn)品是在何種條件下產(chǎn)生的，為什么要研制開發(fā)這種產(chǎn)品；產(chǎn)品造型的特殊性，這種造型會產(chǎn)生何種效應與影響，是單純?yōu)椴僮髡咛峁┓奖?，還是具有某種特殊功能；產(chǎn)品的結構特點，有些什么與眾不同的特點，進而分析這些特殊結構的特殊原因，以及會造成的結果等。設計思想的反求是貫穿反求全過程的工作，在反求設計中的每一步驟都不要忘記揣摩設計者的意圖。例如，，為降降低產(chǎn)產(chǎn)品成成本，，以及及方便便使用用與攜攜帶，，產(chǎn)品品的小小型化化則成成為設設計者者的指指導思思想；；為滿滿足不不同用用戶要要求各各異的的特點點，推推出衍衍生性性產(chǎn)品品也成成為設設計者者的指指導思思想。。如日日本索索尼公公司創(chuàng)創(chuàng)造的的隨身身聽系系列產(chǎn)產(chǎn)品，，在不不改變變主要要技術術原理理和產(chǎn)產(chǎn)品元元件的的條件件下，，只是是通過過改變變局部部輔助助功能能，而而推出出兒童童用的的小巧巧型、、運動動使用用的防防振型型、海海灘娛娛樂使使用的的防水水型等等。從從20世紀紀80年代代初到到90年代代初，，索尼尼公司司僅在在美國國市場場就推推出了了572種種隨身身聽產(chǎn)產(chǎn)品。。2．功能原原理的反求求功能原理的的反求也是是一個分析析過程。對對于一個已已知產(chǎn)品，，其總功能能是已知的的，但深入入分析其組組成結構時時，會發(fā)現(xiàn)現(xiàn)產(chǎn)品的各各組成部分分的分功能能，乃至功功能元并非非全了解，，因此很有有必要首先先分析組成成產(chǎn)品各部部分存在的的意義。其其次應深入入分析實現(xiàn)現(xiàn)這一功能能的工作原原理，是簡簡單的機械械效應，或或是氣動與與液壓的效效應，還是是電磁等效效應；是采采用了分割割，還是合合并原理等等。掌握了了功能原理理，就可以以變被動為為主動，開開發(fā)出實現(xiàn)現(xiàn)同樣功能能的不同原原理解，也也就實現(xiàn)了了從反求到到創(chuàng)新的過過程。3．結構形形狀與尺寸寸參數(shù)的反反求結構形狀與與尺寸參數(shù)數(shù)的反求既既是一個分分析過程，，也是一個個實際測繪繪過程。反反求活動中中包含有實實物測量、、數(shù)據(jù)處理理、誤差分分析等內(nèi)容容。對于實物反反求，可以以比較容易易的獲得產(chǎn)產(chǎn)品某部分分的實際結結構形狀，，這將有利利于反求工工作的進行行。一般情情況，零件件形狀可以以劃分為規(guī)規(guī)則的（如如平面、圓圓柱、圓孔孔、凸臺、、導軌等）），以及不不規(guī)則的形形狀（如凸凸輪、葉輪輪、自由曲曲面等）。。根據(jù)形狀狀的復雜程程度，可以以采用不同同的測量手手段、獲取取數(shù)據(jù)的方方法，以及及誤差的分分析方法。。對于于不不規(guī)規(guī)則則形形狀狀零零件件的的反反求求，，首首先先要要建建立立零零件件的的測測量量坐坐標標系系。。測測量量時時測測點點的的位位置置在在均均勻勻分分布布的的基基礎礎上上，，再再按按曲曲率率特特性性補補充充測測點點，，使使測測量量路路徑徑既既容容易易形形成成，，又又考考慮慮到到加加工工難難度度隨隨曲曲率率變變化化的的規(guī)規(guī)律律。。目目前前用用于于工工業(yè)業(yè)測測量量的的方方法法有有坐坐標標測測量量儀儀、、激激光光測測量量儀儀、、工工業(yè)業(yè)CT、、逐逐層層切切削削照照相相測測量量等等。。若若采采用用測測量量機機或或激激光光掃掃描描等等采采樣樣設設備備時時，，還還要要注注意意測測頭頭的的方方位位。。數(shù)據(jù)據(jù)的的處處理理主主要要是是指指對對不不同同測測量量方方法法所所獲獲得得的的結結果果進進行行整整理理，，檢檢查查。。剔剔除除廢廢點點數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)，，增增加加必必要要的的補補償償點點，，對對測測量量數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)進進行行平平滑滑處處理理以以消消除除噪噪聲聲信信號號及及其其他他干干擾擾因因素素造造成成的的抖抖動動。。然然后后對對數(shù)數(shù)據(jù)據(jù)采采用用一一定定的的方方法法進進行行擬擬合合，，并并生生成成光光滑滑的的曲曲線線輸輸出出。?；蚧虍a(chǎn)產(chǎn)生生NC軌軌跡跡，，直直接接加加工工。。誤差分分析是是指對對反求求所獲獲得的的尺寸寸與參參數(shù)和和原始始零件件的尺尺寸與與參數(shù)數(shù)之間間存在在的誤誤差進進行分分析。。這些些誤差差包括括測量量誤差差、數(shù)數(shù)據(jù)整整理時時造成成的計計算誤誤差、、原始始零件件在制制造過過程中中產(chǎn)生生的不不可避避免的的制造造誤差差、原原始零零件在在使用用過程程中的的磨損損或破破損誤誤差。。為了提提高反反求精精度，，可采采取各各種措措施，，如提提高測測量精精度、、提高高擬合合計算算精度度等。。圖8－－2所所示為為一健健身器器的反反求設設計。。圖（（a））是健健身器器掃描描數(shù)據(jù)據(jù)點暈暈，圖圖（b）為為重構構曲面面線框框圖，，圖（（c））為重重構曲曲面光光照圖圖，圖圖（d）為為重構構曲面面NC加工工軌跡跡。有時無無法獲獲得產(chǎn)產(chǎn)品某某一部部分，，而且且是關關鍵部部分的的真實實面目目，若若強行行破壞壞會造造成經(jīng)經(jīng)濟損損失，，這時時就可可以采采用工工業(yè)CT與與分析析相結結合的的手段段。工工業(yè)CT成成本較較高，，精度度較低低，但但不損損傷實實物。。有了了CT的大大概圖圖像，，再從從原理理角度度詳細細分析析可能能的結結構形形狀。?；蛘哒呖梢砸愿鶕?jù)據(jù)遮蓋蓋物的的外形形分析析內(nèi)部部看不不見的的物體體可能能的結結構形形式，，再構構造其其結構構形狀狀。對于規(guī)規(guī)則形形狀零零件的的反求求，首首先要要選擇擇測量量基準準。一一般可可選擇擇零件件的底底面、、端面面、中中心線線、軸軸線或或對稱稱面為為測量量基準準。在在測量量時，，一般般取不不同的的角度度或方方位多多次測測量同同一尺尺寸，，然后后取其其平均均值。。對于規(guī)規(guī)則形形狀零零件的的尺寸寸也可可根據(jù)據(jù)概率率統(tǒng)計計原理理（即即零件件尺寸寸的制制造誤誤差與與測量量誤差差的概概率分分布服服從正正態(tài)分分布規(guī)規(guī)律，，尺寸寸誤差差位于于公差差中值值的概概率最最大））來確確定。。對于于一些些重要要的配配合尺尺寸，，首先先應判判別是是基孔孔制還還是基基軸制制配合合?；字浦婆浜虾系目卓椎纳仙掀畈顬檎?，，下偏偏差為為零；；而基基軸制制配合合的軸軸的上上偏差差為零零，下下偏差差為負負值。。對影像像、圖圖片的的反求求，只只能根根據(jù)透透視原原理、、色彩彩、參參照物物對比比等效效果所所獲得得的信信息，，再通通過功功能原原理的的分析析進行行推理理，構構造產(chǎn)產(chǎn)品的的結構構形狀狀。例例如，，根據(jù)據(jù)國外外某雜雜志介介紹的的省力力矩扳扳手的的圓盤盤外形形，以以及輸輸入輸輸出同同軸特特點進進行分分析，，認為為可能能是采采用行行星齒齒輪傳傳動，，以大大減速速比實實現(xiàn)增增矩的的效果果。按按此設設想進進行設設計，，果然然效果果很好好。4．材材料的的反求求材料的的反求求包括括材料料成分分的反反求、、材料料組織織結構構的反反求、、材料料的力力學性性能反反求以以及材材料的的工藝藝反求求。材料的的成分分是指指材料料的化化學成成分。。金屬屬材料料常用用的最最簡單單反求求方法法有火火花鑒鑒別和和音質質鑒別別。前前者是是將材材料與與砂輪輪磨削削后產(chǎn)產(chǎn)生的的火花花形狀狀鑒別別材料料的成成分，，后者者是根根據(jù)敲敲擊材材料的的聲音音頻率率判斷斷材料料的成成分。。比較較準確確的材材料成成分反反求有有原子子發(fā)射射光譜譜分析析法、、微探探針分分析法法等，，以及及對非非金屬屬材料料反求求采用用的紅紅外光光譜分分析法法。材料的的組織織結構構是指指材料料的化化學成成分及及結構構組織織情況況，可可用顯顯微鏡鏡觀察察，然然后通通過計計算機機描述述。材料的的工藝藝反求求是指指材料料的成成形方方法，，包括括鑄造造、鍛鍛壓、、擠壓壓、燒燒結、、各種種機加加工以以及各各種熱熱處理理等。。材料的力學性性能反求可以以通過各種測測試儀器，如如應力應變儀儀、硬度計等等進行測量，，通過對材料料各種力學性性能的測試還還可以反求出出材料的熱處處理方法，以以及材料的主主要成分。通過對材料一一系列性能的的反求，可以以反求出原始始的材料，或或反求出原始始材料的相關關力學特性，，這些將成為為反求設計選選擇材料或代代用材料的依依據(jù)。5．關鍵技術術的反求關鍵技術是指指那些能夠實實現(xiàn)同類產(chǎn)品品難以達到的的技術水平、、模仿難度較較大，且具有有一定競爭力力的技術。關關鍵技術是反反求設計的重重點，也是難難點。關鍵技技術包括關鍵鍵功能、關鍵鍵原理、關鍵鍵結構和關鍵鍵材料。在乳狀物料包包裝機的反求求設計中，發(fā)發(fā)現(xiàn)在物料輸輸送機構的側側面并聯(lián)了一一個氣泵機構構，經(jīng)過分析析與多次試驗驗確定了該氣氣泵的功能是是斷料。雖然然物料的輸送送量有計量機機構專門控制制，但物料的的流動性與黏黏聚性在一定定程度上影響響了包裝的質質量。有了這這樣一個斷料料的功能大大大提高了物料料分裝的準確確性。在分析研制篩篩分垃圾的振振動篩的工作作原理與結構構時，發(fā)現(xiàn)其其篩箱被分成成上下兩部分分，并且兩部部分之間安裝裝有槽鋼，槽槽鋼與上下篩篩箱之間安裝裝若干橡膠塊塊（橡膠塊數(shù)數(shù)量可調）；；上下篩箱又又被若干個小小鋼板固聯(lián)在在一起，而被被分割的每塊塊篩網(wǎng)兩端分分別被聯(lián)接在在篩箱與槽鋼鋼上。經(jīng)研究究認為它是運運用了雙質體體振動原理，，加強了篩網(wǎng)網(wǎng)的抖動，其其用心完全在在于防止具有有黏濕性的垃垃圾粘在篩網(wǎng)網(wǎng)上而影響篩篩分效率。這這樣一些關鍵鍵的原理與結結構使其不僅僅篩分效率提提高，而且壽壽命也大大提提高。見圖8－4。在一些產(chǎn)品中中采用了關鍵鍵的材料，使使其形成關鍵鍵的技術。例例如壓電纖維維這種材料具具有將振動、、壓力、彎曲曲變形能轉化化為電流的功功能。若將壓壓電纖維材料料用于網(wǎng)球拍拍中，便可減減少擊球后球球拍柄上產(chǎn)生生的振動，從從而減少了對對運動員手臂臂的壓力。若若將其用在滑滑雪板上，可可以讓滑雪板板邊緣緊貼雪雪地，從而減減少振動。如如圖8-5所所示。反反求設計計的主要過程程1．實物（整整機）反求實物反求形象象直觀，可面面對產(chǎn)品進行行分析、測試試、運行，以以獲得詳細的的設計資料。。同時還具有有參照性、可可比性，有利利于改進產(chǎn)品品，開發(fā)新產(chǎn)產(chǎn)品。其反求求過程如下所所述：（1）分析分析是指對原原始產(chǎn)品的功功能特點、原原理方案、結結構構型、工工藝過程、產(chǎn)產(chǎn)品的造型特特色等宏觀內(nèi)內(nèi)容的分析。。功能分析是要分析產(chǎn)品品的主要功能能、分功能和和輔助功能。。并按照體現(xiàn)現(xiàn)機電產(chǎn)品功功能的能量、、物料、信息息，以及與超超系統(tǒng)的關系系進行分析。。例如分析產(chǎn)產(chǎn)品共有幾個個動力源，屬屬于何種動力力源，這些動動力源的技術術參數(shù)分別是是多少，如功功率多大，轉轉矩多大，又又是如何將動動力分配給各各子系統(tǒng)的。。物料包括產(chǎn)產(chǎn)品本身的實實物組合形式式，以及制品品的形式。分分別分析它們們對產(chǎn)品功能能的影響情況況，哪些有利利于產(chǎn)品功能能的發(fā)揮，產(chǎn)產(chǎn)生有利因素素影響的原因因是什么。信信息主要指傳傳感與控制系系統(tǒng)，分析它它們對功能發(fā)發(fā)揮所起的作作用。超系統(tǒng)統(tǒng)主要指產(chǎn)品品存在的環(huán)境境、使用者或或操作者。分分析產(chǎn)品對環(huán)環(huán)境的影響，，以及環(huán)境對對產(chǎn)品的影響響。分析產(chǎn)品品的可操作性性及適應性。。原理方案分析析是要分析總功功能及每項分分功能各自采采用什么樣的的工作原理，，實現(xiàn)同樣功功能的還可能能有的工作原原理是什么，，比較它的優(yōu)優(yōu)越性和特色色。結構構型分析析則主要分析外外觀構造與形形狀、色彩。。外形構造和和諧、配色恰恰當?shù)漠a(chǎn)品會會具有較大的的吸引力。工藝過程分析析主要是分析產(chǎn)產(chǎn)品的工作流流程，并與同同類產(chǎn)品進行行比較其復雜雜性，以及流流程的長短，，資源的利用用等。（2）測試測試是指開車車運行，并在在運行中進行行有關性能的的測試，即對對產(chǎn)品質量有有影響的關鍵鍵性能進行測測試。例如功功能測試，即即是否能完成成應具備的各各種功能；原原理方案測試試，即判斷分分析時所反求求的原理是否否正確；振動動測試，即測測試機器運行行時的振動情情況；還有諸諸如啟動時間間、噪聲、運運行速度等性性能的測試。。然后對試驗驗的數(shù)據(jù)進行行科學處理，，記錄試驗的的故障現(xiàn)象，，為進一步反反求提供依據(jù)據(jù)。（3）分解分解是指對原原始產(chǎn)品的解解體、拆卸。。在有條件的的情況下最好好能對反求的的原始產(chǎn)品進進行分解，其其主要目的是是進一步探索索產(chǎn)品的工作作原理、結構構特性及零部部件的特殊結結構等。但分分解時要遵循循一定的原則則，應在能恢恢復原機的原原則下進行分分解，分解的的零部件要按按機器的組成成進行編號記記錄；拆后不不易復位的，，如過盈配合合的零部件，，特殊組件等等不可分解。。（4）測繪測繪主要是對對零部件的測測量與繪制。。測繪前首先先要分清標準準件與非標準準件，分清規(guī)規(guī)則形狀零件件與不規(guī)則形形狀零件，分分清重要零件件與一般零件件。對于重要要的、形狀又又不規(guī)則的零零件應采用三三坐標儀等高高精度儀器進進行測量，并并借助計算機機進行曲線擬擬合與數(shù)據(jù)整整理并輸出。。對有配合的的零件要注意意公差的反求求與表面精度度的反求。測測量后的繪制制需要對零件件的工作特性性與技術要求求進行標注，，特殊的情況況還應進行優(yōu)優(yōu)化設計，或或采用有限元元等分析方法法反求零件的的強度與剛度度等。（5）改進與與創(chuàng)新在反求已知產(chǎn)產(chǎn)品的基礎上上進行設計的的形式有三種種，它們是：：模仿設計、、改進設計和和創(chuàng)新設計。。模仿設計沒沒有太大的實實際意義；改改進設計是在在分析原有產(chǎn)產(chǎn)品的基礎上上對原產(chǎn)品的的某些結構、、參數(shù)、材料料等進行部分分的改進性設設計；創(chuàng)新設設計就是在分分析原產(chǎn)品的的基礎上，抓抓住功能的本本質，從原理理方案開始進進行創(chuàng)新設計計。在進行改進與與創(chuàng)新時必須須注意新產(chǎn)品品與原產(chǎn)品的的功能與成本本的關系比較較。應該使新新產(chǎn)品相對于于原產(chǎn)品保持持：功能不變變，降低成本本；增加功能能，降低成本本；或增加功功能，成本不