淺談機械創(chuàng)新設計中的反求設計

張航

反求設計（也稱逆向設計）是設計人員以先進設備的軟件（圖樣、程序、技術文件）、影像（圖片、照片等）和實物作為研究對象，應用現(xiàn)代設計理論方法、人機工程學等有關專業(yè)知識，進行系統(tǒng)的分析和研究，進而開發(fā)出同類的先進產(chǎn)品的過程。

一、對反求對象的分析

在進行反求設計前，首先要對反求設計的對象（全文簡稱反求對象）進行分析。

1.對反求對象的設計指導思想和功能原理的分析

產(chǎn)品的設計指導思想決定了產(chǎn)品的設計方案，深入分析并掌握產(chǎn)品的設計指導思想是分析了解整個產(chǎn)品設計的前提。充分了解反求對象的功能有助于對產(chǎn)品原理方案的分析、理解和掌握，且有可能在進行反求設計時得到基于原產(chǎn)品而又高于原產(chǎn)品的原理方案。

2.對反求對象的工藝和裝配的分析

反求設計和反求工藝是相互聯(lián)系的，缺一不可。在缺乏制造原型產(chǎn)品的先進設備與先進工藝方法和未掌握某些技術技巧的情況下，對反求對象進行工藝分析通常采用以下幾種常用的方法。

2.1采用反判法編制工藝規(guī)程。以零件的技術要求如尺寸精度、形位公差、表面質(zhì)量等為依據(jù)，查明設計基準，分析關鍵工藝，優(yōu)選加工工藝方案，并依次由后向前遞推加工工序，編制工藝規(guī)程。

2.2改進工藝方案，保證引進技術的原設計要求。在保證引進技術的設計要求和功能的前提條件下，局部地改進某些實現(xiàn)較為困難的工藝方案。

2.3用曲線對應法反求工藝參數(shù)。先將需分析的產(chǎn)品的性能指標或工藝參數(shù)建立第一參照系，以實際條件建立第二參照系，根據(jù)已知點或某些特殊點把工藝參數(shù)及其有關的量與性能的關系擬合出一條曲線，并按曲線的規(guī)律適當拓寬，從曲線中找出相對于第一參照系性能指標的工藝參數(shù)，即是需求的工藝參數(shù)。

2.4材料國產(chǎn)化，局部改進原型結(jié)構(gòu)以適應工藝水平。由于材料以及工藝對加工方法的選擇起決定性作用，所以，在無法保證使用原產(chǎn)品的制造材料時，或在使用原產(chǎn)品的制造材料后，工藝水平不能滿足要求的情況下，可以使用國產(chǎn)化材料，以適應當前的工藝水平。對反求對象進行裝配分析，應主要考慮：用什么裝配工藝來保證產(chǎn)品的性能要求，能否將原產(chǎn)品的若干個零件組合成一個部件，如何提高裝配速度等。

對反求對象精度的分析，產(chǎn)品的精度直接影響到產(chǎn)品的性能，對反求對象精度的分析包括了對反求對象形體尺寸的確定、精度的分配等內(nèi)容。在確定形體尺寸時，根據(jù)反求對象軟件、影像或?qū)嵨锏牟煌?，所選用的反求方法也有所不同。若是實物反求，則可通過常用的測量設備（如萬能量具、投影儀、坐標機等）對產(chǎn)品直接進行測量，以確定形體尺寸；若是軟件反求和影像反求，則可采用參照物對比法，利用透視成像的原理和作圖技術并結(jié)合人機工程學和相關的專業(yè)知識，通過分析計算來確定形體尺寸。在進行精度的分配時，根據(jù)產(chǎn)品的精度指標及總的技術條件、產(chǎn)品的工作原理圖，并且綜合考慮生產(chǎn)技術水平、產(chǎn)品生產(chǎn)的經(jīng)濟性和國家技術標準等，按以下步驟進行：明確產(chǎn)品的精度指標；綜合考慮理論誤差和原理誤差，進行產(chǎn)品工作原理設計和安排總體布局；在完成草圖設計后，找出全部的誤差源，進行總的精度計算；編寫技術設計說明書，確定精度；在產(chǎn)品的研制、生產(chǎn)的全過程中，根據(jù)實際生產(chǎn)情況，對所作的精度分配進行調(diào)整、修改。

產(chǎn)品造型設計是產(chǎn)品設計與藝術設計相結(jié)合的綜合性技術。其主要目的是運用工業(yè)美學、產(chǎn)品造型原理、人機工程學原理等對產(chǎn)品的外形造型、色彩設計等進行分析，以提高產(chǎn)品的外觀質(zhì)量和舒適方便程度。例如，在數(shù)控系統(tǒng)的設計中，就要充分考慮到數(shù)控系統(tǒng)的顯示器的布局問題，圖形和漢字顯示問題，數(shù)控系統(tǒng)操作面板的造型和色彩問題，各個功能操作按鍵的造型、色彩、布局及操作的方便性問題等等。

分析反求對象時，要考慮到所引進的產(chǎn)品是否已經(jīng)系列化，是否為系列型譜中的一個，在系列型譜中是否具有代表性，產(chǎn)品的模塊化程度如何等具體問題，使得在設計制造時少走彎路，提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低成本，生產(chǎn)出多品種、多規(guī)格、通用化較強的產(chǎn)品，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。

二、反求設計的研究內(nèi)容與方法

1.軟件反求設計法

軟件反求設計法是以產(chǎn)品的樣本資料、產(chǎn)品標準、產(chǎn)品規(guī)范以及與設計、研制、生產(chǎn)制造有關的技術資料和技術文件等為研究對象的反求工程技術。軟件反求設計的目的是通過對所引進的如上所述的技術軟件的分析、研究，提高本國在該產(chǎn)品技術上的設計、生產(chǎn)制造能力。

2.影像反求設計法

影像反求設計是以產(chǎn)品照片、圖片、影視畫面等參考資料為對象來進行分析設計的。在運用影像反求設計的方法進行分析、設計時，由于研究對象主要是產(chǎn)品的外觀圖片、畫面、影像等，很難甚至無法了解到產(chǎn)品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。為此，在進行設計時，要求工程技術人員必須掌握相應的理論和分析方法，如中心投影規(guī)律，透視變換和透視投影，透視圖的形成原理、色彩、陰影等相關知識。影像反求設計法的設計步驟：廣泛地收集參考資料；多方面分析、研究參考資料；設計產(chǎn)品的方案；評價方案；設計反求技術。

3.實物反求設計法

實物反求設計法的研究對象為引進的比較先進的設備或產(chǎn)品實物，其目的是通過對產(chǎn)品的設計原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝裝配等進行分析研究，研制開發(fā)出與被分析產(chǎn)品功能、結(jié)構(gòu)等方面相似的產(chǎn)品。實物反求設計是一個認識產(chǎn)品—再現(xiàn)產(chǎn)品—超越原產(chǎn)品的過程。

實物反求可分為對整個設備的反求（即整機反求）、對組成機器的部件的反求（即部件反求）和對機器零件的反求（即零件反求）三個組成部分。

實物反求設計法一般是通過三坐標測量機或激光掃描機等先進的數(shù)據(jù)采集設備獲取復雜零件的三維數(shù)據(jù)點，然后利用反求軟件進行數(shù)據(jù)點處理，實現(xiàn)由點一線一面的CAD三維模型設計。所以，軟件反求設計法主要包含兩項內(nèi)容，一是實物模型表面數(shù)據(jù)點的獲取，即數(shù)字化技術，二是曲面造型技術。

三、結(jié)語

反求技術與NC加工技術相結(jié)合稱之為反求工程。目前常用的方法是實物反求設計法即針對現(xiàn)有工件（樣品或模型）利用3D數(shù)字化測量儀器準確、快速地量取輪廓坐標值，并加以建構(gòu)曲面，對曲面進行編輯、修改后，傳到CAD～CAM系統(tǒng)，再由CAM所產(chǎn)生刀具的NC加工路徑送至CNC加工制作所需模具，或者送到快速成型機（Rapid Prototyping）將樣品模型制作出來。反求工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔的途徑之一。