機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)-第8章-反求設(shè)計(jì)與創(chuàng)新

Mecca-MedinaHelgadesignToLearn,RespectandUnderstandotherPeopleandBelievesistheSecretofPEACEHelgaphotosfromWeb第八章反求設(shè)計(jì)與創(chuàng)新反求設(shè)計(jì)〔也稱逆向設(shè)計(jì)〕，是指設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品實(shí)物樣件外表進(jìn)行數(shù)字化處理(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理)，并利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來(lái)重新構(gòu)造實(shí)物的CAD模型(曲面模型重構(gòu))，并進(jìn)一步用CAD/CAE／CAM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過(guò)程。

逆向設(shè)計(jì)的流程示意：產(chǎn)品樣件→數(shù)據(jù)采集→數(shù)據(jù)處理CAD/CAE/CAM系統(tǒng)→模型重構(gòu)→制造系統(tǒng)→新產(chǎn)品。反求設(shè)計(jì)與創(chuàng)新8.1概述8.2反求設(shè)計(jì)的內(nèi)容與過(guò)程當(dāng)時(shí)日本作為第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)敗國(guó)，在經(jīng)濟(jì)上飽受戰(zhàn)爭(zhēng)影響，急于恢復(fù)與開(kāi)展。他們提出的口號(hào)是：“一代引進(jìn)，二代國(guó)產(chǎn)化，三代改進(jìn)出口，四代占領(lǐng)國(guó)際市場(chǎng)〞。三洋電機(jī)開(kāi)發(fā)洗衣機(jī)的過(guò)程就是一個(gè)很好的實(shí)例。1952年夏，三洋電機(jī)當(dāng)時(shí)的社長(zhǎng)井植歲男看到了洗衣機(jī)市場(chǎng)存在巨大的潛力，決定開(kāi)始研制洗衣機(jī)。他們購(gòu)置了各種不同品牌的洗衣機(jī)，并將其送至干部的家中，公司也放滿了各式各樣的洗衣機(jī)。公司讓員工們反復(fù)研究琢磨、試驗(yàn)、比較和分析，充分總結(jié)和剖析各類洗衣機(jī)的優(yōu)缺點(diǎn)、平安性能、方便程度以及價(jià)格水平等，找出了一種比較滿意的方案，試制了一臺(tái)樣機(jī)。正準(zhǔn)備投入市場(chǎng)時(shí)，他們又發(fā)現(xiàn)了英國(guó)胡佛公司最新推出的渦輪噴流式洗衣機(jī)。這種渦輪噴流式洗衣機(jī)的性能比原先的攪拌式洗衣機(jī)有了很大的提高。三洋公司的管理者深深懂得，后開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品，如果在性能上沒(méi)有明顯優(yōu)于已經(jīng)上市的同類產(chǎn)品，那么你不僅應(yīng)當(dāng)預(yù)計(jì)到在今后的競(jìng)爭(zhēng)中必然遭受失敗的后果，甚至一開(kāi)始就應(yīng)當(dāng)考慮是否投產(chǎn)的問(wèn)題。于是三洋公司果斷地放棄了已投入幾千萬(wàn)元研制出的即將成批生產(chǎn)的洗衣機(jī)，開(kāi)始對(duì)胡佛公司的渦輪噴流式洗衣機(jī)進(jìn)行全面解剖和改進(jìn)。于1953年春研制出日本第一臺(tái)噴流式洗衣機(jī)。這種性能優(yōu)異、價(jià)格只及傳統(tǒng)攪拌式洗衣機(jī)一半的新產(chǎn)品，一上市便引起轟動(dòng)，不僅帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益，而且使三洋公司在洗衣機(jī)行業(yè)站穩(wěn)了腳跟。反求設(shè)計(jì)的過(guò)程可表達(dá)為：明確設(shè)計(jì)要求反求分析（實(shí)物、軟件或影像）開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)原理方案設(shè)計(jì)技術(shù)設(shè)計(jì)施工設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)試制產(chǎn)品生產(chǎn)仿型設(shè)計(jì)變異設(shè)計(jì)8.2反求設(shè)計(jì)的內(nèi)容與過(guò)程

8.2.1反求設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容1．設(shè)計(jì)思想的反求

反求設(shè)計(jì)的最重要內(nèi)容是探求設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想。設(shè)計(jì)思想是設(shè)計(jì)者的靈魂，設(shè)計(jì)者會(huì)挖掘個(gè)人的所有知識(shí)與經(jīng)驗(yàn)用來(lái)開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，是設(shè)計(jì)者本人或設(shè)計(jì)小組全體成員智慧的結(jié)晶。

設(shè)計(jì)思想主要應(yīng)包括設(shè)計(jì)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的必要性與適應(yīng)性，產(chǎn)品是在何種條件下產(chǎn)生的，為什么要研制開(kāi)發(fā)這種產(chǎn)品；產(chǎn)品造型的特殊性，這種造型會(huì)產(chǎn)生何種效應(yīng)與影響，是單純?yōu)椴僮髡咛峁┓奖悖€是具有某種特殊功能；產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，有些什么與眾不同的特點(diǎn)，進(jìn)而分析這些特殊結(jié)構(gòu)的特殊原因，以及會(huì)造成的結(jié)果等。設(shè)計(jì)思想的反求是貫穿反求全過(guò)程的工作，在反求設(shè)計(jì)中的每一步驟都不要忘記揣摩設(shè)計(jì)者的意圖。2．功能原理的反求功能原理的反求也是一個(gè)分析過(guò)程。對(duì)于一個(gè)產(chǎn)品，其總功能是的，但深入分析其組成結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的各組成局部的分功能，乃至功能元并非全了解，因此很有必要首先分析組成產(chǎn)品各局部存在的意義。其次應(yīng)深入分析實(shí)現(xiàn)這一功能的工作原理，是簡(jiǎn)單的機(jī)械效應(yīng)，或是氣動(dòng)與液壓的效應(yīng)，還是電磁等效應(yīng)；是采用了分割，還是合并原理等。掌握了功能原理，就可以變被動(dòng)為主動(dòng)，開(kāi)發(fā)出實(shí)現(xiàn)同樣功能的不同原理解，也就實(shí)現(xiàn)了從反求到創(chuàng)新的過(guò)程。3．結(jié)構(gòu)形狀與尺寸參數(shù)的反求結(jié)構(gòu)形狀與尺寸參數(shù)的反求既是一個(gè)分析過(guò)程，也是一個(gè)實(shí)際測(cè)繪過(guò)程。反求活動(dòng)中包含有實(shí)物測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等內(nèi)容。對(duì)于實(shí)物反求，可以比較容易的獲得產(chǎn)品某局部的實(shí)際結(jié)構(gòu)形狀，這將有利于反求工作的進(jìn)行。一般情況，零件形狀可以劃分為規(guī)那么的〔如平面、圓柱、圓孔、凸臺(tái)、導(dǎo)軌等〕，以及不規(guī)那么的形狀〔如凸輪、葉輪、自由曲面等〕。根據(jù)形狀的復(fù)雜程度，可以采用不同的測(cè)量手段、獲取數(shù)據(jù)的方法，以及誤差的分析方法。對(duì)于不規(guī)那么形狀零件的反求，首先要建立零件的測(cè)量坐標(biāo)系。測(cè)量時(shí)測(cè)點(diǎn)的位置在均勻分布的根底上，再按曲率特性補(bǔ)充測(cè)點(diǎn)，使測(cè)量路徑既容易形成，又考慮到加工難度隨曲率變化的規(guī)律。目前用于工業(yè)測(cè)量的方法有坐標(biāo)測(cè)量?jī)x、激光測(cè)量?jī)x、工業(yè)CT、逐層切削照相測(cè)量等。假設(shè)采用測(cè)量機(jī)或激光掃描等采樣設(shè)備時(shí)，還要注意測(cè)頭的方位。數(shù)據(jù)的處理主要是指對(duì)不同測(cè)量方法所獲得的結(jié)果進(jìn)行整理，檢查。剔除廢點(diǎn)數(shù)據(jù)，增加必要的補(bǔ)償點(diǎn)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理以消除噪聲信號(hào)及其他干擾因素造成的抖動(dòng)。然后對(duì)數(shù)據(jù)采用一定的方法進(jìn)行擬合，并生成光滑的曲線輸出。或產(chǎn)生NC軌跡，直接加工。誤差分析是指對(duì)反求所獲得的尺寸與參數(shù)和原始零件的尺寸與參數(shù)之間存在的誤差進(jìn)行分析。這些誤差包括測(cè)量誤差、數(shù)據(jù)整理時(shí)造成的計(jì)算誤差、原始零件在制造過(guò)程中產(chǎn)生的不可防止的制造誤差、原始零件在使用過(guò)程中的磨損或破損誤差。為了提高反求精度，可采取各種措施，如提高測(cè)量精度、提高擬合計(jì)算精度等。

圖8－2所示為一健身器的反求設(shè)計(jì)。圖〔a〕是健身器掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)暈，圖〔b〕為重構(gòu)曲面線框圖，圖〔c〕為重構(gòu)曲面光照?qǐng)D，圖〔d〕為重構(gòu)曲面NC加工軌跡。有時(shí)無(wú)法獲得產(chǎn)品某一局部，而且是關(guān)鍵局部的真實(shí)面目，假設(shè)強(qiáng)行破壞會(huì)造成經(jīng)濟(jì)損失，這時(shí)就可以采用工業(yè)CT與分析相結(jié)合的手段。工業(yè)CT本錢(qián)較高，精度較低，但不損傷實(shí)物。有了CT的大概圖像，再?gòu)脑斫嵌仍敿?xì)分析可能的結(jié)構(gòu)形狀?；蛘呖梢愿鶕?jù)遮蓋物的外形分析內(nèi)部看不見(jiàn)的物體可能的結(jié)構(gòu)形式，再構(gòu)造其結(jié)構(gòu)形狀。

對(duì)于規(guī)那么形狀零件的尺寸也可根據(jù)概率統(tǒng)計(jì)原理〔即零件尺寸的制造誤差與測(cè)量誤差的概率分布服從正態(tài)分布規(guī)律，尺寸誤差位于公差中值的概率最大〕來(lái)確定。對(duì)于一些重要的配合尺寸，首先應(yīng)判別是基孔制還是基軸制配合?；字婆浜系目椎纳掀顬檎?，下偏差為零；而基軸制配合的軸的上偏差為零，下偏差為負(fù)值。對(duì)影像、圖片的反求，只能根據(jù)透視原理、色彩、參照物比照等效果所獲得的信息，再通過(guò)功能原理的分析進(jìn)行推理，構(gòu)造產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)形狀。例如，根據(jù)國(guó)外某雜志介紹的省力矩扳手的圓盤(pán)外形，以及輸入輸出同軸特點(diǎn)進(jìn)行分析，認(rèn)為可能是采用行星齒輪傳動(dòng)，以大減速比實(shí)現(xiàn)增矩的效果。按此設(shè)想進(jìn)行設(shè)計(jì)，果然效果很好。8.2.2反求設(shè)計(jì)的主要過(guò)程1．實(shí)物〔整機(jī)〕反求實(shí)物反求形象直觀，可面對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行分析、測(cè)試、運(yùn)行，以獲得詳細(xì)的設(shè)計(jì)資料。同時(shí)還具有參照性、可比性，有利于改進(jìn)產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品。其反求過(guò)程如下所述?！?〕分析分析是指對(duì)原始產(chǎn)品的功能特點(diǎn)、原理方案、結(jié)構(gòu)構(gòu)型、工藝過(guò)程、產(chǎn)品的造型特色等宏觀內(nèi)容的分析?！?〕測(cè)試測(cè)試是指開(kāi)車(chē)運(yùn)行，并在運(yùn)行中進(jìn)行有關(guān)性能的測(cè)試，即對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有影響的關(guān)鍵性能進(jìn)行測(cè)試。例如功能測(cè)試，即是否能完成應(yīng)具備的各種功能；原理方案測(cè)試，即判斷分析時(shí)所反求的原理是否正確；振動(dòng)測(cè)試，即測(cè)試機(jī)器運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)情況；還有諸如啟動(dòng)時(shí)間、噪聲、運(yùn)行速度等性能的測(cè)試。然后對(duì)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)處理，記錄試驗(yàn)的故障現(xiàn)象，為進(jìn)一步反求提供依據(jù)?！?〕分解分解是指對(duì)原始產(chǎn)品的解體、拆卸。在有條件的情況下最好能對(duì)反求的原始產(chǎn)品進(jìn)行分解，其主要目的是進(jìn)一步探索產(chǎn)品的工作原理、結(jié)構(gòu)特性及零部件的特殊結(jié)構(gòu)等。但分解時(shí)要遵循一定的原那么，應(yīng)在能恢復(fù)原機(jī)的原那么下進(jìn)行分解，分解的零部件要按機(jī)器的組成進(jìn)行編號(hào)記錄；拆后不易復(fù)位的，如過(guò)盈配合的零部件，特殊組件等不可分解?！?〕改進(jìn)與創(chuàng)新在反求產(chǎn)品的根底上進(jìn)行設(shè)計(jì)的形式有三種：模仿設(shè)計(jì)——模仿設(shè)計(jì)