機械設計反求設計.ppt

1、第7章 反求設計,反求設計,7.1 反求工程概述 7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 7.3 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計 7.4 三維反求技術,反求設計,7.1 反求工程概述 在現(xiàn)代社會中，科技成果的應用已成為推動生產(chǎn)力發(fā)展的重要手段。把別的國家的科技成果加以引進，消化吸收，改進提高，再進行創(chuàng)新設計，進而發(fā)展自己的新技術，是發(fā)展民族經(jīng)濟的捷徑。稱這一過程為反求工程。 一、反求工程 反求工程一般要經(jīng)歷以下過程： (1)引進技術的應用過程 學會引進產(chǎn)品或生產(chǎn)設備的技術操作和維修，令其在生產(chǎn)中發(fā)揮作用，并創(chuàng)造經(jīng)濟效益。在生產(chǎn)實踐中，了解其結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)工藝、技術性能、特點以及不足之處，做到“知其然”

2、。,反求設計,7.1 反求工程概述 (2)引進技術的消化過程 對引進產(chǎn)品或生產(chǎn)設備的設計原理、結(jié)構(gòu)、材料、制造工藝、管理方法等項內(nèi)容進行深入的分析研究，用現(xiàn)代的設計理論、設計方法及測試手段對其性能進行計算測定，了解其材料配方、工藝流程、技術標準、質(zhì)量控制、安全保護等技術條件，特別要找出它的關鍵技術，做到“知其所以然”。 (3)引進技術的創(chuàng)新過程 在上述基礎上，消化、綜合引進的技術，采眾家之長，進行創(chuàng)新設計，開發(fā)出具有本國特色的新產(chǎn)品。最后完成從技術引進到技術輸出的過程，創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟效益。這一過程是反求工程中最重要的環(huán)節(jié)，也是利用反求工程進行創(chuàng)新設計的最后結(jié)果階段。,反求設計,7.1 反求工

3、程概述 二、反求設計 反求設計是對已有的產(chǎn)品或技術進行分析研究，掌握其功能原理、零部件的設計參數(shù)、材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、關鍵技術等指標，再根據(jù)現(xiàn)代設計理論與方法，對原產(chǎn)品進行仿造設計、改進設計或創(chuàng)新設計。反求設計已成為世界各國發(fā)展科學技術、開發(fā)新產(chǎn)品的重要設計方法之一。 反求設計中應注意的問題分析如下： (1)探索原產(chǎn)品的設計思想 探索原產(chǎn)品設計的指導思想是產(chǎn)品改進設計的前提。如某減速器有兩個輸入軸，一個用電動機驅(qū)動，而另一個則考慮到停電時用柴油機驅(qū)動。其設計的指導思想一定是應用在非常重要的場合。奔騰計算機I型的主機電源較大，其設計的指導思想是該機升級時僅更換CPU芯片即可。了解原產(chǎn)品的設計思想后

4、，可按認知規(guī)律，提前設計出新一代同類產(chǎn)品。,反求設計,7.1 反求工程概述 (3)研究產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設計 產(chǎn)品中零、部件的具體結(jié)構(gòu)是產(chǎn)品功能目標的保證，對產(chǎn)品的性能、成本、壽命、可靠性有著極大的影響。 (4)對產(chǎn)品的零、部件進行測繪 對產(chǎn)品的零、部件進行測繪是反求設計中工作量很大的一部分工作。用現(xiàn)代設計方法對所測的零件進行分析，進而確定反求時的設計方法。 (5)對產(chǎn)品的零件公差與配合公差進行分析 公差問題的分析是反求設計中的難點之一。通過測量，只能得到零件的加工尺寸，不能獲得幾何精度的分配。合理設計其幾何精度，對提高產(chǎn)品的裝配精度和機械性能至關重要。,反求設計,7.1 反求工程概述 (6)對產(chǎn)品中

5、零件的材料進行分析 通過零件的外觀比較、重量測量、硬度測量、化學分析、光譜分析、金相分析等手段，對材料的物理、化學成分、熱處理進行鑒定。參照同類產(chǎn)品的材料牌號，選擇滿足力學性能和化學性能要求的國產(chǎn)材料代用。 對產(chǎn)品的工作性能進行分析 通過分析產(chǎn)品的運動特性、動力特性及其工作特性，了解產(chǎn)品的設計方法，提出改進措施。,反求設計,7.1 反求工程概述 (8)對產(chǎn)品的造型進行分析 對產(chǎn)品的造型及色彩進行分析，從美學原則、顧客需求心理、商品價值等角度進行構(gòu)型設計和色彩設計。 (9)對產(chǎn)品的維護與管理進行分析 分析產(chǎn)品的維護與管理方式，了解重要零、部件及易損的零、部件，有助于維修、改進設計和創(chuàng)新設計。,反

6、求設計,7.1 反求工程概述 三、反求工程與科學技術的發(fā)展 二戰(zhàn)結(jié)束后，日本的國民經(jīng)濟處于癱瘓狀態(tài)。1950年的國民總產(chǎn)值僅為英國的129，經(jīng)濟落后于美國30年。日本把引入國外先進科學技術這一吸收性戰(zhàn)略作為堅定不移的國策，其經(jīng)濟復蘇很快。19451970年期間，引進國外技術的投資為60億美元，掌握每項技術的時間約為23年。如自行研制，則需投資約為1800億美元，掌握每項技術的時間約為1215年。凡是國外先進和適用的技術，都積極引入，其中80為專利和圖樣。,反求設計,7.1 反求工程概述 三、反求工程與科學技術的發(fā)展 日本在引入技術的同時，十分注意對反求工程的研究。對先進技術進行消化、吸收和國產(chǎn)

7、化。在19451970年期間，引進國外技術的投資為60億美元，而花費150億美元用于反求工程的研究。他們的口號是；第一臺引進，第二臺國產(chǎn)化，第三臺出口。通過對反求工程的研究，改進并提高引進技術，迅速實現(xiàn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化，在應用過程中不斷完善自己的產(chǎn)品，開發(fā)創(chuàng)新出許多新產(chǎn)品，并逐步形成了自己的工業(yè)體系。成功地運用反求工程，使日本政府節(jié)約了65的研究時間和90的研究經(jīng)費。20世紀70年代初，日本的工業(yè)已達到歐美發(fā)達國家的水平。,反求設計,7.1 反求工程概述 四、反求設計是創(chuàng)新的重要方法 一般情況下，有兩種創(chuàng)新方式。第一種是從無到有，完全憑借基本知識、思維、靈感與豐富的經(jīng)驗。第二種是從有到新。借助已有

8、的產(chǎn)品、圖樣、音像等已存在的可感觀的實物，創(chuàng)新出更先進、更完美的產(chǎn)品。反求設計就屬于第二種創(chuàng)新方式。 世界各國利用反求工程進行創(chuàng)新設計的實例很多。 日本的SONY公司從美國引入在軍事領域中應用的晶體管專利技術后，進行反求工程設計，將其反求結(jié)果用于民用，開發(fā)出晶體管收音機，并迅速占領了國際市場。獲得了顯著的經(jīng)濟效益。,反求設計,7.1 反求工程概述 四、反求設計是創(chuàng)新的重要方法 日本的本田公司從世界各國引進500多種型號的摩托車，對其進行反求設計，綜合其優(yōu)點，研制出耗油少、噪聲低、成本低、性能好、造型美的新型本田摩托車，風靡全世界，壟斷了國際市場，為日本的出口創(chuàng)匯做出巨大的貢獻。 日本的鋼鐵公司

9、從國外引進高爐、連鑄、熱軋、冷軋等鋼鐵技術，幾大鋼鐵公司聯(lián)合組成了反求工程研究機構(gòu)，經(jīng)過消化、吸收、改造和完善，建立了世界一流水平的鋼鐵工業(yè)。在反求工程的基礎上，創(chuàng)新設計出國產(chǎn)轉(zhuǎn)爐，并向英美等發(fā)達國家出口，使日本一躍成為世界鋼鐵大國。,反求設計,7.1 反求工程概述 五、反求設計與知識產(chǎn)權(quán) 科學技術的發(fā)展與知識產(chǎn)權(quán)的保護密切相關。知識產(chǎn)權(quán)是無形資產(chǎn)。無形資產(chǎn)具有很大的潛在價值，是客觀存在的經(jīng)濟要素，具有有形資產(chǎn)不可替代的價值，甚至具有超乎想象的價值。因此，世界各國都加強了對本國知識產(chǎn)權(quán)的保護。 在從事反求設計時，一定要懂知識產(chǎn)權(quán)。不要侵害別人的專利權(quán)、著作權(quán)、商標權(quán)等受保護的知識產(chǎn)權(quán)。同時也要

10、注意保護自己所創(chuàng)新部分的知識產(chǎn)權(quán)。引入技術與知識產(chǎn)權(quán)密切相關，而對引入技術的反求設計與知識產(chǎn)權(quán)更是密切相關。所以，一定要處理好引入技術與反求設計的知識產(chǎn)權(quán)關系。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 已知機械設備的反求設計，因存在具體的機器實物，又稱實物的反求設計，也有人稱硬件的反求設計，是反求工程中最常用的設計方法。 一、機械設備反求設計的種類與特點 1機械設備反求設計的種類 根據(jù)反求的目的，機械設備反求設計可分為三種： (1)整機的反求 整機的反求是指對整臺機械設備進行反求設計。如一臺發(fā)動機、一臺汽車、一臺機車、一臺機床、整套設備中的某一設備等。一些不發(fā)達的國家在經(jīng)濟起步階段常用

11、這種方法，以加快工業(yè)發(fā)展的速度。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 (2)部件反求 反求對象是機械裝置中的某一些部件，如機床中的主軸箱、汽車中的后橋、內(nèi)燃機車中的液力變矩器、飛機中的起落架等組件。反求部件一般是機械中的重點或關鍵部件，也是各國進行技術控制的部件。如空調(diào)、電冰箱中的壓縮機，就是產(chǎn)品的關鍵部件。我國在大量進口空調(diào)機的同時，正在加緊進行壓縮機反求設計，力爭在較短的時間內(nèi)，實現(xiàn)壓縮機的國產(chǎn)化，以提高我國空調(diào)機的整體質(zhì)量，早日打開國際市場。 (3)零件反求 反求對象是機械中的某些零件，如發(fā)動機中的凸輪軸、汽車后橋中的圓錐齒輪、滾動軸承中的滾動體等零件。反求的零件一般是機械中

12、的關鍵零件，如發(fā)動機中的凸輪軸，一直是發(fā)動機反求設計的重點。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 2機械設備反求設計的特點 機械設備的反求設計有如下特點： (1)具有形象直觀的實物，有利于形象思維。 (2)可對產(chǎn)品或設備的性能、材料等項內(nèi)容直接進行測試與分析，以獲得詳細的設計資料。 (3)可對產(chǎn)品或設備的尺寸直接進行測試與分析，以獲得重要的尺寸設計資料。 (4)目的是反求仿制時，縮短了設計周期，提高了產(chǎn)品的生產(chǎn)起點與速度。 (5)仿制產(chǎn)品與引進產(chǎn)品有可比性，有利于提高產(chǎn)品的質(zhì)量。 (6)在仿制的基礎上加以改進和創(chuàng)新，為開發(fā)新產(chǎn)品提供了有利條件。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求

13、與創(chuàng)新設計 二、機械設備反求設計的過程 機械設備反求設計一般要經(jīng)歷圖7-1所示的流程。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 三、零、部件的測繪與分析 在進行測繪之前，應備齊、讀懂有關資料，為反求設計作前期準備工作。如產(chǎn)品說明書、維修手冊、同類產(chǎn)品樣本及產(chǎn)品廣告等。還要收集與測繪有關的資料，如機器的裝配與分解方法、零件的公差及測量、典型零件(齒輪、軸承、螺紋、花鍵、彈簧等)的畫法、標準件的有關資料，制圖及國家標準等資料。 在進行零、部件的測繪之前，首先要明確待反求設備中各零、部件的功能。這是測繪過 程中進行分析的不可缺少的內(nèi)容。明確各部分的功能后，再開始測繪。,反求設計,7.2 已知

14、機械設備的反求與創(chuàng)新設計 1機械設備的分解原則 測繪之前，要對樣機進行分解，以便進行尺寸測量。分解實物時要注意以下原則： 1)遵循“能恢復原機”的原則進行拆機。也就是說，拆完后能按原樣裝配。 2)分解的零、部件按機器的組成進行編號，并有專人保管。 3)拆后不易復位的零件(如游標、度盤等部件)、過盈配合的零件或有些特殊的組件可不 進行分解。如圖8-3所示的采用鑄鐵輪心2、銅制蝸輪1之間的裝配，可不分解。 4)分解過程中要有分解記錄。要特別注意記錄那些難拆的零件和有裝拆技巧的零件的分 解過程，以減少恢復原機的困難。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 2測繪的一般方法 被測零件的形狀千

15、差萬別，但按其在機械中所起的作用可分為聯(lián)接、緊固零件、傳動零 件、密封件和箱殼類零件等。在測繪時要標明是否為標準件。 測繪時要基本按比例畫出零件草圖，然后標注測量尺寸。尺寸的測量對實物反求至關重要。在進行尺寸測量時要注意以下問題； 1)選擇測量基準。機械零件有兩種尺寸。即表示零件基本形體相對位置的定位尺寸和表示零件基本形體大小的形狀尺寸，定位尺寸確定后才能確定形體尺寸。一般可選擇零件的底面、端面、中心線、軸線或?qū)ΨQ面為尺寸基準。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 2測繪的一般方法 2)關鍵零件的尺寸要進行多次測量，取其平均值為測量尺寸。 3)對配合尺寸、定位尺寸等功能性尺寸要測量

16、到小數(shù)點后三位數(shù)字，沒有公差的非功能性尺寸，僅測量到小數(shù)點后一位數(shù)字即可。 4)測量具有復雜形面的零件時(如汽輪機葉片、凸輪廓線等)，要邊測量、邊畫放大圖，以檢查測量中出現(xiàn)的問題，及時修正測量結(jié)果。 5)有些不能直接測量到的尺寸，要根據(jù)產(chǎn)品性能、技術要求、工作范圍等條件，通過分析計算求出來。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 3實測尺寸數(shù)據(jù)的處理 實測尺寸不等于原設計尺寸，需要從實測尺寸推論出原設計尺寸。假設所測的零件尺寸均為合格的尺寸，實測值一定是圖樣上規(guī)定的公差范圍內(nèi)的某一數(shù)值。即 實測值基本尺寸 制造誤差 測量誤差 制造誤差與測量誤差之和，必定小于或等于給定的公差，故實測值

17、應在最大極限尺寸和最小 極限尺寸之間。又根據(jù)概率統(tǒng)計原理，零件尺寸的制造誤差與測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，這是處理實測數(shù)據(jù)的基礎。 對于有些國家的英制產(chǎn)品，也可參照上述方法處理。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 對于一些重要的配合尺寸，還要把實測尺寸分解為基本尺寸和公差值。在確定基本尺寸 時。首先判別是基孔制配合還是基軸制配合。基孔制配合的孔的上偏差為正值，下偏差為零。 而基軸制配合軸的上偏差為零，下偏差為負值(圖7-4)。 圖7-4 配合基制 a)基孔制配合 b)基軸制配合,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 假如實測尺寸

18、為基本尺寸與公差中值之和，則孔或軸的基本尺寸應滿足下面不等式： 基孔制： 孔的基本尺寸 軸的實測尺寸 (7-5) 孔的基本尺寸 軸的實測尺寸 (7-6) 基本尺寸 - 軸的實測值12軸公差(IT11級) (7-7) 在處理基本尺寸小數(shù)點后面兩位的尾數(shù)時，可按國際數(shù)字修約規(guī)則“四舍六入五單雙”的原則處理尾數(shù)。逢四則舍，逢六則進，遇五以保證偶數(shù)的原則決定舍進。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 四、公差的反求設計與創(chuàng)新 機械零件的尺寸公差確定的優(yōu)劣，直接影響部件的裝配和整機的工作性能。反求設計中，因為零件的公差是不能測量的，尺寸公差只能通過反求設計來解決。 1配合公差的反求設計 由式

19、(7-2)式(7-7)可知： 采用基孔制： 孔的實測值 - 基本尺寸12孔公差(IT11級) 采用基軸制： 基本尺寸 - 軸的實測值12軸公差(IT11級) 實測值是知道的，基本尺寸可以計算出來，故二者的差值是可求的，并由二者的差值查閱公差表。根據(jù)基本尺寸，選擇配合精度，按二者差值小于或等于所對應公差的一半的原則，最后決定出公差的精度等級和對應的公差值。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 2形位公差的反求設計 根據(jù)對樣機的實測結(jié)果選擇形位公差時，要注意以下原則： 1)確定同一要素上的形位公差時，形狀公差值應小于位置公差值。要分清要求兩平面平行時，其平面度公差值要小于平行度公差值。

20、 2)圓柱類零件的形狀公差值在一般情況下應小于其尺寸公差值。 3)形位公差值與尺寸公差值相適應。 4)形位公差值與表面粗糙度相適應。粗糙度很大，一般無形位公差要求。 5)選擇形位公差時，要考慮到加工方法。 最后根據(jù)零件的功能、實測尺寸、加工方法，參照國家標準，選擇出合理的形位公差。 3表面粗糙度的確定 機械零件的表面粗糙度可用粗糙度儀較準確地測量出來，再根據(jù)零件的功能、實測值、加工方法，參照國家標準，選擇出合理的表面粗糙度。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 五、機械零件材料的反求設計與創(chuàng)新 機械零件材料的選擇與熱處理方法直接影響到零件的強度、剛度、壽命、可靠性等指標，材料的選擇

21、是機械設計中的重要問題。 1材料的成分分析 材料的成分分析是指確定材料中的化學成分。對材料的整體、局部、表面進行定性分析或定量分析時，可通過以下手段： 1)火花鑒別法 根據(jù)材料與砂輪磨削后產(chǎn)生的火花定性判別材料的成分。不同金屬材料的火花圖參見制造工藝基礎。 2)音質(zhì)判別法 根據(jù)敲擊材料聲音的清脆不同，判別材料的成分。鑄鐵音質(zhì)啞，鋼材的音質(zhì)脆、余音長。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 五、機械零件材料的反求設計與創(chuàng)新 機械零件材料的選擇與熱處理方法直接影響到零件的強度、剛度、壽命、可靠性等指標，材料的選擇是機械設計中的重要問題。 1材料的成分分析 材料的成分分析是指確定材料中的化

22、學成分。對材料的整體、局部、表面進行定性分析或定量分析時，可通過以下手段： 1)火花鑒別法 根據(jù)材料與砂輪磨削后產(chǎn)生的火花定性判別材料的成分。不同金屬材料的火花圖參見制造工藝基礎。 2)音質(zhì)判別法 根據(jù)敲擊材料聲音的清脆不同，判別材料的成分。鑄鐵音質(zhì)啞，鋼材的音質(zhì)脆、余音長。 3)原子發(fā)射光譜分析法 可通過幾毫克幾十毫克的粉末對材料進行定量分析。 4)紅外光譜分析法 該方法多用于橡膠、塑料等非金屬材料的成分分析。 5)化學成分分析法 該方法是金屬材料的常用定量分析法。可根據(jù)分析結(jié)果從有關手冊上查取材料的牌號。 6)微探針分析法 該方法是最近發(fā)展起來的材料表面成分的分析方法、利用電子探針、離子探

23、針等儀器對材料的表面進行定性分析或定量分析。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 2材料的組織結(jié)構(gòu)分析 材料的組織結(jié)構(gòu)分析是指材料的宏觀組織結(jié)構(gòu)和微觀組織結(jié)構(gòu)。進行材料的宏觀組織結(jié)構(gòu)分析時，可用放大鏡觀察材料的晶粒大小、淬火硬層的分布、縮孔的缺陷等情況。利用顯 微鏡可觀察材料的微觀組織結(jié)構(gòu)。 3.材料的工藝分析 材料的工藝分析是指材料的成形方法。鑄造、鍛壓、擠壓、燒結(jié)、焊接、機加工以及熱 處理等是最常見的工藝。反求時，可酌情處理。 4，材料的硬度分析 可通過硬度計測定材料的表面硬度，并根據(jù)硬度或表面處理的厚度判別材料的表面處理 方法。一般情況下，利用噴丸、滾壓等表面形變硬化手段形成

24、的硬化層約為0.150.3mm。利用高頻淬火形成硬化層約為0.21.5mm。利用滲碳淬火形成的硬化層約為0.81.5mm。利用碳氮共滲形成的硬化層約為0.50.8mm。詳細情況可查閱有關手冊。 通過對材料的分析，結(jié)合我國國產(chǎn)材料的具體性能，選擇合適的代用品。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 六、關鍵零件的反求設計與創(chuàng)新 因為機械是可見的實物，容易仿造，所以任何機器中都會有一些關鍵零件，也就是生產(chǎn)商要控制的技術。這些零件是反求的重點，也是難點。在進行反求設計時，要找出這些關鍵零件。如發(fā)動機中的凸輪軸、紡織機械中的打緯凸輪、高速機械中的軸承、重型減速器中的齒輪等都是反求設計中的關鍵

25、零件。特別是高速凸輪的反求，要把實測的凸輪廓線坐標值擬合為若干段光滑曲線，而且要和其運動規(guī)律相一致，難度很大。因此，發(fā)動機廠家都把凸輪作為發(fā)動機的壟斷技術。對機械中關鍵零件的反求成功，技術上就有突破，就會有創(chuàng)新。不同的機械設備，其關鍵零件不同。關鍵零件的確定，要視具體情況。一般情況下，關鍵零件的反求都需要較深的專門知識和技術。,反求設計,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計 七、機構(gòu)系統(tǒng)的反求與創(chuàng)新 根據(jù)工作要求設計出機構(gòu)系統(tǒng)的簡圖，然后選擇材料，根據(jù)強度、剛度、制造工藝等要 求進行結(jié)構(gòu)設計，畫出總裝圖、零件圖，這一過程為正設計。而根據(jù)已有的設備，畫出其機 構(gòu)系統(tǒng)的運動簡圖，對其進行運動分析、

26、動力分析及性能分析，并根據(jù)分析結(jié)果改進機構(gòu)系 統(tǒng)的運動簡圖，稱之為反求設計。機構(gòu)系統(tǒng)的反求設計就屬此類。它是反求設計中的重要創(chuàng)新手段。 進行機構(gòu)系統(tǒng)的反求時，要注意產(chǎn)品的設計策略反求。一般情況下，產(chǎn)品的反求設計策 略有： 1)功能不變，降低成本。 2)增加功能，降低成本。 3)增加功能，成本不變。 4)減少功能，降低更多的成本。 5)增加功能，增加成本。 其中第二條最為理想，但有困難。只有依賴新技術、新材料、新工藝的突破。例如，大規(guī)模的集成電路的研制成功，計算機產(chǎn)品的功能越來越強大，而價格卻在下降。,反求設計,圖7-6a為20世紀50年代前蘇聯(lián)的油田抽油機機構(gòu)運動簡圖。 由圖7-6a的機構(gòu)運動

27、簡圖分析可知，ABCD為一個曲柄搖桿機構(gòu)。經(jīng)過對其進行運動分析和力分析可知，當曲柄1逆時針轉(zhuǎn)動時，油梁3順時針繞D點擺動，驢頭4帶動抽油桿5上升，完成抽油動作。該過程中，曲柄要克服抽油阻力和抽油桿的重量作功。連桿2承受拉力。當曲柄1逆時針轉(zhuǎn)過某一角度后，油梁3逆時針繞0點擺動，該過程中，抽油桿5的重量帶動驢頭4下擺。也就是說，驢頭和抽油桿的重量為驅(qū)動力。二者受力方向不變，連桿2仍然承受拉力。圖7-6b為受力分析示意圖。既然連桿在一個運動循環(huán)中都受拉力，如果用柔性構(gòu)件代替原來的剛性構(gòu)件，取消油梁和驢頭，則可創(chuàng)新設計出圖8-7所示的采用繩索滑輪式的無游梁抽油機機構(gòu)簡圖。,7.2 已知機械設備的反求

28、與創(chuàng)新設計,圖7-6 油田抽油機機構(gòu)運動簡圖 1-曲柄 2-連桿 3-油梁 4-驢頭 5-抽油桿 6-平衡配重,反求設計,美國Jerden公司創(chuàng)新設計出的低矮型抽油機即屬這一類型。無游梁式抽油機具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、成本低、調(diào)節(jié)沖程方便等優(yōu)點。我國也在近期開發(fā)出這種抽油機，目前正在試用中。 圖7-7所示為無游梁式抽油機機構(gòu)簡圖，圖8-8為其結(jié)構(gòu)簡圖。,7.2 已知機械設備的反求與創(chuàng)新設計,圖7-7 無游梁式抽油機機構(gòu)簡圖 圖7-8 無游梁式抽油機簡圖 1-曲柄 2-鋼索 3-滑輪 4-平衡配重,反求設計,在技術引進過程中，常把引進的機械設備等實物叫作硬件引進，而把與產(chǎn)品生產(chǎn)有關的 技術圖樣、產(chǎn)

29、品樣本、專利文獻、影視圖片、設計說明書、操作說明、維修手冊等技術文件 的引進稱為軟件引進。硬件引進模式是以應用或擴大生產(chǎn)能力為主要目的的，并在此基礎上 進行仿造、改造或創(chuàng)新設計新產(chǎn)品。軟件引進模式則是以增強本國的設計、制造、研制能力 為主要目的的，是為了解決國家建設中急需的任務。軟件引進模式要比硬件引進模式經(jīng)濟，但卻要求具備現(xiàn)代化的技術條件和高水平的科技人員。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,一、技術資料反求設計的特點 按技術資料進行反求設計的目的是為了探索和破譯其技術秘密，再經(jīng)過吸收、創(chuàng)新達到 大力發(fā)展本國生產(chǎn)技術的目的。按技術資料進行反求設計時，要首先了解技術資料反求設計

30、的特點。 (1)技術資料反求設計的抽象性 引進的技術資料不是實物，可見性差，不如實物形象直觀。因此，技術資料反求設計的過程是一個處理抽象信息的過程。 (2)技術資料反求設計的智力性 按技術資料反求設計的過程是用邏輯思維分析技術資 料，最后返回到設計出新產(chǎn)品的形象思維。由抽象思維到形象思維不斷反復，全靠人的腦力 進行。因此說，技術資料反求設計具有高度的智力性。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,一、技術資料反求設計的特點 (3)技術資料反求設計的科學性 從技術資料的各種信息載體中提取信號，經(jīng)過科學的 分析和反求，去偽存真，由低級到高級，逐步破譯出反求對象的技術秘密，從而得到接近客觀

31、的真值。因此，技術資料反求設計具有高度的科學性。 (4)技術資料反求設計的綜合性 技術資料反求設計要綜合運用相似理論、優(yōu)化理論、模糊理論、決策理論、預測理論、計算機技術等多學科的知識。因此。進行技術資料反求設計時，要集中多種專門人員共同工作，才能夠完成任務。 (5)技術資料反求設計的創(chuàng)造性 技術資料反求設計本身就是一種創(chuàng)造、創(chuàng)新的過程，是加快發(fā)展國民經(jīng)濟的重要手段。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,二、技術資料反求設計的一般過程 進行技術資料反求設計時，其過程大致如下： 1)論證對引進技術資料進行反求設計的必要性。對引進技術資料進行反求設計要花費大量時間、人力、財力、物力，反求

32、設計之前，要充分論證引進對象的技術先進性、可操作性、市場預測等項內(nèi)容，否則會導致經(jīng)濟損失。 2)根據(jù)引進技術資料，論證進行反求設計成功的可能性。并非所有的引進技術資料都能反求成功，因此要進行論證，避免走彎路。 3)分析原理方案的可行性、技術條件的合理性。 4)分析零、部件設計的正確性、可加工性。 5)分析整機的操作、維修是否安全與方便。 6)分析整機綜合性能的優(yōu)劣。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,三、圖片資料的反求設計 圖片反求資料容易獲得，通過廣告、照片、錄像帶可以獲得有關產(chǎn)品的外形資料。20世紀70年代，我國代表團訪問前蘇聯(lián)，在考察牙輪鉆機時，對方不允許靠近鉆機。只允許在

33、100m外拍照，我國技術人員根據(jù)當時拍的照片，反求出我國第一臺牙輪鉆機，從而取代了落后的沖擊式鉆機，填補了我國鉆機領域的空白。我國的國防工業(yè)在國外封鎖、禁運的情況下，也是靠一些簡單的圖片資料，設計出我們自己的導彈和火箭。20世紀50年代的日本，靠收集到的幾張數(shù)控機床的照片，研制開發(fā)出更為先進的數(shù)控機床，并返銷美國，使美國人大吃一驚。因為廉價的圖片易得，通過照片等圖像資料進行反求設計逐步被采用，并引起世界各國的高度重視。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,(1)圖片資料反求設計的關鍵技術 對圖片等資料進行分析是最主要的關鍵技術，主要有透視變換原理與技術、透視投影原理與技術、陰影、色

34、彩與三維信息等技術。隨著計算機技術的飛速發(fā)展，圖像掃描技術與掃描結(jié)果的信息處理技術已逐漸完善。通過色彩可判別出橡膠、塑料、皮革等非金屬材料的種類，也可判別出鑄件或是焊接件，還可判別出鋼、銅、鋁、金等有色金屬材料。通過外形可判別其傳動形式。氣壓傳動一般是通過管道集中供氣，液壓傳動多為單獨的供油系統(tǒng)，該系統(tǒng)由電動機、液壓泵、控制閥、油箱等組成。電傳動可找到電纜線，機械傳動中的帶傳動、鏈傳動、齒輪傳動等均可通過外形去判別。通過外形還可判別設備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。根據(jù)拍照距離可判別其尺寸?，F(xiàn)代的高新技術正在使這個難度大的反求設計變得比較容易。當然，圖像處理技術不能解決強度、剛度、傳動比等反映機器特征的詳細問題

35、，更進一步的問題還要科技人員去解決。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,(2)圖片資料反求設計的步驟 進行圖片資料的反求設計時，可參考以下步驟： 1)收集影像資料。 2)根據(jù)影像資料進行原理方案分析，結(jié)構(gòu)分析。 3)原理方案的反求設計與評估。 4)技術設計的反求設計。 5)技術性能與經(jīng)濟性的評估。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,四、專利文獻的反求設計 專利技術越來越受到人們的重視，專利產(chǎn)品具有新穎性、實用性。使用專利技術發(fā)展生產(chǎn)的實例很多。不管是過期的專利技術還是受保護的專利技術都有一定的使用價值。但是沒有專利持有人的參加，施實專利很困難。因此，對專利進行深入的

36、分析研究，實行反求設計。已成為人們開發(fā)新產(chǎn)品的一條途徑。 一般情況下，專利技術含說明書摘要(應用場合、技術特性、經(jīng)濟性、構(gòu)成等)、說明書 (主要是專利產(chǎn)品的組成原理)、權(quán)利要求書(說明要保護的內(nèi)容)以及附圖。對專利文獻的 反求設計主要依據(jù)這些內(nèi)容。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,利用專利文獻進行反求設計時，要注意以下問題： 1)根據(jù)說明書摘要判斷該專利的實用性和新穎性，決定是否采用該項技術。 2)結(jié)合附圖閱讀說明書，并根據(jù)權(quán)利要求書判斷該專利的關鍵技術。 3)分析該專利技術能否產(chǎn)品化。專利只是一種設想、產(chǎn)品的實用新型設計、外觀設計或 發(fā)明，專利并不等于產(chǎn)品設計。并非所有的專利

37、都能產(chǎn)品化。 4)根據(jù)專利文獻研究專利持有者的思維方法，以此為基礎進行原理方案的反求設計。 5)在原理方案反求設計的基礎上，提出改進方案，完成創(chuàng)新設計。 6)進行技術設計，提交技術可行性、市場可行性報告。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,五、已知設備圖樣的反求設計 引入國外先進產(chǎn)品的圖樣直接仿造生產(chǎn)，是我國20世紀70年代技術引進的主要方法。這是洋為中用，快速發(fā)展本國經(jīng)濟的一種途徑。我國的汽車工業(yè)、鋼鐵工業(yè)、紡織工業(yè)等許多行業(yè)都是靠這種技術引進發(fā)展起來的。實行改革開放政策以后，增加了企業(yè)的自主權(quán)，技術引進快速增加，縮短了與發(fā)達國家的差距。但世界已進入了代表高科技的知識經(jīng)濟時代，

38、仿造可加快發(fā)展速度，但不能領先世界水平。所以要在仿造的基礎上有創(chuàng)新，研究出更為先進的產(chǎn)品返銷國外，才能產(chǎn)生更大的經(jīng)濟效益。 我國在20世紀80年代初期，引進了西方國家的振動壓路機技術。仿造后發(fā)現(xiàn)該機的非 振動部件和駕駛室的振動過大，操作條件差，影響了仿造機的推廣使用。經(jīng)分析后，圖7-12a 所示按引進技術生產(chǎn)的壓路機是利用垂直振動實現(xiàn)壓緊路面的，而垂直振動帶來的負影響很 難消除。通過對機械振動方式的反求設計，科技人員提出了用水平振動代替垂直振動，創(chuàng)新 設計出圖8-12b所示的新型壓路機。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,創(chuàng)新設計的壓路機不僅防止了垂直振動引起的不良問題，而且滾輪

39、不脫離地面，靜載荷 得到充分利用，能量集中在壓實層上，且壓實均勻。 綜上所述，從仿造到創(chuàng)新才能不斷發(fā)展生產(chǎn)。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,圖7-12 兩種不同振動方式的壓路機,反求設計,一般情況下該過程可參考下面幾點： 1)讀懂圖樣和技術要求。 2)用國產(chǎn)材料代替原材料，選擇適當?shù)墓に囘^程和熱處理方式，并據(jù)此進行強度計算等 技術設計。 3)按我國國家標準重新繪制生產(chǎn)圖樣和提出具體的技術要求。 4)試制樣機并進行性能測試。 5)投入批量生產(chǎn)。 6)產(chǎn)品的信息反饋。 7)進行反求設計，以改進或創(chuàng)新設計新產(chǎn)品。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反求設計,六、反求設計綜述 反求設計是發(fā)

40、展生產(chǎn)、創(chuàng)造經(jīng)濟效益、提高國力的一項重要措施。 反求設計的關鍵問題為： 1)要把反求對象“吃透”，這是反求工程的核心和靈魂。 2)反求設計要結(jié)合國情，這是反求產(chǎn)品生存，具有市場的前提條件。 3)反求設計要有創(chuàng)新，這是反求產(chǎn)品趕超世界水平的關鍵。 三者相輔相成，貫穿在整個反求工程之中。其中“吃透”為最難，結(jié)合國情為前提，創(chuàng) 新為目標。沒有創(chuàng)新，只會在別人后面爬行，更談不上趕超。阻礙創(chuàng)新的人為因素是保守、知足和害怕?lián)L險。阻礙創(chuàng)新的社會因素是缺乏競爭的機制。缺乏創(chuàng)新是技術引進中的一大弊病。要把創(chuàng)新同全民族的利益、國家的前途聯(lián)系起來，我們的事業(yè)才會興旺發(fā)達。,7.2 已知技術資料的反求與創(chuàng)新設計,反

41、求設計,7.4.1 三維反求技術的發(fā)展 三維反求技術亦稱為逆向工程 (reverse engineering) ，原先這種技術是用于三維測量及質(zhì)量檢定。生產(chǎn)下來的產(chǎn)品，可利用這技術測量其外型尺寸及檢定它的質(zhì)量，然后對比原先設計時的參數(shù)，是否附合要求或須要做出修改、優(yōu)化等。這可以說三維反求技術是產(chǎn)品設計過程中的下游工序向上游工序反饋信息的一個途徑。 上世紀六十年代有學者提出利用電腦視覺技術(computer vision) 來獲取三維數(shù)據(jù)的可能性。隨后，多種技術被研發(fā)出來采集三維數(shù)據(jù)，其中包括，立體視覺、結(jié)構(gòu)光等。這些技術并沒有被商品化，因為當時候的圖像采集儀器、電子組件、軟件技術及電腦計算功能

42、都很難滿足技術要求。特別是在電腦計算功能上，當時的電腦沒法處理龐大的數(shù)據(jù)。,7.4 三維反求技術,反求設計,7.4.1 三維反求技術的發(fā)展 到上世紀八十年代，美國Cyberware公司研制了一部用來掃描人頭的三維掃描儀，并成功地用于影視特技制作。之后，美國及日本公司相繼投入巨大的人力物力資源開發(fā)相關的技術及掃描儀器，技術方面包括圖像雷達、聚焦測距、莫爾條紋等，而掃描儀器到現(xiàn)在已有近百種之多。 三維反求技術原理及工作流程 三維反求技術包括影像反求、軟件反求及實物反求等三方面。目前相對最多人研究的是實物反求技術。它是研究實物CAD模型的重建和最終產(chǎn)品的制造。陜義來說，三維反求技術是將實物模型數(shù)據(jù)化

43、成設計、概念模型，并在此基礎上對產(chǎn)品進行分析、修改及優(yōu)化等技術。,7.4 三維反求技術,反求設計,7.4.2 三維反求技術的工作原理和基本流程 工作原理 三維反求技術是利用電子儀器去收集物體表面的原始數(shù)據(jù), 之后再使用軟件，計算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標，并得到對應的顏色。掃描儀是對物體作全方位的掃描、然后整理數(shù)據(jù)、三維造型、格式轉(zhuǎn)換、輸出結(jié)果。整個操作過程，可以分為四個步驟： 1） 物體數(shù)據(jù)化：普遍采用三坐標測量機或激光掃描儀來采集物體表面的空間坐標值。 2） 從采集的數(shù)據(jù)中分析物體的幾何特征：依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性，進行分割、再采用幾何特征和識別方法來分析物體的設計及加工特征。 3） 物體三維模型重建：

44、利用CAD軟件，把分割后的三維數(shù)據(jù)作表面模型的擬合，得出實物的三維模型。 4） 檢驗、修正三維模型。,7.3 三維反求技術,反求設計,工作流程 三維反求的典型工作流程主要是對現(xiàn)有的實物，使用數(shù)據(jù)化的儀器，準確、快速地采集表面輪廓的空間坐標值，然后構(gòu)建曲面、經(jīng)CAM軟件產(chǎn)生CNC加工刀路，在CNC機床上把實物模型制造出來或利用快速原型制造機，把實物原型制造出來。在產(chǎn)品設計方面，采集的空間坐標值，可對實體三維模型，作復雜的修改或再創(chuàng)新?？焖僭椭圃鞕C可讀取STL格式的文檔，可以由云點直接轉(zhuǎn)換或在建造的曲面、實體三維模型中轉(zhuǎn)換。,7.4 三維反求技術,7.4.2 三維反求技術的工作原理和基本流程,反

45、求設計,反求工程（逆向工程）一般可分為四個階段：第一步: 零件原形的數(shù)字化 通常采用三坐標測量機(CMM)或激光掃描儀等測量裝置來獲取零件原形表面點的三維坐標值。第二步: 從測量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征 按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特征。第三步: 零件原形CAD模型的重建 將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。第四步: 重建CAD模型的檢驗與修正 采用根據(jù)獲得的CAD模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要，

46、對不滿足要求者重復以上過程，直至達到零件的逆向工程設計要求。,7.4 三維反求技術,反求設計,接觸式掃描或測量方法 1）三坐標測量儀 坐標測量機是一種大型精密的三坐標標測量儀器，可以對具有復雜形狀的工件的空間尺寸進行逆向工程測量。采集方式主要是利用安裝在儀器上的探針(stylus) 逐點采集對象表面上的數(shù)據(jù)。探針沿對象表面運行時，對象表面上反作用力使探針位移。位移是通過探頭內(nèi)的彈簧反映出來。連接彈簧的傳感器(tra ducer)便會測量位移的大少、方向等。之后便通過計算顯示各采集點的三維空間坐標。 由于三坐標測量儀本身的機械結(jié)構(gòu)及設計，采集數(shù)據(jù)精度高，對被掃描對象的表面的顏色及反射特性沒有特別

47、要求。采集數(shù)據(jù)時，探針是壓著被對象運行的，所以一些材質(zhì)較軟的發(fā)泡膠等便不能準確掃描，因為被掃描對象會被探針壓著而變形。探針經(jīng)常在堅韌的對象表面運行時，容易磨損，所以須要經(jīng)常較正探針的直徑，維持一定的精度。由于它是逐點采集數(shù)據(jù)，所以掃描速度相對較慢，主要是用來測量不太復雜，具有少量特征曲面的對象。,7.4 三維反求技術,7.4.3 三維掃描或測量方法,反求設計,目前市場上，有一種專用的接觸式掃描機。由英國Renishaw公司提供的Cyclone掃描機采用一種三維力一位移傳感的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續(xù)獲取表面的坐標信息，掃描速度可達8米/秒，數(shù)字化速度最高可達500點/秒，精度

48、約為0.03mm。可以采集復雜的對象表面曲線數(shù)據(jù)，操作容易。所采集的數(shù)據(jù)，通過掃描機原身配備的軟件，轉(zhuǎn)化成電腦加工中的刀路，直接制造模具。這種測頭價格昂貴，目前尚未在坐標測量機上廣泛采用。坐標測量機主要優(yōu)點是測量精度高，適應性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進行逆向工程測量。 2）層析法 層析法是近年來發(fā)展的一種反求工程逆向工程技術，將研究的零件原形填充后，采用逐層銑削和逐層光掃描相結(jié)合的方法獲取零件原形不同位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來獲得零件的三維數(shù)據(jù)。層析法的優(yōu)點在于任意形狀，任意結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)外輪廓進行測量，但測量方式是破壞性的。,7.4 三維反求技術,7.

49、4.3 三維掃描或測量方法,反求設計,非接觸式掃描或測量方法 非接觸式測量根據(jù)測量原理的不同，大致有光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式。 1）結(jié)構(gòu)光法 結(jié)構(gòu)光法的操作原理是把一定模式的光源，投射到被掃描對象的表面上，投射參考面光源，會被放在該位置的被掃描對象阻擋而發(fā)生變形，此時使用不同的鏡頭攝取不同角度的圖像，再分析變形的光源, 就可計算出被測對象表面的整幅圖像的三維坐標。 結(jié)構(gòu)光法采用的光源以光柵影線較為普遍。目前分析光柵影線變形的方法主要有傳里葉及相移法。而相移法相對較為準確，這種方法的優(yōu)點是測量的速度很快、掃描的面積大、設備相對輕便方面攜帶、測量場地沒有特別要求。在汽車行業(yè)，它普遍被用

50、來掃描汽車的車身等大面積對象。德國Steinblicher公司的 COMET IV掃描儀，可以掃描的面積從 10075mm2到12001200mm2。它的攝像器可裝在三腳架上，隨意移動至任何位置作高速掃描、攝像器更可以裝上機械手上，掃描復雜的對象，分辨率可達400萬象素之高。對一些精細零件都能采集良好的數(shù)據(jù)。,7.4 三維反求技術,7.4.3 三維掃描或測量方法,反求設計,2）激光三角法 激光三角法是在被掃描物的表面用有規(guī)則幾何圖形的激光束，如點光源或線光源，進行掃描，被掃描面便會形成漫反射光點、光帶，接著安裝在光路的圖像傳感器接收這光點、光帶，然后利用三角原理計算出被采集點的空間坐標。 激光

51、三角法的技術成熟、被廣泛使用，掃描速度高、精度高。它的圖像傳感器體積細而輕，安裝方便。它甚至可以它裝在三坐標上，安裝拆卸容易，這是它另一個特點。它也可以掃描材質(zhì)較柔軟的對象，如橡膠等。日本的 Konica Minolta公司的非接觸儀 Vivid 9i的掃描精度可達0.05mm，只需要2.5秒便可獲取精確的數(shù)據(jù)。 加拿大的手持式,7.4 三維反求技術,7.4.3 三維掃描或測量方法,反求設計,3）基于光學三角型原理的逆向工程掃描法 這種測量方法根據(jù)光學三角型測量原理，以光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可以分為光點、單線條、多光條等，將其投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據(jù)光點或光條在物體上成象的偏移，通過被測物體基平面、象點、象距等之間的關系計算物體的深度信息。 4）基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法 這種測量方法將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關系會發(fā)生變化，數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息。,7.4 三維反求技術,7.4.3 三維掃描或測量方法,反求設計,5）基于工業(yè)CT斷層掃描圖像逆向工程法 這種測量方法對被測物體進行斷層截面掃描,以X射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)處理重建斷層截面圖像，根