機械創(chuàng)新設計-第8章-反求設計與創(chuàng)新

Mecca-MedinaHelgadesignToLearn,RespectandUnderstandotherPeopleandBelievesistheSecretofPEACEHelgaphotosfromWeb第八章反求設計與創(chuàng)新反求設計〔也稱逆向設計〕，是指設計師對產(chǎn)品實物樣件外表進行數(shù)字化處理(數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理)，并利用可實現(xiàn)逆向三維造型設計的軟件來重新構造實物的CAD模型(曲面模型重構)，并進一步用CAD/CAE／CAM系統(tǒng)實現(xiàn)分析、再設計、數(shù)控編程、數(shù)控加工的過程。

逆向設計的流程示意：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→制造系統(tǒng)→新產(chǎn)品。反求設計與創(chuàng)新8.1概述8.2反求設計的內容與過程當時日本作為第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)敗國，在經(jīng)濟上飽受戰(zhàn)爭影響，急于恢復與開展。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。他們購置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、平安性能、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。反求設計的過程可表達為：明確設計要求反求分析（實物、軟件或影像）開發(fā)設計原理方案設計技術設計施工設計實驗試制產(chǎn)品生產(chǎn)仿型設計變異設計8.2反求設計的內容與過程

8.2.1反求設計的主要內容1．設計思想的反求

反求設計的最重要內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。2．功能原理的反求功能原理的反求也是一個分析過程。對于一個產(chǎn)品，其總功能是的，但深入分析其組成結構時，會發(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。其次應深入分析實現(xiàn)這一功能的工作原理，是簡單的機械效應，或是氣動與液壓的效應，還是電磁等效應；是采用了分割，還是合并原理等。掌握了功能原理，就可以變被動為主動，開發(fā)出實現(xiàn)同樣功能的不同原理解，也就實現(xiàn)了從反求到創(chuàng)新的過程。3．結構形狀與尺寸參數(shù)的反求結構形狀與尺寸參數(shù)的反求既是一個分析過程，也是一個實際測繪過程。反求活動中包含有實物測量、數(shù)據(jù)處理、誤差分析等內容。對于實物反求，可以比較容易的獲得產(chǎn)品某局部的實際結構形狀，這將有利于反求工作的進行。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、導軌等〕，以及不規(guī)那么的形狀〔如凸輪、葉輪、自由曲面等〕。根據(jù)形狀的復雜程度，可以采用不同的測量手段、獲取數(shù)據(jù)的方法，以及誤差的分析方法。對于不規(guī)那么形狀零件的反求，首先要建立零件的測量坐標系。測量時測點的位置在均勻分布的根底上，再按曲率特性補充測點，使測量路徑既容易形成，又考慮到加工難度隨曲率變化的規(guī)律。目前用于工業(yè)測量的方法有坐標測量儀、激光測量儀、工業(yè)CT、逐層切削照相測量等。假設采用測量機或激光掃描等采樣設備時，還要注意測頭的方位。數(shù)據(jù)的處理主要是指對不同測量方法所獲得的結果進行整理，檢查。剔除廢點數(shù)據(jù)，增加必要的補償點，對測量數(shù)據(jù)進行平滑處理以消除噪聲信號及其他干擾因素造成的抖動。然后對數(shù)據(jù)采用一定的方法進行擬合，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)之間存在的誤差進行分析。這些誤差包括測量誤差、數(shù)據(jù)整理時造成的計算誤差、原始零件在制造過程中產(chǎn)生的不可防止的制造誤差、原始零件在使用過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，如提高測量精度、提高擬合計算精度等。

圖8－2所示為一健身器的反求設計。圖〔a〕是健身器掃描數(shù)據(jù)點暈，圖〔b〕為重構曲面線框圖，圖〔c〕為重構曲面光照圖，圖〔d〕為重構曲面NC加工軌跡。有時無法獲得產(chǎn)品某一局部，而且是關鍵局部的真實面目，假設強行破壞會造成經(jīng)濟損失，這時就可以采用工業(yè)CT與分析相結合的手段。工業(yè)CT本錢較高，精度較低，但不損傷實物。有了CT的大概圖像，再從原理角度詳細分析可能的結構形狀?；蛘呖梢愿鶕?jù)遮蓋物的外形分析內部看不見的物體可能的結構形式，再構造其結構形狀。

對于規(guī)那么形狀零件的尺寸也可根據(jù)概率統(tǒng)計原理〔即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〕來確定。對于一些重要的配合尺寸，首先應判別是基孔制還是基軸制配合。基孔制配合的孔的上偏差為正值，下偏差為零；而基軸制配合的軸的上偏差為零，下偏差為負值。對影像、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，再通過功能原理的分析進行推理，構造產(chǎn)品的結構形狀。例如，根據(jù)國外某雜志介紹的省力矩扳手的圓盤外形，以及輸入輸出同軸特點進行分析，認為可能是采用行星齒輪傳動，以大減速比實現(xiàn)增矩的效果。按此設想進行設計，果然效果很好。8.2.2反求設計的主要過程1．實物〔整機〕反求實物反求形象直觀，可面對產(chǎn)品進行分析、測試、運行，以獲得詳細的設計資料。同時還具有參照性、可比性，有利于改進產(chǎn)品，開發(fā)新產(chǎn)品。其反求過程如下所述?！?〕分析分析是指對原始產(chǎn)品的功能特點、原理方案、結構構型、工藝過程、產(chǎn)品的造型特色等宏觀內容的分析?！?〕測試測試是指開車運行，并在運行中進行有關性能的測試，即對產(chǎn)品質量有影響的關鍵性能進行測試。例如功能測試，即是否能完成應具備的各種功能；原理方案測試，即判斷分析時所反求的原理是否正確；振動測試，即測試機器運行時的振動情況；還有諸如啟動時間、噪聲、運行速度等性能的測試。然后對試驗的數(shù)據(jù)進行科學處理，記錄試驗的故障現(xiàn)象，為進一步反求提供依據(jù)?！?〕分解分解是指對原始產(chǎn)品的解體、拆卸。在有條件的情況下最好能對反求的原始產(chǎn)品進行分解，其主要目的是進一步探索產(chǎn)品的工作原理、結構特性及零部件的特殊結構等。但分解時要遵循一定的原那么，應在能恢復原機的原那么下進行分解，分解的零部件要按機器的組成進行編號記錄；拆后不易復位的，如過盈配合的零部件，特殊組件等不可分解。〔5〕改進與創(chuàng)新在反求產(chǎn)品的根底上進行設計的形式有三種：模仿設計——模仿設計