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

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

逆向設(shè)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(gòu)→制造系統(tǒng)→新產(chǎn)品。反求設(shè)計與創(chuàng)新8.1概述8.2反求設(shè)計的內(nèi)容與過程當(dāng)時日本作為第二次世界大戰(zhàn)的戰(zhàn)敗國，在經(jīng)濟(jì)上飽受戰(zhàn)爭影響，急于恢復(fù)與開展。他們提出的口號是：“一代引進(jìn)，二代國產(chǎn)化，三代改進(jìn)出口，四代占領(lǐng)國際市場〞。三洋電機(jī)開發(fā)洗衣機(jī)的過程就是一個很好的實例。1952年夏，三洋電機(jī)當(dāng)時的社長井植歲男看到了洗衣機(jī)市場存在巨大的潛力，決定開始研制洗衣機(jī)。他們購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、比較和分析，充分總結(jié)和剖析各類洗衣機(jī)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(jī)。正準(zhǔn)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(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(yīng)當(dāng)預(yù)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(yīng)當(dāng)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(jī)，開始對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噴流式洗衣機(jī)。這種性能優(yōu)異、價格只及傳統(tǒng)攪拌式洗衣機(jī)一半的新產(chǎn)品，一上市便引起轟動，不僅帶來巨大的經(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)計的過程可表達(dá)為：明確設(shè)計要求反求分析（實物、軟件或影像）開發(fā)設(shè)計原理方案設(shè)計技術(shù)設(shè)計施工設(shè)計實驗試制產(chǎn)品生產(chǎn)仿型設(shè)計變異設(shè)計8.2反求設(shè)計的內(nèi)容與過程

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

反求設(shè)計的最重要內(nèi)容是探求設(shè)計者的設(shè)計思想。設(shè)計思想是設(shè)計者的靈魂，設(shè)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(shè)計者本人或設(shè)計小組全體成員智慧的結(jié)晶。

設(shè)計思想主要應(yīng)包括設(shè)計產(chǎn)品開發(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(yīng)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(jié)構(gòu)特點，有些什么與眾不同的特點，進(jìn)而分析這些特殊結(jié)構(gòu)的特殊原因，以及會造成的結(jié)果等。設(shè)計思想的反求是貫穿反求全過程的工作，在反求設(shè)計中的每一步驟都不要忘記揣摩設(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)深入分析實現(xiàn)這一功能的工作原理，是簡單的機(jī)械效應(yīng)，或是氣動與液壓的效應(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(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(nèi)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(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、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(biāo)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(bǔ)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(biāo)測量儀、激光測量儀、工業(yè)CT、逐層切削照相測量等。假設(shè)采用測量機(jī)或激光掃描等采樣設(shè)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(jié)果進(jìn)行整理，檢查。剔除廢點數(shù)據(jù)，增加必要的補(bǔ)償點，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)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(jìn)行擬合，并生成光滑的曲線輸出?；虍a(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(jìn)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(shè)計。圖〔a〕是健身器掃描數(shù)據(jù)點暈，圖〔b〕為重構(gòu)曲面線框圖，圖〔c〕為重構(gòu)曲面光照圖，圖〔d〕為重構(gòu)曲面NC加工軌跡。有時無法獲得產(chǎn)品某一局部，而且是關(guān)鍵局部的真實面目，假設(shè)強(qiáng)行破壞會造成經(jīng)濟(jì)損失，這時就可以采用工業(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(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)部看不見的物體可能的結(jié)構(gòu)形式，再構(gòu)造其結(jié)構(gòu)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(yīng)判別是基孔制還是基軸制配合?；字婆浜系目椎纳掀顬檎担缕顬榱?；而基軸制配合的軸的上偏差為零，下偏差為負(fù)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(jìn)行推理，構(gòu)造產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析，認(rèn)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(shè)想進(jìn)行設(shè)計，果然效果很好。8.2.2反求設(shè)計的主要過程1．實物〔整機(jī)〕反求實物反求形象直觀，可面對產(chǎn)品進(jìn)行分析、測試、運行，以獲得詳細(xì)的設(shè)計資料。同時還具有參照性、可比性，有利于改進(jìn)產(chǎn)品，開發(fā)新產(chǎn)品。其反求過程如下所述。〔1〕分析分析是指對原始產(chǎn)品的功能特點、原理方案、結(jié)構(gòu)構(gòu)型、工藝過程、產(chǎn)品的造型特色等宏觀內(nèi)容的分析?！?〕測試測試是指開車運行，并在運行中進(jìn)行有關(guān)性能的測試，即對產(chǎn)品質(zhì)量有影響的關(guān)鍵性能進(jìn)行測試。例如功能測試，即是否能完成應(yīng)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(jī)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(jìn)行科學(xué)處理，記錄試驗的故障現(xiàn)象，為進(jìn)一步反求提供依據(jù)。〔3〕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(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)行編號記錄；拆后不易復(fù)位的，如過盈配合的零部件，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)計的形式有三種：模仿設(shè)計——模仿設(shè)計